CN103215428A - 传动轴花键轴头热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传动轴花键轴头热处理方法，其特征在于依次包括正火工序和中频感应淬火工序；正火工序依次包括两步骤，第一是使用推盘式加热炉加热花键轴头，加热温度为850℃±10℃，时间120分钟；第二是空冷2－3小时；中频感应淬火工序包括两步骤，第一是淬火，花键轴头表面淬火区域包括花键部分和全部油封台部分，硬化层深度为4－6毫米；第二是低温回火。本申请与同类调质+中频感应淬火技术（需要在680℃±10℃的高温条件下回火150分钟）相比，在满足花键轴头静扭强度和疲劳寿命要求的前提下节约了大量的能源，既降低了生产成本，又具有低碳环保的积极社会意义，大幅提高了产品竞争力。

Description

传动轴花键轴头热处理方法

技术领域

本发明涉及金属加工技术领域，尤其涉及一种传动轴花键轴头热处理方法。

背景技术

花键轴头是汽车传动轴最重要的零件之一，发动机的扭矩经传动轴到达后桥，由半轴传给车轮，推动汽车前进。花键轴头在汽车传动轴传递动力中起着至关重要的作用。如图1所示，花键轴头包括油封台1、花键部分2和连接螺丝头3。

现有的花键轴头选用的材料为40Cr钢，锻造成形后其热处理工艺过程一直沿用调质加中频感应淬火的方法来提高花键轴头所承受的弯曲和扭转强度等综合机械性能，从而提高其疲劳寿命。

现有的花键轴头热处理方法包括调质和中频感应淬火两大工序。

调质工序依次对花键轴头进行加热、淬火和高温回火操作，加热时，加热温度为850℃±10℃，时间120分钟。在淬火液中淬火时，需要消耗淬火液。高温回火温度为680℃±10℃，回火时间150分钟。

中频感应淬火工序是使用感应数控表面淬火机床进行表面感应淬火。感应数控表面淬火机床包括加热淬火装置，本工序中花键轴头由上至下通过加热淬火装置的速度为320毫米/分钟，对花键轴头的花键部分2（参见图1）进行中频感应淬火，其淬火区域4仅为花键部分和一少部分油封台部分，硬化层深度2－4毫米。上述淬火工序耗时不超过1分钟。

中频感应淬火后需要进行低温回火，以消除淬火应力。低温回火是利用低温回火炉对工件（即花键轴头）进行低温回火，低温回火温度为190℃±10℃，回火时间1小时±10分钟。

上述现有的热处理工序在零件生产过程中是高能耗、高成本的，主要是调质时回火温度较高且持续时间长（150分钟）。另外在淬火液中淬火时也需要消耗淬火液，增加了热处理成本。

正火工艺相比调质工艺减少了高温回火步骤，能够节约大量能源，但正火处理后的工件硬度较调质处理后的工件硬度较低，且强度较差，工件疲劳寿命短，不能满足汽车工业的需求。因此，正火工艺长期以来无法运用到传动轴花键轴头热处理工艺中来。由于无法克服正火工艺带来的上述缺点（硬度较低、强度较差、疲劳寿命短等），目前本领域尚不能够利用正火工艺来实现节约能源、降低生产成本的传动轴花键轴头热处理方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低能耗低成本的传动轴花键轴头热处理方法。

为实现上述目的，本发明的传动轴花键轴头热处理方法依次包括正火工序和中频感应淬火工序；正火工序依次包括两步骤，第一步骤是使用推盘式加热炉加热花键轴头，加热温度为850℃±10℃，时间120分钟；第二步骤是空冷2－3小时，空冷后花键轴头的温度降至室温；中频感应淬火工序包括两步骤，第一步骤是淬火步骤，本步骤是使用感应数控表面淬火机床对花键轴头进行表面感应淬火，感应数控表面淬火机床包括加热淬火装置，花键轴头由上至下通过该加热淬火装置的速度为290毫米/分钟，花键轴头表面淬火区域包括花键部分和全部油封台部分，硬化层深度为4－6毫米；第二步骤是低温回火步骤，本步骤是利用低温回火炉对花键轴头进行低温回火，低温回火温度为190℃±10℃，回火时间为1小时±10分钟。

