CN111334656B - 用于利用渐变温度特征图进行热处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明题为“用于利用渐变温度特征图进行热处理的方法”。本发明涉及一种用于热处理车辆推进系统的曲轴或其它工件的方法，该方法包括将曲轴的至少一部分加热至形成渐变温度特征图。该温度特征图具有从表面到该曲轴的芯逐渐变低的温度。该温度特征图包括在该表面和该芯的最内侧部分之间的中点处的中点温度，该中点温度为以摄氏标度测量的表面温度的至少50％。该表面温度在曲轴材料的转变范围内。该方法还包括对曲轴轴颈的表面进行淬火。该曲轴的材料优选为具有小于1.7的DI且具有大于0.3重量％的碳的碳钢合金。

Description

用于利用渐变温度特征图进行热处理的方法

技术领域

本公开涉及一种用于对车辆推进系统的曲轴进行热处理的系统和方法。

背景技术

引擎的曲轴将活塞的往复式线性移动转换成围绕纵向轴线的旋转移动以提供扭矩来推进车辆(诸如但不限于火车、船、飞机或汽车)。曲轴是引擎的重要零件并且是引擎设计的起点。

曲轴包括从纵向轴线偏离的至少一个曲轴销轴承轴颈，往复式活塞通过连接杆附接到该曲轴销轴承轴颈。通过活塞和曲轴之间的偏离连接从活塞施加到曲轴的力在曲轴中生成扭矩，该扭矩围绕纵向轴线旋转曲轴，该纵向轴线是旋转轴线。该曲轴还包括围绕纵向轴线同心地设置的至少一个主轴承轴颈。曲轴在主轴承轴颈处被固定到发动机组。轴承在曲轴和发动机组之间、围绕主轴承轴颈设置。

曲轴销和主轴承轴颈表面通常被硬化以使得能够处理负载和磨损。硬化的一种方法是感应地加热并且然后淬火以使曲轴轴颈表面硬化。利用感应加热/硬化，高频交流电被用于在待硬化的工件的表面区域中感应出涡电流。这些涡电流导致焦耳加热，该焦耳加热致使工件快速加热到一定温度。然后通过快速淬火实现硬化。

曲轴的感应硬化在过去产生了问题。一个问题在于，当感应硬化增加硬度和强度时，伴随由于硬化造成的相变的体积增长产生残余的应力。当这些残余的应力的分量与工作应力组合时，它们造成促进在硬化的表面层和未硬化的芯之间的下层表面中引发过早疲劳失效的不利风险。残余的应力是对象的加热和冷却中的温度变化以及由于钢中的原始相和形成的新相之间的具体体积差而导致的硬化中的体积变化的结果。如果该下层表面材料受到很大的应力，则该材料可产生可蔓延的裂纹并导致曲轴的失效。

缓解或减少由感应硬化引起的残余拉伸应力的常规尝试包括了在烤箱或加热炉中预热和/或后硬化(例如，高温)回火整个曲轴。然而，这些常规方法具有许多挑战，包括成本、时间和勉强有效的结果。

发明内容

本公开提供了一种硬化的方法，该硬化方法利用感应加热来在淬火之前在工件内产生渐变温度特征图。这个渐变特征图导致整个工件上的更均匀分布的拉伸应力，而不是将拉伸应力集中在硬化表面和未硬化的芯之间的下层表面附近。

在可与本文所公开的其它形式组合或分离的一种形式中，提供了一种用于热处理车辆推进系统的曲轴的方法。曲轴优选由曲轴钢合金形成。该方法包括将曲轴的至少一部分加热至形成在曲轴表面处具有表面温度的温度特征图。曲轴的温度特征图具有从曲轴的表面到芯逐渐变低的温度。该温度特征图包括在表面和芯的最内侧部分之间的中点处的中点温度。如以摄氏标度所测量，中点温度为表面温度的至少50％。表面温度在曲轴钢合金的转变范围内。该方法还包括对曲轴的表面进行淬火。

在可与本文所公开的其它形式组合或分离的另一种形式中，提供了一种用于形成车辆推进系统的曲轴的方法。该方法包括优选由曲轴钢合金形成曲轴，并且形成围绕曲轴的圆形轴承轴颈表面。该方法还包括将一连串感应加热脉冲施加至曲轴直到曲轴具有从圆形轴承轴颈表面垂直延伸至曲轴的芯的最内侧部分的渐变温度特征图。渐变温度特征图包括在圆形轴承轴颈表面处的表面温度，该表面温度在曲轴钢合金的转变范围内。渐变温度特征图还包括在圆形轴承轴颈表面和芯的最内侧部分之间的中点处的中点温度。中点温度为表面温度的至少50％。该方法包括将圆形轴承轴颈表面淬火至低于转变温度的温度以对圆形轴承表面进行硬化。

