（a）主轴颈硬化层

（b）连杆颈硬化层

（c）第10主轴颈硬化层

（d）第1主轴颈硬化层

（e）第5、第6主轴颈硬化层

图2 国外某型曲轴轴颈硬化层

从技术要求可以看出，该曲轴轴颈成品硬化层深度5.08～10.2mm，远大于一般曲轴要求的2.5～5.0mm；极限硬度为43HRC，也比GB/T5617-2005标准规定的“零件表面所要求的最低硬度的0.8倍”高。为了保证曲轴成品硬化层深度，加上磨削工艺留量，中频感应淬火后的硬化层工艺深度至少应在6.0mm以上。

该曲轴材质为SAE5046钢，与我国的45钢化学成分接近，不同之处是wCr要求0.20%～0.35%，基本属于碳钢。根据经验，一般碳钢曲轴中频感应淬火时硬化层深度约占加热层深度的0.8左右。对该曲轴，按硬化层工艺深度6.0mm计算，加热层深度应至少达到6.0mm/0.8=7.5mm。我公司现有曲轴中频淬火机床最低频率为6kHz，理论上电流透入深度d热最深大约为500/≈6.45mm，小于需求的最小加热深度7.5mm。此外，以43HRC作为硬化层极限硬度时，我公司以往碳钢曲轴的中频感应淬火经验表明，硬化层深度无法达到5mm以上。

为保证曲轴获得足够的硬化层深度，采取的措施：一是对SAE5046钢化学成分进行优化，主要是适度提高Mn量下限，并加入少量的V元素，以达到细化晶粒、提高材料淬透性的目的，为满足曲轴调质力学性能和中频淬火深度、硬度等要求创造条件；二是中频感应淬火时，在采用机床最低频率基础上，适当延长加热时间，使热量往内部传导一定深度，以获得较为理想的加热层；三是选用合适的淬火冷却介质，在确保曲轴不发生淬火裂纹的前提下，获得较大的冷却能力。

二、工艺设计

1.感应器设计

根据技术要求及轴颈相关尺寸设计淬火感应器5个，即第1轴颈感应器、第5和第6主轴颈感应器、第10主轴颈感应器、连杆颈感应器、其他主轴颈感应器。

鉴于曲轴感应淬火时加热时间较长，有效圈宽度按技术要求取中下限；有效圈包角β不宜过大，控制在40°～55°，根据具体的空间布局来设计，允许偏差±2°；有效圈与轴颈表面的间隙控制在1.5mm。各感应器有效圈尺寸参数见表1。

2. 工艺参数的选择

对于感应淬火而言，主要工艺参数包含功率、电压、电容、变压比、加热时间、冷却时间及回火温度等。各工艺参数选择情况如下：

（1）功率 P =P0S，一般来说，比功率P0=0.5～2.0kW/cm2。但在实际工艺制定中，考虑到设备状况老化、零件结构复杂、加热时间长、硬化层深度要求深等，结合实际经验，曲轴中频感应淬火的P0选择要偏小，介于0.35～0.45kW/cm2之间；S为每个轴颈淬火加热的总面积，以技术要求的硬化层中间值L作为计算基础。

（2）电压 根据计算出的功率设定电压值调试范围，以通过调试达到拟定的功率P为准。

（3）频率 根据分析，采用最低频率6kHz，此刻机床电容匹配最大值1380kVAR，变压比选择4:1。

（4）加热时间 保证一定的加热时间，使淬火温度大致介于880～930℃，且组织充分转变。加热层质量：m=πL（R2-r2）/1000×7.85，加热层所需能量：Q=CmΔt，匹配变压器及感应器的总效率根据传导加热理论及实际经验取η=10%～15%，则加热时间：t=Q/Pη(其中，R为轴径圆半径，r为加热层极限处的圆半径，C为比热，Δt为从室温加热到淬火温度之间的温差。)

由于该曲轴要求硬化层深度深，感应加热采用较低频率及一定的传热，所以需要较长的加热时间达到理想的淬火温度及合适的加热层，具体试验加热时间，按上述公式计算并结合以往经验进行微调。

