曲轴是发动机主要零件之一，通常采用高强度的球墨铸铁或优质、高强度的中碳合金钢制成。天润2.8L曲轴的材料为QT700-2。其工艺是采用铸造后空冷，利用铸造余热获得以珠光体为基体的组织材料，这种工艺在性能上可兼顾强度和韧性，具有良好的综合机械性能。由于减少了热处理工序，从而缩短了生产周期，降低了生产成本。为提高2.8L曲轴的疲劳强度，公司对该轴的轴颈表面进行感应淬火来强化。对珠光体基体球墨铸铁，采用感应淬火工艺来达到技术要求的表面硬度难度较大。这类材料包括QT700-2和QT800-2等。国内对其感应淬火工艺和金相组织研究较少，针对QT700-2，本文着重研究了感应加热温度过热过烧淬火后的金相组织，这对于这类球铁感应淬火过热过烧的预防和质量控制具有积极意义。下面以2.8L曲轴为例对过热过烧缺陷金相特点、产生的原因、预防措施等进行分析。
该轴生产过程中，在探伤工序发现轴颈油孔处有明显裂纹，且油孔边缘有熔化点。为查找原因，在轴本体取样进行分析。图1、2为曲轴淬火取样示意图，淬火区凹槽为油眼孔，从整个淬火层颜色可以看出，油眼旁的颜色与整个淬火层的颜色有明显区别，此处组织极不容易腐蚀，侧面有放射性裂纹。
基体金相组织
根据GB9441“球墨铸铁金相检验”标准，该轴的金相组织为：球化级别2级，石墨球大小6级；珠光体含量95%。各项指标均符合技术要求(见图3、图4)。
感应淬火温度和相应的金相组织特征
对QT700-2材料进行感应淬火并进行低温回火处理，其相应的金相组织特征如附表。
淬火层金相组织分析
1.淬火温度与金相组织的关系
由附表知，900℃左右加热淬火，组织中还有部分未溶铁素体，未溶铁素体呈块状或破碎断续网状，石墨和铁素体间已有淬火马氏体生成。加热淬火温度逐步升高，铁素体呈破碎状并逐步减少，出现残余奥氏体并逐步增多，铁素体和残余奥氏体并存。当淬火温度达到1050℃时，马氏体粗大并出现块状残余奥氏体。淬火温度达到1100℃时，出现大块状残余奥氏体和莱氏体。
珠光体球铁在加热过程中当温度达到Ac1，先发生珠光体向奥氏体转化，温度再升高，铁素体也转向为奥氏体化，两个过程重叠进行。铁素体碳量越高，越容易转变成奥氏体。转变从相界(晶界)开始。由于石墨球周围的铁素体Si偏析Si量较高，Si能提高临界点并使碳原子扩散困难，因此，铁素体奥氏体化先从珠光体(奥氏体)的界面开始，后从石墨球界面开始，随着加热温度升高，铁素体逐步变成破碎牛眼状和破碎状，最终全部奥氏体化。
此外，随加热温度(加热时间)延长，奥氏体中碳浓度增多，马氏体转变开始点下降，残余奥氏体增多。2.工件过热过烧金相组织特点
(1)过烧裂纹
图5工件表面有融化现象，由于加热温度高产生过烧，石墨溶解，所以裂纹周围石墨与基体均匀分布的石墨(图3)相比明显少。裂纹呈网状，晶界有氧化或融化现象(图7)。
(2)马氏体形态
图6组织为石墨+粗大马氏体+残余奥氏体，是过热组织。球铁奥氏体碳量具有可控性，加热温度越高时间越长，则奥氏体中含碳量越高，淬火后马氏体形态也不相同。对于珠光体球铁，在快冷后马氏体形态从以细小隐针低碳马氏体为主变为细小低碳和中碳混合马氏体到粗大的针状高碳马氏体。从图8可以看出正常的淬火组织为细针马氏体。
(3)莱氏体
图7为石墨+粗大马氏体+大块状残余奥氏体+莱氏体+网状二次渗碳体，是过烧组织。过烧区域由于石墨溶解造成富碳区，形成渗碳体与奥氏体共晶，当激冷时奥氏体分解为珠光体，珠光体分布在渗碳体上，所以出现大量莱氏体。
(4)晶粒度
从图7沿晶界的网状二次渗碳体可以看出，晶粒大小分布很不均匀，出现混晶。
缺陷组织出现原因
珠光体基体球铁当加热至Ac1稍上温度时，由铁素体＋渗碳体两相组成的珠光体转变为单相奥氏体，奥氏体的形成是一个渗碳体的溶解，铁素体到奥氏体的点阵重构以及碳在奥氏体中的扩散的过程。不论何种成分的球铁，在提高奥氏体化温度后均能提高淬透性。这主要是由于在高温下晶粒度长大，成分均匀，同时还促使碳化物分解并使碳和其它合金元素均匀地固溶入奥氏体中，提高奥氏体的稳定性，增加球铁的淬透性。但是加热转变终了后，随温度进一步升高，时间继续延长，奥氏体晶粒将不断长大。当温度升高到超过某一定值后晶粒随温度升高急剧长大。
从图9、10可以明显看出，加热温度与晶粒尺寸有直接关系，加热温度升高，晶粒大小增大，当温度超过1100℃，晶粒直径急剧增大；温度直接影响晶粒尺寸；温度正常时晶粒大小均匀(图11)。
