■ 林信智
感應(yīng)淬火的鋼號雖然越來越多,但作為結(jié)構(gòu)鋼的中碳鋼和中碳低合金鋼仍是首選材料。感應(yīng)淬火零件的表面硬度、硬化層深度和硬化層形狀,都與所用材料有關(guān)。而這些技術(shù)指標(biāo)又與零件的力學(xué)性能相關(guān)聯(lián)。
感應(yīng)淬火汽車零件常用的材料是中碳鋼或中碳低合金鋼。
汽車零件生產(chǎn)遵循低成本、高效率原則。而中碳鋼(或中碳低合金鋼)是比較廉價的鋼材。感應(yīng)淬火在各種熱處理工藝中又是最節(jié)能、最環(huán)保、最廉價的熱處理工藝方法。中碳鋼零件經(jīng)感應(yīng)淬火后又能獲得優(yōu)良的力學(xué)性能。因此,感應(yīng)淬火的汽車零件定當(dāng)大量應(yīng)用中碳鋼材料。
(1)曲軸、凸輪軸、鋼板銷、變速撥叉、搖臂軸、輸出凸緣等多用45鋼制造。
(2)轎車轉(zhuǎn)向齒條、轉(zhuǎn)向閥套、輸入軸、飛輪齒圈用45鋼或40鋼制造。
(3)配氣系統(tǒng)的推桿、離合器撥叉用35鋼或40鋼制造。
(4)轎車輪轂軸承的內(nèi)圈(法蘭軸)、外圈和鐘形殼(等速萬向節(jié))多用55鋼或50鋼制造。
(5)輪轂軸、花鍵軸、半軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向輸入軸、傳動軸凸緣、三銷套等用40Cr、45Cr鋼制造。
(6)重型汽車曲軸、半軸、貫通軸、變速器輸出軸用42CrMo鋼制造。
(7)少數(shù)輪轂軸承內(nèi)圈和外圈用滾動軸承鋼GCr15或彈簧鋼65Mn制造。
(8)輕型汽車(或轎車)的曲軸、凸輪軸,多用球墨鑄鐵(QT600—3、QT700—2)制造。
日本許多感應(yīng)淬火汽車零件用35鋼制造,淬火冷卻介質(zhì)為自來水,硬度可達(dá)到52~58HRC,能夠滿足使用要求,生產(chǎn)管理簡化,生產(chǎn)成本降低。
劉宗昌教授曾有論述:低碳鋼淬火得到位錯型的馬氏體,由于位錯是可以滑動的,正是這種滑動的位錯使馬氏體具有一定的塑性,因而斷裂韌性較高。而當(dāng)wC>0.4%時,馬氏體的韌性降低了,變得硬而脆,即使經(jīng)過低溫回火,韌性亦較差。也許這一闡述,正是日本汽車廠商感應(yīng)淬火零件大量應(yīng)用35鋼的理論依據(jù)。
以上是感應(yīng)淬火的主要汽車零件材料情況。拖拉機(jī)、工程機(jī)械等感應(yīng)淬火用鋼也基本如此。
圖1顯示了鋼中碳含量與淬火硬度及耐磨性(磨損量)的關(guān)系。從圖中可知,鋼的碳含量越高,淬火后硬度越高,耐磨性越好(磨損量越?。TS多零件采用感應(yīng)淬火的目的是表面層獲得高硬度(心部仍然保持原有的低硬度),在保持零件韌性的前提下,提高了零件耐磨性。中碳鋼零件感應(yīng)淬火后可獲得58~63HRC的高硬度,接近高碳鋼的淬火硬度,當(dāng)然能獲得良好的耐磨性。
一般爐中加熱淬火的零件,能獲得很高的淬火硬度,特別是中小型零件。但這些心部淬透的高硬度零件往往不能直接使用,因為零件的心部具有高硬度后,將導(dǎo)致零件脆性大、韌性小,使用中很危險。然而感應(yīng)淬火零件只是表面層高硬度,心部低硬度或很低硬度。因此,可以做到同一個零件既有高的耐磨性,又有高的強(qiáng)韌性。
