车辆零件热处理与修复技术

迄今为止，在汽车、拖拉机和工程机械等行业，轴类零件的感应热处理工艺占到了相当大的比例。轴类零件采用表面感应淬火以提高其耐磨性和弯曲疲劳强度。但有些轴类零件因几何形状复杂，且沿零件表面轮廓均有硬度和淬硬层深度要求，采用一般的感应淬火法难以满足要求，往往会出现淬火软带、裂纹等缺陷，甚至根本无法对零件实现感应淬火。
感应热处理工艺是感应加热技术水平的主要体现，是技术发展的基础。先进的感应热处理工艺技术可以有效地发挥感应加热的特点，实现高效、节能的局部热处理。国内外感应热处理新工艺主要有：
（1）纵向感应加热淬火　半轴纵向感应加热淬火已用于汽车、拖拉机工业。半轴纵向感应加热是一次淬火。在德国、美国有半轴一次淬火专用机床，将加热、校正和淬火在一台机床上完成，提高了生产效率。一次淬火与连续淬火相同产量的设备占地面积各为40m2 与115m2。
（2）曲轴颈圆角淬火　曲轴颈圆角淬火后，疲劳强度比正火的提高一倍，我国生产的康明斯与 NH 发动机曲轴均已采用此种工艺。
（3）低淬透性钢齿轮淬火　早在20 世纪70 年代， 我国就进行了55DT、60DT、70DT 钢研究并取得初步成果，但因钢的淬透性不稳定等原因，低淬钢未继续用于生产。1992 年俄罗斯低淬钢创始人，K.3ЩЕПЕ ЛЯКОВСКЦЦ 博士来中国讲学，并到某一钢厂调查冶炼低淬钢的条件，认为该厂完全具备生产低淬钢的条件。YB 2009—1981《低淬透性含钛优质碳素结构钢》中对合金元素的控制与俄罗斯不同，（俄）1054—74 中58（55П П）钢的元素含量对 Mn、Cr、Ni、Cu 四元素之和规定要求＜0.5%（质量分数），而YB 2009—1981 中55Ti 钢对Cr、Ni、Cu三元素之和规定＜0.5%（质量分数），这可能是关键所在。
俄罗斯低淬钢及控制淬透性钢已大量应用于汽车、拖拉机后桥齿轮、挖掘机齿轮、传动十字轴、火车车厢用滚动轴承、汽车板簧和铁路螺旋弹簧等方面，取得了极大的经济效益。
（4）感应电阻淬火　众所周知，转向齿条的齿部采用感应电阻法淬火，国内已有三台以上的进口机床在生产。英国一工厂将此工艺用于齿轮生产，发现淬火后齿轮基本不变形并可随后进入装配工序。
（5）曲轴轴颈固定加热淬火　新设备称为Grankpro TM，用两个半环形固定加热感应器取代8 字半环形旋转加热感应带。此套设备能对曲轴轴颈进行淬火与回火，与老工艺相比， 具有节能、占地面积小、工件变形小和感应器寿命长等优点。
近来，我国在感应热处理的技术发展方面已经取得了长足的进步。例如天津高频设备厂与日本电气兴业公司合作，生产了最新的IGBT 和SIT 全固态高频电源，以及具有能量控制器的淬火设备；国内多家公司能生产性能优良的晶闸管（可控硅整流器）中频电源；一汽集团和其他兄弟厂家研制出一大批高效能的专用淬火机床。尽管如此，就感应热处理技术的总体而言，我国与国际先进水平相比仍有较大差距，例如：在材料方面的低淬钢、非调质钢和可控淬透性钢的应用；在淬火设备方面的数控技术、计算机管理及精密机械传动技术的应用；在变频电源方面的高质量、高可靠性的电气元件的开发；新型水溶性淬火介质的开发和应用；精密感应器的制造技术等。为缩短这些差距，仍需国内同行付出巨大努力。
《车辆零件热处理技术及应用实例》是2009 年编写的，当时我国感应热处理工艺与装备的水平还处于创新的中期，书中内容主要取材于我国拖拉机生产中（主要是中国一拖集团有限公司）热处理方面的40 多年的经验，并加以总结和提高，使其具有系统性和理论性。10 余年来，随着国内外感应加热装备制造业的迅猛发展，以及新产品新工艺的不断涌现，该书的观点及热处理方法发现有不完善之处。为了能对正在追赶国际先进水平的国内感应热处理界，起到桥梁、导引、推介感应热处理国际水平新技术的作用，笔者决定编写本书以飨广大读者，以期相关的内容对于国内同行有新的启发和对国内感应热处理技术研究提供最新借鉴。
多年来，笔者在感应热处理领域精耕细作，通过借鉴国外资料，提炼并整理出一套自己的感应淬火工艺理论，用来指导工艺编制；利用实验和推导的方法，整理出发电机中频淬火设备的调谐理论，用它来指导生产调整；还整理出各种感应淬火质量问题的解决方法以及各种设备故障的分析和检修方法等。这些理论和方法经生产实践证明，是行之有效的。这些内容对于参与实际工作的同志和初涉感应淬火专业的新同志来说，肯定是有帮助的，这是它的实用性。本书还用较多篇幅介绍国内外本专业的新技术，例如曲轴旋转淬火技术、半轴纵向整体加热淬火技术、明显提高零件强度的转向节半圈感应淬火技术、淬火层完全仿形分布的球头销淬火技术等。这些内容对于国内同行将有新的启发，对正在追赶国际先进水平的国内感应热处理界，能起到桥梁和导引作用，这是它的求新性。
本书在编写过程中，受到了洛阳法拉地感应设备有限公司李志强总经理的大力支持，并撰写了新增的第7 章部分。
那些被引用文献的作者，如刘志儒、沈庆通、林信智等老前辈、老专家，他们为本书的编写也做出了宝贵的贡献。中国一拖集团有限公司工艺材料研究所蔡安克所长为本书编写提供了很大帮助。笔者在此向对审校书稿付出艰苦劳动的诸位同志、向为本书提供帮助的诸位同志、向为本书做出贡献的各位参考文献的作者致以诚挚的谢意。
由于笔者水平有限，书中不妥之处，请读者批评、鉴谅、指正，深深祝愿感应热处理专业技术人员及相关人员多出精品，为我国的感应热处理事业创造辉煌的明天，也十分期待感应热处理学术界和产业界的盛世春天早点到来！