在可与本文所公开的其它形式组合或分离的又一种形式中，提供了一种感应硬化工件的方法。该方法包括提供由工件材料形成并具有外表面的工件。该方法还包括将一连串感应加热脉冲施加至工件直到工件具有从工件的外表面垂直延伸至工件的内侧部分的渐变温度特征图。渐变温度特征图包括在外表面处的表面温度，其中表面温度在工件材料的转变范围内。渐变温度特征图包括在外表面和内部部件之间的中点处的中点温度。中点温度为表面温度的至少50％。该方法还包括将外表面淬火至低于转变温度的温度以对外表面进行硬化。

可提供附加的特征，包括但不限于以下：其中加热曲轴的部分包括感应加热曲轴的部分；其中温度特征图包括在中点和表面之间的中间位置的第25百分位点处的第25百分位温度，该第25百分位温度在表面温度的10％内；其中温度特征图包括在中点和芯的最内侧部分的中间位置的第75百分位点处的第75百分位温度，该第75百分位温度为表面温度的至少50％；中点温度为表面温度的至少70％；其中中点温度在表面温度的70％至80％的范围内；其中该第75百分位温度在表面温度的60％至70％的范围内；其中曲轴表面位于曲轴的圆形轴承轴颈表面上并且温度特征图沿轴承轴颈表面的半径延伸到曲轴的芯的最内侧部分；将曲轴材料提供为具有小于1.70的理想临界直径(DI)的钢；钢是具有至少0.3重量％的碳的碳钢；其中加热曲轴的部分包括将多个感应磁场脉冲施加到曲轴；其中加热曲轴包括：施加具有在2.0J/C*mm²至2.5J/C*mm²的范围内的强度的第一感应脉冲，施加具有在2.0J/C*mm²至2.5J/C*mm²的范围内的强度的第二感应脉冲，施加具有在2.0J/C*mm²至2.5J/C*mm²的范围内的强度的第三感应脉冲，并且在第一感应脉冲、第二感应脉冲和第三感应脉冲中的每个的施加之间进行中止；在第一周期施加第一感应脉冲；在第二周期施加第二感应脉冲；在第三周期施加第三感应脉冲；第一周期、第二周期和第三周期中的每个在8秒至12秒的范围内；其中感应地加热曲轴包括将交流电施加到线圈导体；并且其中中止包括在第一感应脉冲、第二感应脉冲和第三感应脉冲中的每个的施加之间中止在1秒和3秒之间的中止周期。

本公开的适用性的其它领域将根据下文提供的详细描述而变得明显。应当理解，详细描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文所描述的附图仅用于说明的目的，而不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1为根据本公开原理的曲轴的一部分的局部侧视图，该曲轴具有围绕外部轴承轴颈表面设置的感应加热线圈；

图2为根据本公开的原理的示出在感应硬化曲轴轴颈的方法中使用的示例性温度特征图的图；

图3为根据本公开的原理的示出在感应硬化曲轴轴颈的方法中使用的另一个示例性温度特征图的图；并且

图4为根据本公开的原理的示出在曲轴轴颈的感应硬化方法期间作为深度的函数的马氏体形成的图。

具体实施方式

现在将具体地参考附图中示出的本公开的若干示例。在可能的情况下，在图中和说明书中使用相同或相似的附图标号来指相同或类似的零件或步骤。图是呈简化形式的并且未按精确的比例绘制。仅为方便和清楚起见，方向性术语(诸如顶部、底部、左、右、上、在......上、在......上方、在......下方、在......之下、后方、前方、内部和外部)可相对于图来使用。这些和相似的方向性术语不应被理解为以任何方式限制本公开的范围。

现参见图，其中贯穿若干附图，类似的附图标号对应于类似或相似的部件，图1为曲轴100的一部分的局部侧视图，该曲轴100具有围绕曲轴100的销轴颈108的外表面104设置的感应加热线圈102。在该示例中，曲轴100的销轴颈108的外表面104是曲轴100的圆形轴承轴颈表面。曲轴100包括一对通过销轴颈108连接的平衡物106。销轴颈108的外表面104通过圆角或倒角110过渡到平衡物106中。虽然图1的示例性曲轴100包括在单个销轴颈108上，但是应当了解，曲轴可根据为其设计的特定引擎的需要非限制地包括任何多个附加的销轴承轴颈、主轴承轴颈和平衡物。

