哪些是应尽量避免的不良淬硬层分布?
感应淬火件的淬硬层(区域)分布与零件结构强度关系密切,因为淬火与未淬火区边缘处存在残留拉应力,会降低零件强度,如果这一过渡区正好又处 在危险断面,则破坏折断的概率就大大增加了。
(1)汽车传动轴淬硬区分布的改进 汽车传动轴原来淬硬区只淬到花键完整段(见图4-14a),花键退刀处正好是淬火过渡区,使用中花键过渡处断裂(45度正断型与垂直切断型断口)。通过检查和分析得知,断裂处正好是淬硬区与原始状态的过渡区,表面硬度从大于50HRC降到25 HRC,从表面残留压应力状态转为拉应力状态,断口显示抗扭强度不足。图4-14b所示为改进后的淬硬区分布。因此,淬硬区的位置极为重要,决不能把过渡区设计在花键退刀处,而应延长,使圆弧处也得以淬火。
(2)汽车主动轴淬硬区分布的改进 汽车主动轴曾发生Φ50mm轴颈退刀槽处早期断裂问题。针对退刀槽处半径R小及淬硬区不连续两个关键问题进行了试验,取得了明显效果。三种试件的淬硬区分布及表面硬度如图4-15所示,疲劳试验结果见表4-13。
表4-13 汽车主动轴试件疲劳试验结果
试件号 |
调质硬度 HBW |
退刀槽处半径/Rmm |
退刀槽处硬度HRC |
循环次数 105 |
破坏部位 |
1 |
240~285 |
0.5 |
24 |
4.977 |
退刀处 |
2 |
240~285 |
0.5 |
24 |
1.415 |
退刀处 |
3 |
240~285 |
2.0 |
53 |
35.4 |
未断 |
以上结果说明:
1)退刀槽处半径R大小与疲劳强度有直接影响,增大R提高了轴的疲劳强度。2)退刀槽处淬硬了,使台肩处淬硬层连续,消除了拉应力区的影响,提高了该处的强度,两项改进的效果使主动轴的疲劳循环次数增加了近10倍。
(3)动力输出轴轴头断裂实例 动力输出轴轴头(见图4—16a),使用中发生花键过度处断裂,经检查过度处淬硬层特浅,淬硬层中只有少量马氏体,如图4—16b所示。
原工艺为扫描淬火,因感应加热时台阶处磁力线偏移,导致该处淬硬层很浅。改用整体一次感应淬火(矩形管纵向加热)后,淬硬层深度增加,如图4—17所示。经疲劳对比试验,改进前5个试件的平均循环次数为10.9万次,在花键台阶处断裂,疲劳源均在花键台阶处;而改进后的4个试件均达到150万次,因未断而下架。分析认为:台阶处淬硬层连续,淬火表面存在压应力能抵消缺口应力集中的作用,淬硬层深度达到轴径的10%时,能得到最佳疲劳强度。
经疲劳对比试验,改进前5个试件的平均循环次数为10.9万次,在花键台阶处断裂,疲劳源均在花键台阶处;而改进后的4个试件均达到150万次,因未断而下架。分析认为:台阶处淬硬层连续,淬火表面存在压应力能抵消缺口应力集中的作用,淬硬层深度达到轴径的10%时,能得到最佳疲劳强度。
(4)曲轴颈不合格的淬硬层图形早在20世纪,美国底特律柴油机阿立森分公司就规定了曲轴颈验收的淬硬层图形,如图4-18所示。应尽量避免淬硬层中断,这是因为淬硬层中断一,极大地降低了轴颈的疲劳强度。