前驅(qū)動轎車有個零件叫鐘形殼(等速萬向節(jié)),圖2是該零件的形狀和硬化層分布圖。零件的殼體內(nèi)腔和花鍵表面需要感應(yīng)淬火,硬化層均為2.5~3.5mm,硬度為60HRC左右。零件的上部為殼體狀,殼內(nèi)有球道,轎車運(yùn)行時,有鋼球在球道中滾動,實現(xiàn)了輸出端轉(zhuǎn)向并能傳遞轉(zhuǎn)矩,鋼球?qū)η虻喇a(chǎn)生巨大地壓強(qiáng)和磨損,為此球道必須經(jīng)高頻感應(yīng)淬火,使其具有高硬度,以便承受鋼球的壓力和磨損。殼體的最薄處厚度4.3mm左右,要求其內(nèi)表面有厚度2mm左右的硬化層,剩余厚度必須保持較低的原始硬度。下方柄部是直徑24mm的花鍵,在其表層也需有2mm左右的硬化層(心部仍保持較低的原始硬度),使柄部花鍵有較高的耐磨性并有一定的強(qiáng)韌性。該零件的感應(yīng)淬火,實現(xiàn)了高耐磨性和高強(qiáng)韌的完美結(jié)合,這是一個典型的感應(yīng)淬火零件。所用材料一般為55鋼或50Cr。
圖1 鋼中含碳量與淬火硬度及耐磨性的關(guān)系
圖2 鐘形殼淬硬層分布
表1 感應(yīng)淬火對40CrNiMo鋼疲勞性能的影響
表2 感應(yīng)表面淬火對汽車半軸和轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞性能的影響
中碳鋼零件感應(yīng)淬火后可獲得高硬度的硬化層,而高硬度的硬化層存在著強(qiáng)大殘余壓應(yīng)力,一般可達(dá)539~784MPa,這種殘余壓應(yīng)力完全消除零件表面缺口對疲勞強(qiáng)度的有害作用(缺口類的缺陷,在機(jī)械零件中是普遍存在的),能大幅度地提高零件的疲勞強(qiáng)度。如表1所示。
感應(yīng)淬火還可以提高零件疲勞強(qiáng)度,能夠顯著地提高零件的壽命。這一特點在承受疲勞載荷的載貨汽車零件中得到廣泛認(rèn)可(見表2)。
表2數(shù)據(jù)表明,中頻感應(yīng)淬火半軸的疲勞斷裂壽命是調(diào)質(zhì)半軸的4.47倍。中頻感應(yīng)淬火的轉(zhuǎn)向節(jié)的疲勞斷裂壽命是調(diào)質(zhì)轉(zhuǎn)向節(jié)的21~128倍。
眾所周知,鋼制零件淬火硬度僅決定于用碳含量。根據(jù)鋼號的碳含量可以計算淬火硬度,下面介紹兩則計算硬度的公式。
1957年蘇聯(lián)齊良賓拖拉機(jī)廠工程師格爾布里斯基(И.Я.Горбульский)發(fā)表了根據(jù)鋼的碳含量,計算鋼的最大淬火硬度的公式:
1964年我國政府發(fā)布文件,說明當(dāng)時及以前中國應(yīng)用的鋼鐵洛氏硬度(HRC)是按蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定的,而蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)比國際標(biāo)準(zhǔn)低2HRC左右,為使硬度檢驗數(shù)據(jù)與國際接軌,必須將所有檢驗洛氏硬度(HRC)數(shù)據(jù)+2(以后生產(chǎn)的硬度計一律按國際標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定)。因此,式(1)變?yōu)椋?/p>
HRC=20+60(2C-1.3C2)+2(2)
1994年我國四川瀘州長江挖掘機(jī)廠工程師趙振東在當(dāng)年第五期《機(jī)械工人(熱加工》上發(fā)表另一則根據(jù)碳含量計算最大淬火洛氏硬度的公式:
筆者用式(2)、式(3)計算了感應(yīng)淬火常用的8個鋼號的淬火硬度,發(fā)現(xiàn)計算的結(jié)果是相同的或相近的,而且與生產(chǎn)實際相吻合。這說明上述兩個公式有一定的正確性。如表3所示。
