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摘要：中心軸是大型工程機械上的關鍵部件，外形結構特殊，承受載荷大，工況復雜，其力學性能要求較高，對重要部位的硬化層提出了特殊要求。針對某企業生產的大型挖掘機中心軸的力學性能要求，研究其表面淬火工藝方法，并對工藝參數進行了優化，這為大型工程機械中心軸表面淬火工藝研究提供了理論指導和技術支撐。

關鍵詞：中心軸；硬化層；同時加熱法；連續加熱法

大型工程機械中心軸外形結構復雜，軸頸處耐磨性能要求高、承受載荷大、工況復雜且力學性能要求較高，需進行表面淬火工藝處理，其工藝的好壞直接影響中心軸的整體力學性能，成為近年來該領域的研究熱點和難點之一。Heintzberger等[1]對鋁硅合金熱處理力學性能問題進行了研究；Miao等[2]研究了熱處理對石墨烯結構的影響；Rehan等[3]研究了冷作工具鋼在表面淬火后冷卻至室溫時的奧氏體相變；鐘翔山等[4]通過對感應加熱淬火分析，提出了采用中頻連續淬火方案；李月英等[5]研究了凸輪材料經寬帶激光表面淬火前后的組織、硬度及其摩擦學特性；李超等[6]研究了汽車輪轂軸管鍛造余熱淬火工藝；劉成強等[7]針對焊接車架的斷裂問題構建了車架結構的有限元仿真模型，研究了焊接車架斷裂的原因，解決了車架結構的斷裂問題；黃雪濤等[8]構建了載貨汽車白車身焊點布置的仿真模型，探討了載貨汽車怠速振動與白車身固有頻率共振，并基于焊點布置方面優化了白車身結構；王程等[9]研究了表面淬火方法對45鋼的熱擴散率和熱容的影響；劉慶鋼等[10]通過試驗測試方式，研究了表面淬火工藝參數對表面淬火后表面層硬度、淬硬層深度以及表面殘余應力分布的影響。前人的研究主要集中在熱處理工藝對零部件力學性能的影響，對中心軸要求較高的關鍵部位表面淬火工藝研究的相對較少，本文在研究大型工程機械中心軸熱處理工藝要求的基礎上，提出了同時加熱法和連續加熱法兩種表面淬火試驗方案，為解決大型工程機械中心軸的熱處理問題提供了技術參考。

1試驗材料及方法

1.1材料及技術要求

材料選取45鋼，該優質碳素結構鋼硬度低且易切削加工，相比普通的A3鋼，45鋼具有更高的強度、抗變形能力。其主要成分為Fe，45鋼化學成分如表1所示。試驗所選用的鍛件毛坯重量為52.9kg，成品重量為37.2kg。此零件承受的載荷大、耐磨度高、工況復雜，其力學性能要求較要求高，對重要部位的硬化層深度提出了特殊要求。某企業生產的大型工程中心軸如圖1所示。本試驗采用的中心軸熱處理技術要求為：①鍛坯正火處理，非表面淬火區表面硬度149～212HB，表面淬火區表面硬度為52～59HRC，即545～675HV。②表面淬火區為距B端面5mm的準130mm圓柱面，其硬化層深度2～4mm。③表面淬火R10區域硬化層深度1～3mm。④表面淬火區長54.2mm。

1.2試驗方法

對中心軸熱處理的技術要求中，表面淬火是關鍵工序，需要通過工藝試驗確定工藝參數。在本工藝試驗中，根據公司淬火設備實際情況，選擇在額定功率為200kW的晶體管數控表面淬火機床上進行試驗。針對中心軸熱處理技術要求，制定如下試驗規劃：（1）對表面淬火區粗加工后分別采用同時加熱法、連續加熱法兩個試驗方案進行試驗，表面淬火區給精加工留單邊加工余量（0.4±0.1）mm。（2）淬火介質：水。（3）在硬化區取4個截面檢測，每個截面取3～8個點檢測每個點的硬度值。4個截面分別是C、D、E、F，其中，截面C、D、E分別距端面B的距離為5、25、45mm，截面F在R弧45度方向。（4）硬化層深度評價方法：硬度值為HV450的點到表面的垂直距離。