根据本公开的示例性方面，销轴颈108的外表面104由感应加热线圈102加热以最终使表面104硬化。感应加热线圈102可以具有任何期望的构型。感应加热线圈102可由合适的高频交流电源通电，这致使高密度交流电被感应出以在销轴颈108中流动通过曲轴100，这继而在销轴颈108内生成热。

本公开提供了一种用于热处理销轴颈108的表面104的方法，该方法能够应用于曲轴100的任何表面以减小原本可能由感应硬化引起的应力。

在本公开的示例性方面中，感应加热在曲轴100上执行以提供逐渐降低的、从表面104向内延伸的温度特征图。

参见图2，图200示出了根据本公开的示例性感应加热特征图202。图200的水平轴线204对应于距表面104的深度(以毫米计)，而竖直轴线206对应于材料温度(以摄氏度计)。在图200中所示的示例中，表面104的表面温度S达到约920摄氏度，这在曲轴100的钢合金的转变范围内。换句话讲，在表面104处的钢合金在加热到表面温度S时变得奥氏体化。

温度特征图202包括从曲轴外表面104(在沿轴线204的0mm处)到曲轴100的芯的最内侧部分112逐渐变低的温度。温度特征图202沿轴承轴颈表面104的半径垂直延伸至曲轴100的销轴颈108的最内侧部分112。

在该示例中，曲轴100是实心的并且曲轴100的芯的最内侧部分112沿纵向轴线L(还是曲轴100的旋转轴线)定位。在该情况下，实芯的最内侧部分112沿纵向轴线L定位在距表面10425mm处。在其它示例中，曲轴100可以是中空的，并且在此类情况下，芯的最内侧部分112可位于曲轴100的从其旋转轴线偏离的内表面上。

温度特征图202包括在曲轴外表面104和芯的最内侧部分112之间的中点208处的中点温度M。温度特征图202具有从表面104趋向芯的最内侧部分112逐渐变低的温度。由于特征图202中的变化是沿特征图202渐变的，中点温度M为表面温度S的至少50％。

如本文所用，温度的百分比是相对于摄氏标度测量的。因此，例如，中点温度M在使用摄氏温标测量时为表面温度S的至少50％。

参见图2，在以下表1中示出了对应于温度特征图曲线202上的点的数据点。

表1：作为距表面104的距离的函数的温度特征图202。

表1示出了作为距表面104的距离(以毫米计)的函数的温度特征图202的数据点。第三列还示出了每个温度和深度数据点所沿落入的深度的百分位数。因此，例如，在距表面0.25mm处，温度特征图202具有920摄氏度的温度，并且这是朝向芯的最内侧部分112远离表面104(在该示例中，为沿曲轴100的纵向轴线L)的1个百分位。

如上所述，中点温度M为表面温度S的至少50％。中点208位于深度的第50百分位处或位于表面104和芯的最内侧部分112之间的中间位置。在该具体示例中，中点温度M为712摄氏度，而表面温度S为920摄氏度。因此，在该示例中，中点温度M大于表面温度S的70％；并且更具体地，中点温度为表面温度S的约77％。然而，应当理解，温度特征图202可具有一些变型而不会落在本公开的精神和范围之外。例如，在一些情况下，中点温度M可以在表面温度S的70％至80％的范围内。相似地，表1中的其它温度可改变例如多达10％，或者甚至在一些情况下改变多达30％。例如，不同的材料可用于曲轴100或其它工件，这将致使温度特征图与图2和表1中所示的精确温度特征图202不同。

从图200和从表1可以看出，温度特征图202包括在中点208和外表面104之间的中间位置的第25百分位点210处的第25百分位温度T₂₅。在该情况下，第25百分位温度T₂₅在表面温度S的10％内。更具体地，在该情况下，第25百分位温度T₂₅是858摄氏度。表面温度S是920摄氏度，并且因此，第25百分位温度T₂₅大于表面温度S的93％、但小于表面温度S的94％。

此外，从图200和表1可以看出，温度特征图202包括在中点208和芯的最内侧部分112之间的中间位置的第75百分位点212处的第75百分位温度T₇₅。在该情况下，第75百分位温度T₇₅为表面温度S的至少50％。更具体地，在该情况下，第75百分位温度T₇₅为593摄氏度。表面温度S为920摄氏度，并且因此，第75百分位温度T₇₅介于表面温度S的60％和70％之间。