孔春花
2020.8

孔春花，一拖集团工艺材料研究所，主任，高级工程师，1989年6月毕业于中国矿业大学机械系金属材料及热处理专业，同年被分配至一拖集团公司工艺材料研究所工作至今，一直在工艺材料研究所高频试验室从事热处理方面的科研、设计、特种工艺管理、新产品的试制及淬火感应器及工装的设计等工作。现任室主任、高级工程师。

本书主要介绍了车辆零件热处理基础,轴类、曲轴、凸轮轴及其他车辆零件的热处理生产实例,车辆零件热处理缺陷分析和车辆零件热处理电源、机床及工装夹具。本书既注重原理阐述,更着眼于应用技术案例介绍,在《车辆零件热处理技术及应用实例》的基础上进行了合理的归类。同时增加了近年来的工艺研究的案例,并配有丰富的图表实例,实用性、针对性强,可用来指导工艺编制、生产调整等。
本书可供从事金属材料及感应热处理工艺、装备设计、电气设计的技术人员及其他有相关操作的人员阅读,也可供大专院校金属热处理专业的师生参考。

第1 章　车辆零件热处理基础1
1.1 热处理一般常识                     1
1.1.1 热处理常用术语                   1
1.1.2 金属热处理的工艺                  7
1.1.3 钢的分类                      14
1.1.4 金属材料的力学性能                 15
1.1.5 热处理变形的预防                  16
1.2 感应热处理一般常识                   16
1.2.1 感应热处理原理                   17
1.2.2 高、中、超音频电流                  17
1.2.3 感应淬火最常用的钢号                17
1.2.4 感应淬火对用钢的要求                18
1.2.5 感应淬火的工艺控制                 18
1.2.6 感应淬火有效热的形成与测算             21
1.2.7 影响感应淬火零件力学性能的因素           24