本发明具有如下的优点：

本发明使用正火代替调质，扩大了感应加热淬火区域并加深了硬化层深度，因而提高工件表面硬度，使工件完全满足零件的静扭强度和疲劳寿命等要求，这是因为中频感应淬火加热速度快，能获得细化或超细化的奥氏体晶粒，淬火后得到细致的马氏体组织，再经低温回火得到高度弥散的回火组织，由于晶界的强化作用，使零件的强度与韧性得到提高。

由于正火工序无需进行高温回火，因此本申请与同类调质+中频感应淬火技术（需要在680℃±10℃的高温条件下回火150分钟）相比，节约了大量的能源，既降低了生产成本，又具有低碳环保的积极社会意义，大幅提高了产品竞争力。

另外感应加热表面淬火的零件，由于淬火层中马氏体比容增大，能在零件表面形成相当大的压应力，淬硬层除了提高耐磨性能，更宝贵的是提高了零件抗弯曲疲劳强度，成倍地提高了零件的疲劳寿命。

附图说明

图1是现有技术中传动轴花键轴头热处理方法下花键轴头及其表面淬火区域的结构示意图；

图2是本发明中花键轴头及其表面淬火区域的结构示意图。

具体实施方式

如图2和图1所示，花键轴头包括油封台1、花键部分2和连接螺丝头3。

本发明的传动轴花键轴头热处理方法依次包括正火工序和中频感应淬火工序。

正火工序依次包括两步骤，第一步骤是使用推盘式加热炉（本领域现有常用设备）加热花键轴头，加热温度为850℃±10℃，时间120分钟；第二步骤是空冷（即空气冷却）2－3小时，空冷后花键轴头的温度降至室温。

中频感应淬火工序包括两步骤，第一步骤是淬火步骤，本步骤是使用感应数控表面淬火机床（本领域现有常用设备）对花键轴头进行表面感应淬火，感应数控表面淬火机床包括加热淬火装置，花键轴头由上至下通过该加热淬火装置的速度为290毫米/分钟，花键轴头表面淬火区域4如图2所示包括花键部分2和全部油封台1，硬化层深度为4－6毫米。改进后本步骤时间一般在1分钟15秒左右，本步骤通过降低花键轴头通过加热淬火装置的速度的方法来加深花键轴头表面硬化层深度。硬化层深度如果过深，则在中频感应淬火工序需要较多的热能，并降低花键轴头通过加热淬火装置的速度。硬化层深度为4-6毫米，既能够使花键轴头满足强度需求、不降低疲劳寿命，又尽可能降低中频感应淬火工序的热能需求、尽可能加快花键轴头通过加热淬火装置的速度。

第二步骤是低温回火步骤，本步骤是利用低温回火炉对花键轴头进行低温回火，低温回火温度为190℃±10℃，回火时间为1小时±10分钟。

 

本申请与同类调质+中频感应淬火技术（需要在680℃±10℃的高温条件下回火150分钟）相比，在满足花键轴头静扭强度和疲劳寿命要求的前提下节约了大量的能源，既降低了生产成本，又具有低碳环保的积极社会意义。

研发说明：

本申请的发明人创造性地提出了一个研发方向，即能否在热处理过程中用低能耗工艺过程来替代高能耗工艺过程，同时又保证花键轴头的综合机械性能及使用疲劳寿命不受影响。这个研发方向是前所未有的，是本申请的发明人在试图突破传统热处理工艺时所创造性提出来的。

本申请的发明人对花键轴头的受力情况作了创造性分析。花键轴头的同一横截面（指径向截面，而非轴向截面）上距圆心不同半径处在外力作用下旋转同一角度所受到的切应力不同，半径越大所受的切应力越大，因此，在传动轴使用过程中，花键轴头的表面受力最大，沿着直径方向向花键轴的中心位置受力逐渐减小，因此要求花键轴头外表面具有高的受力强度而靠近轴线5处的中心部位不需要有太高的强度，表现在零件的热处理来说就是花键轴头表面向里有一定深度的硬化层即可。对于金属材料来说，金属强度与硬度有一定的对应关系，即硬度越高强度就越高（可以从碳钢及合金钢的硬度及强度换算表中查得）。而花键轴头原来工艺为调质处理，处理后花键轴头的硬度比本申请的正火处理后的花键轴头硬度要高。