2試驗結果及討論

2.1同時加熱法表面淬火試驗

根據工程機械中心軸表面熱處理的技術要求，設計同時加熱法表面淬火工藝試驗方案，其工件安裝方式及工藝具體實施如圖2所示。淬火工藝參數如表2所示。在對工件進行表面淬火處理并將檢測面拋光至光潔鏡面后，取C、D、E、F各截面為檢測面，其硬化層截面位置如圖3所示。淬火后的有效硬化層深度是指從零件表面到維氏硬度等于極限硬度那一層的距離，在C、D、E、F斷面分別取0.20、1.20、2.20和3.20mm，采用維氏硬度計進行測定，檢測載荷為9.807N。硬度檢測時，硬度壓痕應當打在垂直于表面的一條或多條平行線上，而且寬度為1.5mm的區域內，最靠近表面的壓痕中心與表面的距離為0.15mm，從表面到各壓痕中心之間的距離應每點增加0.1mm。當表面硬化層深度大時，壓痕中心之間的距離可以大一些，但在接近極限硬度區域附近，保持壓痕中心之間的距離為0.1mm。在最終測量時，用垂直表面橫截面上的硬度變化曲線來確定有效硬化深度。由繪制的硬度變化曲線確定出從零件表面到硬度值等于極限硬度的距離，這個距離就是表面淬火后的有效硬化層深度。當一個區域有多條硬度變化曲線時，取各曲線測得的硬化層深度的算術平均值作為有效的硬化層深度。經試驗測定，各截面的硬度檢測值如圖4所示。從圖4以及經過試驗所得到的硬化曲線可以看出，經表面淬火處理后，中心軸上所選取的軸頸段各截面表面所測定的硬度值分別為653.2、603.0、612.1和599.8HV。經檢定，各截面硬度全部合格。但是從圖上可看出工件的熱影響區比較大。這說明在淬火試驗中，對工件的加熱效率較低，并且層深形狀不規則。所選取的4個截面的硬化層深度分別為4.593、3.390、3.201和1.348mm。很顯然，經過同時加熱法所得到的硬化層深遠不能完全滿足技術要求。

2.2連續加熱法表面淬火試驗

經過改進試驗設備的感應器結構，以及調整淬火工藝參數并通過工件的移動速度來調節硬化層的深度，將感應器與工件端面的間隙調整為2mm，功率改為160kW，對R處的淬火時間改為9s，掃描速度為100mm/min，冷卻時間縮短為80s，噴淋壓力、水溫、余溫等參數保持不變，連續加熱法表面淬火工藝參數如表3所示。

2.2連續加熱法表面淬火試驗

經過改進試驗設備的感應器結構，以及調整淬火工藝參數并通過工件的移動速度來調節硬化層的深度，將感應器與工件端面的間隙調整為2mm，功率改為160kW，對R處的淬火時間改為9s，掃描速度為100mm/min，冷卻時間縮短為80s，噴淋壓力、水溫、余溫等參數保持不變，連續加熱法表面淬火工藝參數如表3所示。面為檢測面，經試驗測定，各截面的硬度檢測曲線如圖6所示。從圖6可知，截面C、D、E、F的表面硬度分別為672.9、630.0、598.7.0和670.0HV，經檢定為全部合格。從圖6可以看出，對比同時加熱法表面淬火方案，連續加熱法表面淬火試驗所得到的熱影響區較小，層深均勻，4個截面的硬化層深度分別為2.970、2.936、2.463和2.902mm，明顯可以看出，經過改進試驗所得到的產品滿足技術要求。

3結論

（1）通過同時加熱法表面淬火試驗和連續加熱法表面淬火試驗的對比分析可以得出，雖然兩種試驗方案所得到的工件在硬度值方面均合格，但是采用同時加熱法所得到的工件在硬化曲線中的熱影響區較大，加熱效率較低且層深形狀不規則；而通過改進感應器結構，調整相關試驗工藝參數后，通過調節工件的移動速度來調節硬化層的深度，同時使加熱時間得到了縮短，提高了產品的生產效率。（2）對比同時加熱法和連續加熱法兩種表面淬火方法所得到的工件性能參數，可為大型工程機械中心軸熱處理問題的解決提供有價值的參考。

作者：雷發林 王春龍 單位：日照市七星汽車部件有限公司