第2 章　轴类零件热处理实例28
2.1 驱动轴类零件                      33
2.1.1 零件号为5127290的动力输出从动轴          33
2.1.2 卡特皮勒公司零件号为147-3310的驱动轴        35
2.2 花键轴类零件(机油泵传动轴零件)             42
2.3 十字轴类零件                      44
2.3.1 长叉轴、短叉轴所用材料及工艺             44
2.3.2 频率的选择                     44
2.3.3 工艺方案的确定                   45
2.3.4 结论                        45
2.4 空心轴类零件                      45
2.4.1 简介                        46
2.4.2 LF80-90主离合器轴所用材料及工艺          46
2.4.3 结论                        49
2.5 细长轴类零件                      49
2.5.1 所用材料及工艺                   50
2.5.2 采用的淬火工艺                   50
2.6 多台阶大变径轴类零件                  53
2.6.1 动力输出从动轴                   55
2.6.2 前驱动轴                      66
2.7 内摇臂轴类零件                     70
2.7.1 概述                        70
2.7.2 淬火工艺改进                    71
2.7.3 工艺试验结果分析                  72
2.7.4 金相检验结果                    72
2.8 半轴类零件                       72
2.8.1 叉车桥半轴的热处理工艺               74
2.8.2 汽车、拖拉机半轴的热处理               77
2.9 机油泵主动轴零件                    79
2.9.1 所用材料及技术要求                 79
2.9.2 高频淬火工艺                    79
2.10 空心摇臂轴零件                     80
2.10.1 所用材料及技术要求                 80
2.10.2 高频淬火工艺                    81
2.11 小四轮拖拉机前桥销轴零件                81
2.11.1 20Cr前桥销轴热处理工艺              81
2.11.2 前桥销轴材料及热处理工艺改进            82
2.12 长杆轴零件                       83
2.12.1 所用材料及技术要求                 83
2.12.2 中频淬火工艺                    84
2.13 台车轮轴零件                      85
2.13.1 台车轮轴技术要求                  85
2.13.2 台车轮轴淬火工艺改进                85
2.14 差速锁板叉轴零件                    87
2.14.1 差速锁板叉轴零件技术要求              87
2.14.2 差速锁板叉轴零件高频淬火工艺            88
2.14.3 淬火结果检验                    88
2.15 大轮拖驱动轮轴零件                   88
2.15.1 国内外技术现状及存在的问题             90
2.15.2 项目性能指标要求及技术难点             92
2.15.3 驱动轮轴三种材料选择及理化检验           93
2.15.4 七种结构驱动轮轴零件的感应淬火工艺研究       98
2.15.5 一种结构三种材料驱动轮轴的感应淬火工艺研究     110
2.15.6 工艺轴的静扭试验及淬火工艺             113
2.15.7 1604驱动轮轴CAE(计算机辅助工程)分析       123
2.15.8 驱动轮轴零件装车试验研究              131
2.15.9 驱动轮轴锁紧螺纹孔承载能力试验研究         132
2.15.10 成果的先进性和应用效果              135
2.16 动力输出轴头零件                    138
2.16.1 动力输出轴头零件技术要求              138
2.16.2 动力输出轴头零件感应淬火工艺            138
2.17 支架销零件                       139
2.17.1 支架销零件技术要求                 139
2.17.2 支架销零件热处理工艺                140
2.18 提升轴零件                       142
2.18.1 提升轴零件所用材料及其工艺             142
2.18.2 工艺试验结果分析                  143
2.18.3 结论                        144
2.19 40Cr拐轴零件                     144
2.19.1 前言                        144
2.19.2 工艺试验                      145
2.19.3 结论                        146
2.20 销轴零件                        146
2.20.1 前言                        146
2.20.2 材料及工艺                     147
2.20.3 金相检验                      148
2.21 拖拉机半轴零件                     149
2.21.1 工艺调试及测试结果                 149
2.21.2 测试结果分析                    151
2.21.3 结论                        153
2.22 惰轮轴零件                       153
2.22.1 惰轮轴零件技术要求                 153
2.22.2 惰轮轴零件感应淬火工艺               154
2.23 曲轴前后半轴零件                    154
2.23.1 曲轴前后半轴零件技术要求              154
2.23.2 曲轴前后半轴零件感应淬火工艺            155
2.24 型号为1854.37.104的主动轴零件             156
2.24.1 型号为1854.37.104的主动轴零件技术要求       156
2.24.2 型号为1854.37.104主动轴零件感应淬火工艺      157
2.25 转子轴零件                       158
2.25.1 转子轴零件技术要求                 158
2.25.2 转子轴零件感应淬火工艺               159
2.26 E300.39.118驱动轴零件                 160
2.26.1 E300.39.118驱动轴零件技术要求           160
2.26.2 E300.39.118驱动轴零件感应淬火工艺         160
2.27 花键轴套(BⅡ4-051-1-75)零件              161
2.27.1 花键轴套(BⅡ4-051-1-75)零件技术要求        161
2.27.2 花键轴套(BⅡ4-051-1-75)零件感应淬火工艺      162
2.28 Fiat长短叉轴(885142040)零件              163
2.28.1 Fiat长短叉轴(885142040)零件技术要求        163
2.28.2 Fiat长短叉轴(885142040)零件感应淬火工艺      164
2.29 后桥轴(54.38.610)零件                 165
2.29.1 后桥轴(54.38.610)零件技术要求           165
2.29.2 后桥轴(802T.38.101)零件感应淬火工艺        166
2.30 转向节主销(15.31.114)零件               166
2.30.1 转向节主销(15.31.114)零件技术要求         166
2.30.2 转向节主销(15.31.114)零件感应淬火工艺       167