过热：晶粒过分长大；出现混晶，在晶界上未发生晶界弱化(图12)；最终淬火时则产生粗大马氏体针。
过烧：晶粒过分长大，出现混晶，晶界弱化(图13)产生局部融化(图14)；石墨溶解，基体碳含量升高，最终产生莱氏体、粗大高碳马氏体。
当球铁奥氏体过冷到马氏体转变开始温度(Ms)后，便立即产生马氏体相变。奥氏体中的碳原子来不及析出，而在较低的温度(Ms 点)下，由面心立方晶格结构的奥氏体直接转变(共格式相变)为体心立方晶格结构的碳在铁(α-Fe)中的过饱和间隙式固溶体。它在显微镜下呈竹叶状或凸透镜状，称为针状马氏体。针状马氏体形成如图15，针状马氏体光镜和电镜图如图16、图17。
马氏体相变时，首先在石墨周围生长马氏体，然后向周围的奥氏体内长大。由于球铁中存在严重的成分偏析对马氏体点(Ms)影响的结果。马氏体在晶界(或石墨与奥氏体的相界面)上首先开始形成，然后向晶内成长，横穿整个晶粒(即称为一次马氏体(见图15)。奥氏体中的孪晶面也是马氏体形成的有利位置。马氏体也往往从已有的奥氏体" 马氏体的相界面上生核，并向奥氏体内长大(即称为二次马氏体)，先生成的马氏体具有激发新马氏体产生。第一片马氏体形成时惯穿整个奥氏体晶粒，后形成的马氏体片逐渐变小，即马氏体形成时具有分割奥氏体晶粒的作用。因此，马氏体片的大小取决于奥氏体晶粒的大小。在球铁中由于石墨的存在，加热参数会影响石墨的溶解，从而改变基体的碳含量及组织状态，当在高于共析转变温度(AZC1)淬火时，奥氏体化温度越高，石墨溶解越多，则奥氏体的含碳量也越多，马氏体开始转变温度MS点越低。即淬火温度越高，Ms点越低，则淬火组织中的残余奥氏体量亦越多。同时由于局部融化，石墨溶解造成富碳，产生渗碳体与奥氏体共晶，在随后的冷却过程中，奥氏体快冷发生分解，转变成为珠光体，珠光体颗粒分布在渗碳体中构成莱氏体。
总之，随加热温度上升，马氏体针叶长度增大。温度越高，针叶长度增大越快。若快速加热至900℃以下的温度淬火，组织为微细马氏体，有较多的未溶铁素体和珠光体，是欠热组织。若在920~1000℃淬火，组织为细马氏体+少量铁素体和/或少量残余奥氏体，是正常组织。当淬火温度达1050℃时，组织为粗大马氏体+块状残余奥氏体，是过热组织。在更高的温度(1100℃以上)淬火，组织为粗大马氏体+大块状残余奥氏体+莱氏体，是过烧组织。因此，QT700-2合适的淬火温度为920~1000℃。
缺陷组织产生的后果
1.加热温度直接影响晶粒尺寸，过热时晶粒粗大，马氏体片的大小取决于奥氏体晶粒的大小，最终淬火出现粗大针状马氏体。
2.过烧时晶粒过分长大、晶界弱化(图13)、局部融化、石墨溶解、渗碳体与奥氏体共晶，冷却时出现大量莱氏体。
3.过烧区域出现网状过烧裂纹，严重时使工件直接报废。
预防措施
1.感应器有效圈的设计很关键，加热热敏感区位置感应器功率分布应控制低一些。现在机床一般都可以按角度对功率进行分布，热敏感区例如曲轴油孔前后一定角度范围内功率可比正常加热区功率减少10％~30%，在保证淬硬层深度的同时最大限度地降低热敏感区的温度。
2.在生产过程中应随时观察热敏感区的温度情况，定期检查感应器间隙，保证感应器与工件加热面的合理间隙。3.要保证加热工件孔壁圆角等热敏感区厚度均匀过渡，以减低尖角效应。
4.避免加热深度过深，加热深度以淬火硬度深度能稳定达到技术要求范围的中限为宜，加热深度太深势必造成热敏感区温度过高。
5.适当减少加热时间。
结论
(1)快速感应加热920~1000℃淬火，组织为细马氏体加少量残余奥氏体，是正常组织，马氏体级别为3~6级；1050℃以上淬火，组织是过热和过烧组织。
(2)快速感应加热到920~1100℃淬火，随着加热温度上升，马氏体针叶长度增大，温度越高，针叶长度增大越快。加热温度上升，马氏体形态从以细小隐针低碳马氏体为主变为细小低碳和中碳混合马氏体到粗大的片状高碳马氏体。铸态QT700-2合适的淬火温度为920~1000℃。
(3)过热组织晶粒过分长大，出现混晶；在晶界上未发生晶界弱化；最终淬火时则产生粗大马氏体针。
(4)过烧组织晶粒过分长大，出现混晶；晶界弱化、工件表面局部融化、石墨溶解，冷却时出现大量莱氏体网状二次渗碳体。
(5)过烧区域出现网状过烧裂纹。
