凸輪軸滲碳淬火技術研究

陜西柴油機重工有限公司 （713105） 王 頻 蘭忠杰

凸輪表面要求耐磨，對凸輪軸本身則要求有足夠的韌性和剛度，在工作中要求變形最小。本試驗選擇滲碳鋼，滲碳件的表面碳含量（質量分數）可在0.6%～1.1%間變化，一般認為滲碳層中有適量的碳化物存在才能有高的耐磨性。近年來國內外的研究表明，對于一般低合金滲碳鋼，表面碳含量為0.8%～1.0%時可獲得最佳性能。因此，本試驗采用的是16MnCr5滲碳鋼，經滲碳淬火后能達到高的耐磨性。

1.16MnCr5凸輪軸試驗過程

16MnCr5凸輪軸主要工序名稱：下料→機加工→滲碳→機加工→淬火→機加工。

（1）滲碳過程 采用160 k W滲碳爐，（930±5）℃控制碳勢到達0.9%起計算，滲碳時間27～30h，隨爐放入吊樣2件，滲碳27h出一吊樣，根據吊樣層深決定滲碳時間，滲碳結束后斷電、停丙酮、鼓風、降溫，待上區爐溫降至650℃以下時，出爐空冷。檢驗有效滲碳層深度、金相組織及表面含碳量（φ20mm×50mm試樣0.3mm處，碳勢0.75%～0.9%）、全長彎曲，然后進行校直（加熱）即可。

（2）中頻感應淬火過程 主要技術參數（以主軸頸為例）如下：加熱時間為8s，冷卻時間為40s，淬火冷卻介質壓力和濃度8%～10%的AQ251溶液，空載電壓為350V，負載電壓為350V，發電機電流或陽極電流為320～440A，功率因數為0.92～0.94，有效功率為70～120kW。技術要求：滲碳層深度為2.3～2.7mm，淬火層硬度為59～63HRC。淬火區域：3個軸頸以及8個凸輪。

2.具體操作及調試過程

具體滲碳過程中，由于甲醇、丙酮滴量的控制，以及其他一些不可避免的人為因素的影響，致使此次滲碳持續43h才保證滲碳層深達到2.7mm工藝要求，表面含碳量0.3mm處碳濃度為0.89%，組織正常。然后按照正常工藝參數進行后續中頻感應淬火操作，軸頸及凸輪各有一處硬度為55～57HRC，然后進行試驗。

在工藝允許范圍內調整中頻感應淬火參數進行調試，硬度均不能達到所要求的59～63HRC，其硬度梯度如圖1所示。將凸輪軸的凸輪切樣在鹽浴中進行淬火處理，硬度為59～61.5HRC。將凸輪軸切樣在井式滲碳爐中進行整體加熱淬火處理，硬度為59～61HRC。

圖1 滲碳淬火后硬度隨距表面距離變化的曲線

將滲碳后的凸輪軸切樣再次進行碳含量測定及金相組織觀察，碳含量：1.15%，主軸頸滲層組織：珠光體+網狀碳化物（0.8mm）表面脫碳層0.05mm；凸輪滲層組織：回火馬氏體+粒狀碳化物，表面脫碳層0.05mm，金相組織5級。說明前面碳含量的測定有誤差，因此對前面的調試造成一定的偏差。

由于滲碳濃度偏高，因此降低感應淬火電壓50V，對淬火溫度進行重新調試，硬度為59～62H R C，但是經過檢驗主軸頸層深0.5～2.5mm，凸輪軸層深約為1.5mm，組織中存在殘留奧氏體及網狀碳化物。對同爐滲碳的凸輪軸，進行800℃退火3～4h，然后按照正常的工藝參數進行中頻感應淬火試驗，結果顯示層深2.7mm組織正常，其淬火后的硬度梯度如圖2所示。

圖2 退火后中頻感應淬火硬度隨表面距離變化的曲線

3.試驗結果原因分析

當碳含量為1.15%時，在工藝范圍內調整參數不能使其硬度達到所需要的范圍，而通過較大幅度降低電壓、功率，延長保溫時間，降低中頻感應淬火溫度，從而使硬度達到要求。

結合圖1可知，硬度曲線呈現先下降再上升然后緩慢下降趨勢，距表面0.6mm硬度明顯不足，可知滲碳濃度曲線同時也是呈現先下降后上升然后緩慢下降的趨勢，滲碳過程沒有嚴格控制，造成表面脫碳，表層以下滲碳不均勻的現象。這種碳含量梯度曲線，不僅會使表面硬度降低，而且會產生不理想的殘留應力分布。由于鋼的馬氏體點Ms隨碳含量的升高而下降，所以表面下的高碳帶將會最后轉變為馬氏體，從而在表面層造成殘留壓應力。采用正常參數進行淬火時，溫度過高，加熱時間過短，碳原子得不到充分的擴散，淬火后殘留奧氏體過多，硬度達不到要求。

滲碳后經過800℃保溫3～4h，按照正常的中頻感應淬火工藝參數進行試驗后，硬度和層深都達到所需要求。

16MnCr5滲碳鋼奧氏體化溫度約為750℃，由于長時間保溫，碳原子能夠得到充分的擴散。碳原子向內部擴散的同時也向表層擴散，彌補了表層脫碳的缺陷，在經過中頻感應淬火后，硬度層深滿足要求。（20131016）