第3 章　曲轴零件热处理实例169
3.1 曲轴的表面强化处理                   169
3.2 曲轴用钢及钢质曲轴的热处理               170
3.2.1 曲轴用钢                      170
3.2.2 钢质曲轴的热处理                  170
3.3 球墨铸铁曲轴的热处理                  172
3.3.1 球墨铸铁曲轴的热处理                172
3.3.2 球墨铸铁曲轴的熔炼                 172
3.3.3 等温淬火球墨铸铁(ADI)在曲轴上的应用        173
3.4 不同表面强化方法对曲轴疲劳强度的影响          174
3.5 锻钢曲轴的制造技术                   174
3.6 几种型号曲轴的热处理工艺                175
3.6.1 曲轴预冷工艺                    175
3.6.2 61500020012R曲轴正火                177
3.6.3 曲轴感应淬火工艺                  180
3.6.4 一种合金钢曲轴的热处理工艺             187
3.6.5 曲轴圆角强化工艺                  190
3.7 曲轴常用几种感应器的结构设计案例            199
3.7.1 圆环感应器                     200
3.7.2 鞍形感应器                     200
3.7.3 静止式曲轴感应器(SHarP-C)             201

第4 章　凸轮轴零件热处理实例202
4.1 三缸凸轮轴                       204
4.2 四缸凸轮轴                       208
4.3 六缸凸轮轴                       209
4.4 油泵PM 凸轮轴渗碳过程控制               210
4.4.1 渗碳工艺研究                    210
4.4.2 工艺调试及实验结果                 211
4.4.3 结论                        212
4.5 三种凸轮轴感应器的结构设计案例             212
4.5.1 单圈感应器                     212
4.5.2 双圈感应器                     212
4.5.3 八圈感应器                     213