表中顯示了兩個公式計算的40、45、40Cr、42CrMo鋼的淬火硬度基本是相同的,其余鋼號的計算值是相近的,說明該公式有應(yīng)用價值。
表3 感應(yīng)淬火常用鋼號的計算硬度、實際硬度及淬火層深度
汽車零件表面感應(yīng)淬火硬度設(shè)計,是根據(jù)零件的使用功能、工況條件確定的,標(biāo)注為洛氏硬度(HRC)。
我國某大型汽車企業(yè)的“企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”將感應(yīng)淬火表面硬度,規(guī)定如下幾個等級:58~63HRC;55~63HRC;52~63HRC;52~58HRC;48~58HRC。
應(yīng)用舉例:
(1)58~63HRC用于耐磨性要求很高的零件,如輪轂軸承內(nèi)外圈(滾道)、鐘形殼、球頭銷等。
(2)55~63HRC用于耐磨性要求較高,對強(qiáng)度要求也較高的零件,如曲軸、凸輪軸、轎車半軸、鋼板彈簧銷、變速叉軸等。
(3)52~63HRC用于耐磨性要求一般、承受大扭矩、大彎矩負(fù)載的零件,如載貨汽車半軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、貫通軸等。
(4)52~58HRC用于耐磨性要求一般、承受較高扭矩、較高彎矩負(fù)載的零件,如輕型汽車曲軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轎車輸出凸緣轎、半軸及車輪支架等。
(5)48~58HRC 用于感應(yīng)淬火的25鋼、30鋼、35鋼及一些球墨鑄鐵制件。
選擇淬火硬度范圍不是越高越好,而是依能滿足功能需求、硬度適中為最好處。淬火硬度越高,淬裂的風(fēng)險也越高。
歐美日等國的汽車零部件及工程機(jī)械零部件感應(yīng)淬火硬度的設(shè)計,不追求極高的硬度,例如純承受磨損的變速叉、變速導(dǎo)塊、變速叉軸及輸出凸緣等零件,規(guī)定淬火硬度多為55~62HRC。挖掘機(jī)純承受磨損的零件支重輪、引導(dǎo)輪規(guī)定淬火硬度為50~58HRC或>50HRC。極高端的硬度(58~63HRC)很少使用。承受扭矩并有一定耐磨性要求的轎車半軸及車輪支架等,規(guī)定硬度為52~58HRC。
歐洲、美國、日本廠家所以不追求極高的硬度值,就是擔(dān)心淬火硬度要求太高,淬火裂紋的風(fēng)險也越高。它們將硬度范圍的下限分別定為50HRC、52HRC、55HRC,顯然這種下限硬度,也是能滿足零件需求的。這種選擇十分可貴,它為感應(yīng)熱處理廠家提供了規(guī)避淬火裂紋的余地。
汽車零件感應(yīng)淬火硬度范圍設(shè)定的科學(xué)性,由表3可知,任何鋼號的碳含量都有其上下限,自然對應(yīng)了淬火硬度的上下限,且上下限之偏差為3.5~6HRC。感應(yīng)淬火硬度的上下限的設(shè)定,實際是對應(yīng)于鋼的碳含量范圍所形成淬火硬度的上下限。
感應(yīng)淬火一般均為表面淬火,即表面層淬火,當(dāng)然要有硬化層深度的要求,硬化層深度也是感應(yīng)淬火零件一個重要的技術(shù)指標(biāo)。
對于兩類負(fù)載零件,有兩種硬化層設(shè)計考慮:
(1)對于主要為提高耐磨性的零件,其硬化層可以薄些,通常1~2mm即可。但有些零件,要在大修中重磨一次,如載貨汽車曲軸的硬化層要把重磨的磨量計算在內(nèi),載貨汽車曲軸硬化層一般規(guī)定為2~4mm。