（5）冷却时间 以控制最终淬火余温，既要保证组织转变，又要防止油孔等危险部位开裂，对于曲轴而言，一般将淬火余温控制在180～240℃。

根据设备状态及上述分析，确定的国外某型曲轴的中频感应淬火工艺参数见表2。

（6）回火温度 依据其表面硬度要求，确定回火温度在360～390℃。

3. 淬火冷却介质的选择

我公司曲轴中频感应淬火常用的冷却介质为清水（适用于碳钢曲轴）和AQ251水溶液（适用于合金钢曲轴）。此前，我公司曾采用清水来进行另一型号SAE5046钢曲轴的中频感应淬火，轴颈过渡圆角处出现了淬火裂纹。对国外某型曲轴，为确保中频感应淬火的冷却效果，同时降低油孔部位的淬裂风险，确定采用使用V300冷却速度在70～80℃/S（30℃，静止）的低浓度AQ251淬火冷却介质，这样既能保证淬火冷却介质在高温段具有较强烈的冷却能力，又适度降低了低温段的冷却速度，可避免产生淬火开裂。采用KHR淬火冷却介质检测仪测定的三者冷却特性曲线如

图3所示（高浓度AQ251:V300=63℃/S；低浓度AQ251:V300=76℃/S；清水: V300=88℃/S）。

图3 高低浓度AQ251及清水冷却特性曲线对比

三、试验验证

（1）第一次试验 由于为该曲轴定制的优化SAE5046钢原材料未到料，故采用标准的SAE5046钢按照各淬火轴颈尺寸制作模拟试样进行了第一次试验。模拟试样按表2工艺参数进行感应淬火后，解剖检验结果见表3，硬化层宏观腐蚀照片和微观金相组织照片如图4～图10所示。

图4 第1主轴颈硬化层宏观照片

图5 第5、第6主轴颈硬化层宏观照片

图6 第10主轴颈硬化层宏观照片

图7 连杆颈硬化层宏观照片

图8 主轴颈硬化层宏观照片

图9 主轴颈（500×）

图10 第10主轴颈（500×）

从图4～图6的宏观照片可见，各试样的加热层深度达到了10mm左右，硬化层深度在5.2～5.6mm之间，硬化层过渡区较大。图7、图8为极限硬度处的金相组织照片，反映出此处的组织中有较多的托氏体。从试验结果可知，试样的实际加热层深度足够，但因材料的淬透性偏低，得到的金相组织不理想，故实际硬化层深度未达到规定要求。

（2）第二次试验 在优化后的SAE5046钢原材料到厂后，根据化学成分对其淬透性进行了计算，淬透性曲线如图11所示。从图中可以看出，优化后的SAE5046钢比标准的SAE5046钢具有更好的淬透性，在中频感应淬火时具有同样加热层深度的情况下，可获得更深的硬化层。

采用优化后的SAE5046钢按各淬火轴颈尺寸重新制作模拟试样，保持工艺参数不变，进行第二次中频淬火试验，结果见表4。

图11 优化后SAE5046钢与标准SAE5046钢淬透性曲线

由表4可见，采用优化后的SAE5046钢淬火后，在其他因素不变的情况下，硬化层深度得到了很大的提升，各项数据均满足技术要求，过渡区宽度大幅下降。硬化层金相组织为回火马氏体，组织级别6级，未出现托氏体，如图12、图13所示。第二次试验结果表明，材料淬透性提高后，加热效果与第一次试验一致，而淬火效果得到有效提高，硬化层深度等满足技术要求。

图12 材料优化后主轴颈（500×）

图13 材料优化后第10主轴颈（500×）

（3）曲轴实物中频感应淬火 在试验验证的基础上，采用相同工艺参数进行了曲轴实物的中频感应淬火试制。经检测，各轴颈表面硬度均满足45～53HRC技术要求；曲轴整体变形控制良好，满足后续磨削加工要求；各轴颈油孔处均无淬火裂纹，中频感应淬火质量稳定。该曲轴经装机运行验证后进行了批量生产，质量稳定可靠。

四、结语

在中频感应淬火机床频率较高、采用透入式加热方式不足以满足加热深度需求时，通过合理设计感应器、适当延长加热时间、选择较低的比功率等，可得到需求的加热层深。

对于硬化层深度超深的SAE5046钢中频感应淬火曲轴，在不宜过度加大冷却速度时，通过对材料化学成分进行优化，适度提高材料的淬透性，可达到增大硬化层深度的目的。

对SAE5046钢中频感应淬火曲轴，选择具有适宜冷却特性的低浓度AQ251淬火冷却介质，可在防止出现淬火裂纹的同时，获得良好的淬火效果。返回搜狐，查看更多