本申请的技术方案即是利用了上述原理，通过用正火代替调质、加深硬化层深度（由原来的2－4毫米提高到本申请中的4－6毫米）以及扩大表面淬火区域4的方法提高花键轴头强度，使花键轴头虽然达不到调质工艺处理后的硬度，但仍然能够满足强度要求，不缩短花键轴头的疲劳寿命。

本申请的发明人对改进后的热处理方法所试验生产出来的花键轴头作了大量的力学性能试验。

以EQ140前轴头为例进行分析，改进前热处理工艺过程为感应淬火前进行调质处理，要求调质后硬度229-269HBW，金加工成形后进行表面感应淬火处理，表面硬度48-58HRC，硬化层深度要求2－4mm，EQ140前轴头表面感应淬火区域4如图1所示。

改进后，EQ140前轴头的前处理硬度要求控制在200－250HB之间，金加工后的零件表面感应淬火区域如图2所示。

然后对改进工艺前所生产出来的EQ140前轴头与改进工艺后试验生产出来的EQ140前轴头进行静扭和扭转疲劳试验。试验设备为80000N.m（牛.米）的静扭转强度试验台和40000N.m的扭转疲劳试验台。工件（花键轴头）试验结果如表一和表二所示。

表一  EQ140前轴头正火状态与调质状态改进后静扭试验结果

表二  EQ140前轴头正火状态与调质状态改进后扭转疲劳试验结果

通过试验可以看出，传动轴花键轴头毛坯前处理由调质工艺改为正火工艺后，花键表面扩大感应加热淬火区域和适当加深硬化层深度完全可以满足零件（花键轴头）的静扭强度和疲劳寿命要求，这是因为中频感应淬火加热速度快，能获得细化或超细化的奥氏体晶粒，淬火后得到细致的马氏体组织，再经回火得到高度弥散的回火组织，由于晶界的强化作用，使零件的强度与韧性得到提高。另外感应加热表面淬火的零件，由于淬火层中马氏体比容增大，能在零件表面形成相当大的压应力，淬硬层除了提高耐磨性能，更宝贵的是提高了零件抗弯曲疲劳强度，成倍地提高了零件的疲劳寿命。

申请人另外做了对比试验，对比试验中EQ140前轴头表面感应淬火前预先热处理工艺由调质改为正火，正火后的零件硬度要求控制在200－250HB之间，金加工后的零件（EQ140前轴头）表面感应淬火区域及硬化层深度同现有技术，然后对改进工艺后的EQ140前轴头与改进工艺前的EQ140前轴头进行静扭和扭转疲劳试验。试验设备为80000N.m的静扭转强度试验台和40000N.m的扭转疲劳试验台，静扭试验结果如表三所示、扭转疲劳试验结果如表四所示。

表三  EQ140前轴头正火状态与调质状态静扭试验结果

表四  EQ140前轴头正火状态与调质状态扭转疲劳试验结果

    由以上对比试验结果以及表一和表二可以看出，扩大花键轴头表面感应淬火区域和加深硬化层深度是调质改正火后保证产品品质的必要手段。

Claims (1)

1.传动轴花键轴头热处理方法，其特征在于依次包括正火工序和中频感应淬火工序；

正火工序依次包括两步骤，第一步骤是使用推盘式加热炉加热花键轴头，加热温度为850℃±10℃，时间120分钟；

第二步骤是空冷2－3小时，空冷后花键轴头的温度降至室温；

中频感应淬火工序包括两步骤，第一步骤是淬火步骤，本步骤是使用感应数控表面淬火机床对花键轴头进行表面感应淬火，感应数控表面淬火机床包括加热淬火装置，花键轴头由上至下通过该加热淬火装置的速度为290毫米/分钟，花键轴头表面淬火区域包括花键部分和全部油封台部分，硬化层深度为4－6毫米；

第二步骤是低温回火步骤，本步骤是利用低温回火炉对花键轴头进行低温回火，低温回火温度为190℃±10℃，回火时间为1小时±10分钟。

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