第5 章　其他车辆零件热处理实例215
5.1 齿轮类零件                       215
5.1.1 齿轮材料                      215
5.1.2 齿轮的热处理                    216
5.1.3 热处理工艺对齿轮磨削裂纹的影响           238
5.1.4 大轮拖内花键孔零件缩孔原因分析及复原        240
5.1.5 从动螺旋锥齿轮零件淬火               241
5.1.6 齿轮零件渗碳淬火                  244
5.1.7 齿轮等温正火工艺的探讨               246
5.1.8 重型汽车后桥从动锥齿轮淬火工艺           248
5.2 齿圈螺母零件                      252
5.2.1 齿圈螺母的技术要求                 253
5.2.2 齿圈螺母淬火感应器的设计              253
5.2.3 齿圈螺母淬火夹具的设计               253
5.2.4 齿圈螺母淬火工艺                  254
5.2.5 齿圈螺母淬火工艺数控编程              255
5.3 齿圈类零件                       255
5.3.1 内齿圈类零件                    256
5.3.2 外齿圈类零件                    263
5.3.3 支承圈零件                     265
5.4 铲刀连接座类零件                    267
5.4.1 铲刀连接座凹球面高频淬火成套关键技术的创新研究   267
5.4.2 铲刀连接座凹球面中频感应淬火实验内容        303
5.5 分离轴承座类零件                    305
5.5.1 最初高频淬火工艺                  306
5.5.2 改进后高频淬火工艺                 306
5.5.3 结果分析                      307
5.5.4 结论                        307
5.6 内孔类零件                       307
5.6.1 套筒类零件                     308
5.6.2 套筒形内孔零件的高频感应加热表面淬火        310
5.6.3 薄壁套形零件                    315
5.6.4 旋压薄壁筒形类焊接零件的热处理           321
5.6.5 薄片带孔零件的热处理                324
5.6.6 长内孔零件的感应淬火                325
5.6.7 主离合器分离套筒零件                326
5.7 拨叉、拨块类零件                     327
5.7.1 换挡拨块                      327
5.7.2 中倒挡拨叉                     328
5.7.3 Ⅲ-Ⅳ挡拨叉                     330
5.7.4 665-1702103 Ⅱ-Ⅲ挡拨叉               330
5.7.5 大轮拖LF80-90变速拨叉               333
5.7.6 解决淬火裂纹的措施                 335
5.7.7 调速叉(696-YB452)零件               338
5.7.8 引出装置操纵限位叉零件               339
5.8 推土机刀片类零件                    340
5.8.1 4125机型上的左主刀片                340
5.8.2 4125机型上的右主刀片                342
5.8.3 4125机型上的副刀片                 343
5.9 推杆类零件                       343
5.9.1 球头推力杆零件                   344
5.9.2 Fiat80-90拖拉机1.89.5138997推杆零件        348
5.9.3 分离杆零件                     349
5.10 杠杆类零件                       350
5.10.1 1.82/5129396杠杆                 350
5.10.2 1.89/5123965力调节长立杆             351
5.10.3 SZ804下拉杆热处理                 352
5.10.4 槽口类零件感应加热淬火               354
5.11 螺杆零件的感应淬火工艺                 355
5.11.1 工艺试验及结果分析                 356
5.11.2 结论                        360
5.12 东方红-150拖拉机的转向机蜗杆零件           360
5.12.1 蜗杆材料选用及技术要求               361
5.12.2 蜗杆的渗碳工艺                   361
5.12.3 蜗杆渗碳后的热处理                 363
5.13 小型拖拉机前桥转向节主销热处理工艺           363
5.13.1 前桥转向节主销原调质工艺              364
5.13.2 前桥转向节主销调质工艺改进             364
5.14 转向节主销中频淬火工艺改进               366
5.14.1 概述                        366
5.14.2 技术要求                      366
5.14.3 淬火工艺                      367
5.14.4 经济效益                      369
5.14.5 结论                        369
5.15 等速万向节类零件                    370
5.15.1 等速万向节钟形壳感应淬火              370
5.15.2 球头销感应淬火                   372
5.16 活塞销渗碳淬火工艺改进                 374
5.16.1 技术要求                      374
5.16.2 热处理工艺及存在问题                374
5.16.3 工艺改进                      375
5.16.4 结论                        376
5.17 动力输出换挡拨销零件                  376
5.17.1 动力输出换挡拨销零件技术要求            376
5.17.2 动力输出换挡拨销零件感应淬火工艺          376
5.18 牵引拉杆支座销零件                   377
5.18.1 牵引拉杆支座销零件技术要求             377
5.18.2 牵引拉杆支座销零件感应淬火工艺           378
5.19 油缸销(5142030)零件                  379
5.19.1 油缸销(5142030)零件技术要求            379
5.19.2 油缸销(5142030)零件感应淬火工艺          379
5.20 气门摇臂零件                      380
5.20.1 气门摇臂零件技术要求                380
5.20.2 气门摇臂零件高频淬火工艺              381
5.20.3 淬火结果检验                    381
5.21 犁头零件淬火                      381
5.21.1 简介                        381
5.21.2 工艺试验                      382
5.21.3 结论                        383
5.22 A31-25、A31-26弹簧零件淬火               383
5.22.1 简介                        383
5.22.2 试验方法                      383
5.22.3 理论分析                      385
5.22.4 结论                        385
5.23 球头螺栓零件                      386
5.23.1 球头螺栓零件技术要求                386
5.23.2 球头螺栓零件感应淬火工艺              386
5.24 专用六角螺栓零件                    387
5.24.1 专用六角螺栓零件技术要求              387
5.24.2 专用六角螺栓零件感应淬火工艺            388
5.25 曲柄零件                        389
5.25.1 曲柄零件技术要求                  389
5.25.2 曲柄零件感应淬火工艺                389
5.26 纵向旋转加热整体淬火法                 390
5.27 PC钢筋热处理                     392
5.28 拖拉机减磨板零件的淬火夹具的改进            394
5.28.1 概述                        394
5.28.2 工艺试验                      395
5.28.3 工艺试验数据结果分析                396
5.28.4 结论                        396
5.29 导磁体在环缺面零件高频加热淬火中的应用         396
5.29.1 感应加热简介                    396
5.29.2 导磁体的定义及作用                 397
5.29.3 导磁体在环缺面零件上高频淬火应用          397
5.29.4 结论                        398
5.30 一种导轨的超音频淬火工艺                398
5.30.1 概述                        398
5.30.2 机床铸铁导轨的技术要求               399
5.30.3 淬火方式                      399
5.30.4 结论                        401
5.31 拖拉机制动器压盘表面强化技术              401
5.31.1 概述                        401
5.31.2 项目工艺技术路线及大中轮制动器压盘现状       402
5.31.3 研究思路和技术方案                 411
5.31.4 工装设计                      413
5.31.5 工艺试验                      413
5.31.6 项目所达到的目标                  426
5.31.7 经济效益及其他效益分析               427
5.31.8 结果分析                      427