某些材料比其它材料更适用于提供减少应力的渐变温度特征图202。在该示例中，曲轴100优选由钢(诸如具有大于0.3重量％的碳的碳钢)形成。钢可具有小于1.70的理想临界直径(DI)。在其它变型中，可提供具有小于3.0的理想临界直径(DI)的钢。可用于曲轴100的材料的一些示例包括1541钢、1545钢、1440钢、1040钢以及微量合金(诸如1538MV钢或44MnSiVS6钢)。

在感应硬化过程期间，表面温度S升高至处于或高于曲轴销轴颈表面材料的AC3温度的温度。AC3温度可对应于在加热期间完成铁氧体向奥氏体的转变的温度。温度特征图202具有沿特征图202逐渐变低的温度，并且在芯的最内侧部分112处，温度特征图202具有低于奥氏体化温度的温度。然而，不仅仅将表面104和曲轴100的紧接表面104下方的部分加热至高于奥氏体化温度的温度。因此，残余的拉伸应力在曲轴100内产生，而不是仅仅在表面104处呈现并在表面附近邻接压缩应力。因此，本公开的方法提供曲轴100在感应硬化过程本身期间的深加热。所得表面104可具有至少50HRC的硬度。

在一个示例性感应加热方法中，该感应加热过程包括通过线圈102将一连串的感应加热场脉冲施加到曲轴100的曲柄销销轴颈108中。例如，感应加热方法可包括：在第一周期施加第一感应脉冲；中止；在第二周期施加第二感应脉冲：中止；并且在第三周期施加第三感应脉冲。在一个示例中，以2.0J/C*mm²至2.5J/C*mm²(诸如2.25J/C*mm²)的强度施加每个感应加热脉冲。第一周期、第二周期和第三周期中的每个持续在8秒至12秒的范围内(诸如约10秒)的持续时间，使得场脉冲的施加是连续地在中止前在第一周期、第二周期和第三周期中的每个中进行的。以举例的方式，在感应场施加的每一个周期之间的中止可在1至3秒的范围内或者为约2秒。在一个示例性方面，通过使工具中的感应线圈中的交流电周期性地导通和关断和/或使由感应线圈生成的感应场的强度循环，可以实现脉冲发送。

感应场施加的脉冲发送允许利用渐变温度特征图202对曲轴材料进行深加热。然而，应当理解，温度特征图202可以任何合适的方式(诸如通过单次施加高强度感应场)来形成。

在将曲柄销曲轴销轴颈108加热至形成渐变温度特征图202之后，本文的方法包括将外表面104淬火至基本上低于转变温度的温度以使外表面104硬化。淬火是浅且快速的，以快速冷却外表面104。例如，可将水溶液中的聚合物淬火剂施加到外表面104。

现在参见图3，图300示出了根据本公开的另选的示例性感应加热特征图302。感应加热特征图302可取代特征图202可与上文所述的方法一起使用。以举例的方式，感应加热特征图302可利用如上所述的相似的感应加热脉冲来实现。图300的水平轴线304对应于距表面104的深度(以毫米计)，而竖直轴线306对应于材料温度(以摄氏度计)。在图300中所示的示例中，表面温度S’达到约850摄氏度，这在曲轴100的钢合金的转变范围内。换句话讲，在表面104处的材料在加热到表面温度S’时变得奥氏体化。

温度特征图302包括在曲轴外表面104和芯的最内侧部分112之间的中点308处的中点温度M’。温度特征图302具有从表面104趋向芯的最内侧部分112逐渐变低的温度。中点温度M’为表面温度S’的至少50％。

参见图3，在以下表2中示出了对应于温度特征图曲线302上的点的数据点。

表2：作为距表面104的距离的函数的温度特征图302。

表2示出了作为距表面104的距离(以毫米计)的函数的温度特征图302的数据点。第三列还示出了每个温度和深度数据点所沿落入的深度的百分位数。因此，例如，在距表面5mm处，温度特征图302具有850摄氏度的温度，并且这是朝向芯的最内侧部分112远离表面104(在该示例中，是设置于沿曲轴100的纵向轴线L)的第20百分位。

如上所述，中点温度M’为表面温度S’的至少50％。中点308位于深度的第50百分位处或位于表面104和芯的最内侧部分112之间的中间位置。在该具体示例中，中点温度M’为约658℃，而表面温度S’为850℃。因此，在该示例中，中点温度M’大于表面温度S的70％；在该情况下，为约77％。然而，应当理解，温度特征图302可具有一些变型而不会落在本公开的精神和范围之外。在一些情况下，中点温度M’可在表面温度S’的70％至80％的范围内。相似地，表2中的其它的温度可改变例如多达10％或甚至多达30％。例如，不同的材料可用于曲轴100或其它工件，这将致使温度特征图与图3中和由表2所示的精确温度特征图302不同。