(2)對承受彎曲、扭轉(zhuǎn)負(fù)荷的零件或疲勞負(fù)荷的零件,需提高它們的強(qiáng)度,特別是提高疲勞強(qiáng)度,需增加硬化層深度。一般說來硬化層深度加深,強(qiáng)度會提高。對于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)或二者相結(jié)合的疲勞載荷的零件,硬化層面積應(yīng)相當(dāng)于零件橫截面積的20%左右,或硬化層深度約為直徑的10%,這樣可得到強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和韌性的最佳配合。
還應(yīng)該指出,隨著硬化層的加深,淬火變形也必然增大,尤其是軸類零件的彎曲(中間跳動),幾乎與硬化層的深度成正比。簡而言之,工件的硬化層深度的設(shè)定,應(yīng)該以滿足功能需要為準(zhǔn)則,過深的硬化層,不僅造成功能過剩,浪費(fèi)能源,還可能產(chǎn)生其他工藝質(zhì)量問題。
前蘇聯(lián)感應(yīng)熱處理專家高洛文教授(Г.Ф.Головин)推薦了根據(jù)零件直徑確定硬化層深度圖(見圖3)。
筆者認(rèn)為:圖3推薦的硬化層深度主要適用于耐磨零件,對于承受強(qiáng)力彎曲、扭轉(zhuǎn)及疲勞載荷的零件,圖中推薦的硬化層深度似乎淺了一些。
以下介紹汽車零件常用硬化層范圍(國家標(biāo)準(zhǔn)GB5617—1985規(guī)定DS代表有效硬化層深度):①DS=0.5~1.0mm,主要用于耐磨損零件及直徑≤15mm的小軸、薄壁零件如搖臂軸及階梯零件的內(nèi)圓角處等。②DS=1.0~2.5mm,主要用于耐磨損零件及直徑15~30mm的小軸,如鋼板彈簧銷、變速叉、變速導(dǎo)塊等。③DS=2.0~4.0mm,主要用于中型汽車的曲軸、輕型汽車轉(zhuǎn)向節(jié)、球頭銷、轎車的輸出凸緣和半軸等零件。④DS=3.0~5.0mm,主要用于重型汽車的曲軸、中型車轉(zhuǎn)向節(jié)、輕型車半軸等零件。⑤DS=4.0~7.0mm,主要用于中型車半軸。⑥D(zhuǎn)S=7.0~12mm,主要用于重型車半軸。
順便強(qiáng)調(diào)一下,盡管現(xiàn)在感應(yīng)淬火設(shè)備的控制精度已經(jīng)大幅度提升了,但就材料質(zhì)量方面而言,仍有些不可控的因素(如成分偏析等)影響感應(yīng)淬火的結(jié)果。因此,國內(nèi)外的大型汽車企業(yè)均不對感應(yīng)淬火的表面硬度值和硬化層深度值進(jìn)行CPK值考核。同樣,其他種類熱處理工序產(chǎn)品也不進(jìn)行CPK值考核。感應(yīng)淬火零件的表面硬度和硬化層深度,只要達(dá)到技術(shù)要求就是優(yōu)質(zhì)件。個別軟點是可以忽略的。
不是每一袋化肥都叫天脊化肥。天脊集團(tuán)在1987年9月18日生產(chǎn)出第一袋硝酸磷肥,使用硝酸分解磷礦生產(chǎn)的硝酸磷肥同時含有硝態(tài)氮和銨態(tài)氮,以及水溶性磷和枸溶性磷,還富含中微量元素和硝酸稀土,形成了大量元素養(yǎng)分與其他中微量元素的協(xié)同增效作用。這是其它化肥無可替代的。
圖3 硬化層深度與零件直徑的關(guān)系