第6 章　车辆零件热处理缺陷分析实例429
6.1 发动机连杆失效分析案例                 429
6.1.1 简介                        429
6.1.2 连杆用材和生产过程                 431
6.1.3 脱碳、热处理缺陷对连杆失效的影响           431
6.1.4 材料、加工缺陷对连杆失效的影响            434
6.1.5 维护及使用不当对连杆失效的影响           453
6.1.6 连杆瓦磨损抱轴的影响                457
6.1.7 连杆螺栓与连杆瓦干涉的影响             458
6.1.8 连杆油孔裂纹造成的疲劳失效             459
6.1.9 相关件损坏(如拉缸)引起的影响            460
6.2 齿轮零件失效分析案例                  460
6.3 发动机曲轴断裂分析                   470
6.3.1 曲轴的受力                     470
6.3.2 曲轴的失效形式案例                 470
6.4 轴类零件失效分析案例                  490
6.5 拨叉类零件失效分析案例                 494

第7 章　车辆零件热处理电源、机床及工装夹具498
7.1 感应加热电路的调节及负载匹配              498
7.1.1 感应加热电路的调节                 498
7.1.2 变压器和阻抗匹配                  502
7.1.3 特殊电源的负载匹配与调节              504
7.2 感应加热电源                      508
7.2.1 频率和功率的选择方法                509
7.2.2 感应加热电源的几种类型               511
7.2.3 中频感应加热电源的常见故障             523
7.3 感应加热的辅助设备                   527
7.3.1 设备的冷却系统                   527
7.3.2 计时器                       531
7.4 感应线圈的设计与制作                  532
7.4.1 感应线圈设计的基本原理               532
7.4.2 基本线圈的设计                   533
7.4.3 常用线圈的变形设计                 536
7.4.4 专用线圈                      544
7.4.5 线圈制作                      559
7.4.6 输出电源线                     564
7.5 磁通集流器、屏蔽器和磁化器                567
7.5.1 磁通集流器                     567
7.5.2 屏蔽器                       570
7.5.3 磁化器                       573
7.6 感应加热用机床案例                   574
7.6.1 淬火机床的主要组成部分               574
7.6.2 GCK系列通用立式淬火机床              576
7.6.3 数控曲轴旋转感应淬火成套设备            576
7.7 感应加热的费用计算与分析                577
7.7.1 感应加热的费用组成部分               577
7.7.2 与其他热处理费用的比较               579

附录1　中频淬火机床感应加热淬火时有效热的形成与测算581

附录2　高频淬火有效热的形成及测算583

参考文献585