作者：黄超、刘继全、田壮臣
单位：二重(德阳)重型装备有限公司重型机械工程公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
十字轴是十字形万向接轴的重要零部件（见图1），其材料常选用15CrNi4MoA钢，最终热处理工艺为渗碳淬火，因材料Ni含量（质量分数）高达4%～4.5%，Ni和Fe能无限固溶，扩大奥氏体区，是形成和稳定奥氏体的主要合金元素，会降低马氏体转变结束温度Mf点至室温以下，淬火后还会保留相当数量的残留奥氏体，加之渗碳后，渗碳层奥氏体碳浓度很高，达到0.7%～0.9%，碳含量高也会使残留奥氏体量增加。因此，其淬火后组织中有大量残留奥氏体（见图2），奥氏体是一种硬度很低的相，会导致硬度降低，使十字轴渗碳淬火后硬度只能达到55HRC左右。十字轴的轴颈直接与轴承滚子装配使用，而轴承滚子的硬度通常都在60HRC以上，由于十字轴硬度偏低，常导致十字轴被高硬度的轴承滚子快速磨损，发生表面剥落失效。图1 十字轴结构
图2 15CrNi4MoA钢残留奥氏体
为提高十字轴的渗碳淬火硬度，常用方法是在渗碳淬火后增加一道深冷处理工序，使残留奥氏体继续转变成马氏体，减少残留奥氏体量，增加马氏体量，从而提高硬度。但深冷处理成本较高，深冷时间较长，因此本文从另一个方向进行探索研究，将渗碳淬火后的十字轴进行感应淬火，分析渗碳淬火加感应淬火工艺对硬度、金相组织、淬硬层硬度梯度的影响，并讨论该工艺的应用方向，为该类零件的热处理工艺提供另一种参考方法。试验选用十字轴材料为15CrNi4MoA钢，其化学成分如表1所示。生产工艺流程：锻造→正火、回火→粗车→探伤→半精车→渗碳→淬火、回火→感应淬火→精车。十字轴渗碳淬火工艺如图3所示。表1 试验15CrNi4MoA钢化学成分（质量分数） （%）
图3 十字轴渗碳淬火工艺
十字轴经渗碳淬火后，在其中一个轴颈上进行感应淬火，采用套圈连续加热的方式进行，由于十字轴渗碳淬火加低温回火后，其表面组织为高碳回火马氏体，组织应力较大，在这种状态下进行二次淬火，容易出现淬火裂纹，为了解决此问题，感应淬火采用自冷的方式进行冷却。该十字轴轴颈直径为250mm，因直径较大，能够较为快速的吸收感应淬火时表面加热层的热量，使表层具备一定的冷却速度，同时15CrNi4MoA钢因含有很高的合金元素，使CCT曲线右移，增加过冷奥氏体分解的孕育期，使奥氏体有充分的时间转变为马氏体，基于这两点，感应淬火采用自冷的冷却方式，既可以避免冷却速度过快造成热应力过大而产生淬火裂纹，又能保证达到淬火的效果。感应淬火具体工艺参数如表2所示。表2 感应淬火工艺参数
为检验渗碳淬火加感应淬火的效果，首先，对感应淬火后的轴颈进行PT探伤，确保不会出现淬火裂纹；其次，分别在十字轴本体轴颈上取样，并对试样编号，1#为渗碳淬火试样，2#为渗碳淬火加感应淬火试样，并对本体进行表面硬度检测，对试样进行渗碳层深度、金相组织检测。对渗碳淬火加感应淬火后的轴颈进行PT探伤，未发现裂纹。分别检测渗碳淬火轴颈和渗碳淬火加感应淬火轴颈的表面硬度，其结果如表3所示。表3 硬度检测结果
从表3的检测结果可知，渗碳淬火后的十字轴表面硬度只能达到56.5HRC，若在此硬度值状态下直接使用，会严重影响产品的使用寿命，而经过渗碳淬火加感应淬火的十字轴表面硬度有显著的提升，可达到60.2HRC，与轴承滚子的硬度值相当，是十字轴使用的最佳硬度值。
分别对1#渗碳淬火试样和2#渗碳淬火加感应淬火试样使用显微维氏硬度计检测硬化层深度，检测结果如表4所示，硬度梯度曲线分布如图4所示。表4 硬度梯度分布
图4 硬度梯度分布曲线
根据硬度梯度分布曲线可知，15CrNi4MoA钢十字轴在渗碳淬火后再进行感应淬火，硬化层的硬度值有显著的提高，至表面2.4mm距离处的硬度还有700HV1（60HRC）左右，大于2.4mm后，硬度随着碳含量的降低而逐渐降低。根据GB/T9450—2005 《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》 规定要求，以550HV1为有效硬化层界限硬度值，其有效硬化层深度从3.27mm提高到4.68mm。