从图300和表2可以看出，温度特征图302包括在中点308和外表面104之间的中间位置的第25百分位点310处的第25百分位温度T₂₅’。在该情况下，第25百分位温度T₂₅’在表面温度S’的10％内。更具体地，在该情况下，第25百分位温度T₂₅’为825摄氏度。表面温度S’为850摄氏度，并且因此，第25百分位温度T₂₅’大于表面温度S’的97％、但小于表面温度S’的98％。

此外，从图300和表2可以看出，温度特征图302包括在中点308和芯的最内侧部分112之间的中间位置的第75百分位点312处的第75百分位温度T₇₅’。在该情况下，第75百分位温度T₇₅’为表面温度S’的至少50％。

现在参见图4，图400示出了在淬火之后的马氏体相的比例，该比例为从曲轴销轴颈108的表面104到芯的最内侧部分112的深度的函数。曲线402表示马氏体相数据点，其中深度(以毫米计)在水平轴线404上示出并且马氏体的百分比沿竖直轴线406示出。图4表示在首次应用图3中所示的温度特征图302并且然后淬火之后形成的马氏体。在表面104处观察到100％的马氏体，而在芯的最内侧部分112处观察到0％的马氏体。图400示出马氏体沿深度逐渐下降，而不是在表面104附近快速消失，这导致应力更均匀地分布，进而导致在使用加载下出现破裂的可能性更小。

虽然本文所述的方法应用于曲轴100的曲柄销108，但应当理解，该方法可应用于期望在不出现破裂的情况下进行硬化的任何其它工件。

本说明书本质上仅仅是说明性的，并且绝不旨在限制本公开、本公开的应用或用途。本公开的广泛教导内容可以多种形式来实现。因此，虽然本公开包括具体示例，但本公开的真正范围不应如此受限，因为在对附图、说明书和以下权利要求进行研究之后，其它修改将变得显而易见。

Claims (1)

1.一种用于热处理车辆推进系统的曲轴的方法，所述曲轴由曲轴材料形成并具有外表面，所述方法包括：

将所述曲轴的至少一部分加热至形成在所述外表面处具有表面温度的温度特征图，所述温度特征图包括从所述外表面到所述曲轴的芯逐渐变低的温度，所述温度特征图包括在所述外表面和所述芯的最内侧部分之间的中点处的中点温度，所述中点温度在以摄氏标度测量的所述表面温度的70%至80%的范围内，所述表面温度在所述曲轴材料的转变范围内；以及随后对所述曲轴的所述外表面进行淬火；

其中所述温度特征图包括在所述中点和所述外表面之间的中间位置的第25百分位点处的第25百分位温度，所述第25百分位温度大于所述表面温度的93%且小于所述表面温度的94%，其中所述温度特征图包括在所述中点和所述芯的所述最内侧部分之间的中间位置的第75百分位点处的第75百分位温度，所述第75百分位温度为以所述摄氏标度测量的所述表面温度的60%至70%的范围内；

其中，所述曲轴包括从纵向轴线偏离的至少一个曲轴销轴颈，在感应硬化过程期间，表面温度升高至处于或高于曲轴销轴颈表面材料的AC3温度的温度，AC3温度对应于在加热期间完成铁素体向奥氏体的转变的温度；

其中所述外表面为所述曲轴的圆形轴承轴颈表面并且所述温度特征图沿所述轴承轴颈表面的半径延伸至所述芯的所述最内侧部分，所述方法还包括将所述曲轴材料提供为具有小于1.70的理想临界直径（DI）的钢；将所述钢提供为具有至少0.3重量%的碳的碳钢；

其中加热所述曲轴的所述部分包括：在第一周期施加具有在2.0J/mm²至2.5J/mm²的范围内的强度的第一感应脉冲，在第二周期施加具有在2.0J/mm²至2.5J/mm²的范围内的强度的第二感应脉冲，并且在第三周期施加具有在2.0J/mm²至2.5J/mm²的范围内的强度的第三感应脉冲，所述第一周期、所述第二周期和所述第三周期中的每个在8秒至12秒的范围内；并且在第一感应脉冲、第二感应脉冲和第三感应脉冲中的每个的所述施加之间进行中止。

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