含有內(nèi)圓角的汽車零件中,多數(shù)需要感應(yīng)淬火。零件直徑的驟然增加或減小時,往往用內(nèi)圓角加臺階過渡。所謂內(nèi)圓角系指摳向(或挖向)零件體內(nèi)部形成的角,其底部由圓弧過渡稱為內(nèi)圓角。當(dāng)然其底部也有清根的,稱為清根內(nèi)角。與內(nèi)圓角概念相對應(yīng)是外圓角,通稱為楞角或棱角。感應(yīng)加熱有個效應(yīng),叫“邊緣效應(yīng)”或“楞角效應(yīng)”,說的是感應(yīng)加熱時外圓角處易“抓住”磁力線,且“抓住后輕易不放”,自然使外圓角處加熱速度快,加熱溫度高。內(nèi)圓角在感應(yīng)加熱時的表現(xiàn)與外圓角正好相反,即加熱升溫慢,加熱溫度低,甚至完全加熱不起來,因此內(nèi)圓角建立硬化層很困難。盡管如此,有些零件根據(jù)工況需要,其內(nèi)圓角必須感應(yīng)淬火,且要有一定深度的硬化層。
內(nèi)圓角感應(yīng)加熱之所以困難,是由兩種原因造成的。①內(nèi)圓角的兩個“邊”屏蔽了底部內(nèi)圓角,使磁力線不能進(jìn)入到圓角處,磁力線是封閉的圓環(huán)線,它具有能量,當(dāng)它在接近圓角時,首先進(jìn)入兩個邊,并在兩個邊上產(chǎn)生熱量并使其升溫。內(nèi)圓角處沒有磁力線進(jìn)入,自然不會產(chǎn)生熱量,內(nèi)圓角的熱量全靠兩邊傳導(dǎo)過來。②內(nèi)圓角處的熱容量遠(yuǎn)大于其毗連部分(圓柱面和圓環(huán)面)的熱容量。假如,內(nèi)圓角與其兩邊的毗連部分同時獲得相同的熱量,其升溫速度也要低于(或遠(yuǎn)低于)其毗連部分。因此,內(nèi)圓角的加熱層建立是困難的,自然硬化層的建立也很困難。高明的設(shè)計師尊重感應(yīng)加熱的這個特點,堅持內(nèi)圓角有硬化層,使危險截面的強(qiáng)度得以保證,但硬化層深度要減小,小到保證強(qiáng)度需要的最低值即可。于是,一個優(yōu)秀設(shè)計產(chǎn)生了:內(nèi)圓角處設(shè)定了較薄硬化層,但它可以滿足了零件強(qiáng)度的需要,又防止了為追求內(nèi)圓角硬化層與其毗連部分等深度,而導(dǎo)致毗連部位硬化層過深或淬裂的不良后果。
感應(yīng)淬火零件中,內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)是大量存在的,國內(nèi)的設(shè)計師一般不很了解感應(yīng)加熱的特點,尤其不很了解內(nèi)圓角的感應(yīng)淬火的困難,沒有特殊關(guān)注,有時對內(nèi)圓角硬化層隨意標(biāo)注,給感應(yīng)淬火加工帶來困難。下面舉幾個國外廠家的設(shè)計的實例。
圖4是某外國名牌轎車的輪轂軸,它的工況是很惡劣的,既要傳動大轉(zhuǎn)矩,還承受疲勞彎矩,它的危險截面就在圓角處。因此圓角處必須感應(yīng)淬火,而且要有一定深度的硬化層,以保證零件強(qiáng)度和行車的安全。設(shè)計師也知道內(nèi)圓角建立硬化層是很困難的,所以他將圓角硬化層減至0.5mm(最?。渌课环謩e要求為1.3~3.5mm和1.5~4.5mm。
圖5是外國品牌轎車的輸出法蘭軸硬化層設(shè)計,它的淬火區(qū)域內(nèi)有兩階臺階,屬于階梯軸類的零件,在其淬火區(qū)域中自然含有兩個內(nèi)角(清根退刀槽)結(jié)構(gòu),顯然右面第一個退刀槽處內(nèi)角是危險截面,設(shè)計師知道這里要達(dá)到與軸頸相同的硬化層深度是困難的,將此處硬化層深度減了下來,注明硬化層≥1mm即可,其他部位硬化層要求為2.0~3.5mm。