分别对1#渗碳淬火试样和2#渗碳淬火加感应淬火试样进行金相组织检测，结果如图5所示。按GB/T25744—2010《钢件渗碳淬火回火金相检验》进行评级。由图5a、5b可知，工件表层有一定脱碳层，而表层脱碳是导致表层0.6mm深度内硬度偏低的主要原因。由图5c、5d可知，1#渗碳淬火试样淬硬层马氏体级别为4级，针状马氏体针长在8～13μm，残留奥氏体为4级，含量在18%～25%，碳化物级别为1级，无或极少量细颗粒状碳化物；2#渗碳淬火加感应淬火试样淬硬层马氏体级别为2级，细针马氏体针长在3～5μm，残留奥氏体为1级，含量≤5%，残留奥氏体量显著减低，碳化物级别为2级，细颗粒状碳化物加稍粗的粒状碳化物。由图5e、5f可知，心部均为回火贝氏体组织，因此渗碳淬火后加感应淬火工艺对心部组织没有影响，不影响心部强度。图5 十字轴不同工艺热处理后金相组织
奥氏体是一种硬度很低的相，淬硬层中大量残留奥氏体是导致15CrNi4MoA钢十字轴渗碳淬火后硬度低的主要原因，渗碳淬火后增加感应淬火，其残留奥氏体量减小，马氏体针变细，以及粒状碳化物的出现是使淬硬层硬度提高的主要原因。15CrNi4MoA钢十字轴渗碳后，其表面碳含量达到0.8%左右，并随着距表面距离的增加，碳含量逐渐降低,直至基体碳含量为0.16%左右，渗碳层的高碳含量是15CrNi4MoA钢十字轴能够通过感应淬火提高硬度的基础。渗碳层在感应淬火时被快速加热，加热速度380～400℃/s，奥氏体形核率急剧增大，且奥氏体形成后没有晶粒长大的时间，因此淬火的初始奥氏体晶粒度均为14～15级的超细化晶粒，淬火冷却后形成高碳细针状马氏体，其硬度比普通淬火时高2～6HRC，这种现象被称为“超硬度”。此外，对在渗碳后普通淬火时残留奥氏体较多的钢种（如18CrNiW、20Cr2Ni4A钢等），采用感应淬火时（因溶入奥氏体的碳化物数量不多），可以起到减少残留奥氏体的作用，并可以使淬硬层深度大于渗碳层。感应淬火减少残留奥氏体，其原理为奥氏体在被快速加热、短时保温的情况下，碳来不及充分溶解到奥氏体中，淬火后以碳化物的形式弥散分布在组织中，而奥氏体碳含量降低，可以降低淬火后的残留余奥氏体量，碳含量和残留奥氏体的关系如图6所示，碳含量越低，残留奥氏体量就越少。组织的改善使淬硬层的整体硬度值都被提高，在相同硬度界限值时，硬化层深度相应增加，而十字轴心部不受感应淬火的影响，依然保留回火贝氏体组织，具备良好的力学性能。
图6 碳含量对残留奥氏体量的影响
第一，感应淬火时，碳浓度达到0.35%左右，淬火后就可以达到界限值硬度550HV1，而整体淬火时，碳浓度需达到0.45%左右，淬火后才能达到界限值硬度550HV1。以本文中的十字轴为例，要求硬化层深度最小值为3mm，在仅采用渗碳淬火工艺时，就要求工件在距表面3mm处的碳含量达到0.45%，而采用渗碳淬火加感应淬火时，要求工件在距表面3mm处的碳含量达到0.35% 即可，这就意味着，采用渗碳淬火加感应淬火工艺，达到相同的硬化层深度所需的渗碳时间更短，从而可以降低生产成本。第二，十字万向接轴因其使用载荷大，十字轴的使用寿命一般在1～2年，在返修的十字万向接轴中，拆解的十字轴的失效形式以表面磨损剥落为主，磨损剥落深度在0.5～1mm，加工去掉剥落层后，硬化层深度减小，硬度降低，无法直接二次使用，目前可用的十字轴修复手段只有重新渗碳淬火，但重新渗碳淬火存在着渗碳工艺难以确定、工件表面的油污难以清理、变形量大、成本高等问题，修复工艺难度较大，所以很少采用。目前我厂十字万向节修复中的十字轴基本都是直接报废，因此造成很大的成本浪费。但若采用感应淬火的方法进行修复，则十分方便，首先感应淬火属于局部表层加热，其热处理变形量很小，且成本很低，拆解后的十字轴直接进行感应淬火，淬火后经车加工去除磨损剥落部分，从图4可知，感应淬火后的十字轴在去除1.5mm余量后，其硬度依然达到700HV1（60HRC）左右，且硬化层深度也大于3mm，均能满足设计技术要求，从而可以节约大量生产成本。（1）15CrNi4MoA钢十字轴渗碳淬火加感应淬火，可以有效提高工件表面硬度至60HRC左右，并整体提高硬度梯度值，增加硬化层深度，改善硬化层的金相组织。（2）渗碳淬火加感应淬火工艺用在15CrNi4MoA钢十字轴修复中，比重新渗碳淬火处理更加便捷，且节约成本。商务合作：13501198334
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