將內(nèi)圓角的硬化層深度適當(dāng)減小,使整個零件淬火部位淬硬層連續(xù)起來,保證內(nèi)圓角附近的軸頸表面淬火溫度不至于過高,硬化層不至于過深,從而提高了整個零件的強(qiáng)度,使零件獲得優(yōu)良的力學(xué)性能。
圖4 某轎車的輪轂軸硬化層設(shè)計
該轉(zhuǎn)向節(jié)感應(yīng)淬火區(qū)域有兩個內(nèi)圓角,顯然下面的內(nèi)圓角是危險截面,于是設(shè)計師明確要求,兩個內(nèi)圓角都要有硬化層,下面的內(nèi)圓角硬化層DS≥2mm,其余DS=2.5~4mm。
該轉(zhuǎn)向節(jié)感應(yīng)淬火有兩個難點:①內(nèi)圓角要有硬化層,很難達(dá)到設(shè)計要求。②中間外圓角的硬化層必須控制在DS≤4mm,否則易產(chǎn)生淬火裂紋。
這要求感應(yīng)熱處理工程師必須設(shè)計出特殊功能的感應(yīng)器,該感應(yīng)器的特點:①對兩個內(nèi)圓角的加熱是強(qiáng)烈的,使之加熱速度快,能迅速建立加熱層,經(jīng)噴射冷卻形成硬化層。②該感應(yīng)器對外圓角基本不要加熱,外圓角的升溫?zé)崃恐饕菑膬蓛?nèi)圓角熱量傳導(dǎo)過來和感應(yīng)器散失磁力線的加熱獲得??傊?,感應(yīng)器的任何有效導(dǎo)線對外圓角不能有直接的加熱作用,否則外圓角將會升溫很快、溫度很高,硬化層定會超過規(guī)定,進(jìn)而產(chǎn)生淬火裂紋。
上海恒精公司開發(fā)了輕型客車轉(zhuǎn)向節(jié)淬火技術(shù)。其硬化層照片如圖7所示。
圖8是某外國品牌轎車的半軸,它實際是輸出凸緣和半軸的結(jié)合體,設(shè)計十分巧妙,簡化了結(jié)構(gòu),降低了成本。
然而,它卻將所有難題交給感應(yīng)淬火:
(1)油封套部分,表面淬火硬度55~62HRC。油封套壁厚2~3.2mm,要求硬化層0.5~0.8mm,存在極易淬透的危險性??紤]到強(qiáng)度需要,根部小圓角也要淬火,硬化層≥0.2mm,此外其根部的淬硬層還要延伸到邊緣。
為完成上述要求,感應(yīng)熱處理工程師必須選用高頻感應(yīng)淬火,而且要設(shè)計出高效率的感應(yīng)器,保證在極短的時間內(nèi),使薄壁→小圓角→圓環(huán)面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)同時完成淬火。
(2)軸桿部分,表面硬度55~62HRC,硬化層深度2.5~4.0mm。軸桿的硬化層要求深入到油封套內(nèi)部。因此,必須設(shè)計特殊形狀的感應(yīng)器,使感應(yīng)器可以伸到油封套的里面,選用中頻感應(yīng)淬火,才能實現(xiàn)軸桿部分的感應(yīng)淬火的要求。
上海恒精公司開發(fā)了半軸淬火技術(shù)。
圖5 某轎車的輸出法蘭軸硬化層設(shè)計
圖6 某輕型客車轉(zhuǎn)向節(jié)硬化層設(shè)計
圖7 轉(zhuǎn)向節(jié)圓角處的硬化層
圖8 某國外轎車的半軸硬化層照片
(1)感應(yīng)淬火用鋼的型號越來越多,但作為結(jié)構(gòu)鋼中的中碳鋼和中碳低合金鋼仍作為首選。
(2)感應(yīng)淬火零件的硬度、硬化層深度和形狀(尤其內(nèi)圓角的淬火層),是感應(yīng)淬火三項重要的技術(shù)條件,必須嚴(yán)格遵循,保證實現(xiàn)。因為這些技術(shù)條件決定了零件的力學(xué)性能。
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