負(fù)曲率凸輪軸中頻感應(yīng)淬火工藝研究

柳鵬，裴洪磊，李勇剛，辛娟娟

中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司 山東濟(jì)南 250000

1 序言

凸輪軸是柴油機(jī)零部件中的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)件，其作用是控制氣門的開起和閉合動(dòng)作。凸輪軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，凸輪表面因受到循環(huán)應(yīng)力的作用而產(chǎn)生磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成表層脫落。感應(yīng)加熱具有氧化脫碳少，淬火畸變小，生產(chǎn)率高，以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和無污染等優(yōu)點(diǎn)，因此凸輪軸經(jīng)過中頻感應(yīng)淬火后，可以獲得比普通低碳鋼更高的耐磨性和抗疲勞性能，減少硬化層剝落的概率，提高了凸輪軸的使用壽命，廣泛應(yīng)用于大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)等裝置[1]。

但是，大尺寸負(fù)曲率凸輪軸中頻感應(yīng)淬火后獲得的淬硬層均勻性較差，不能很好地承載使用中受到的滾壓和摩擦。本文主要通過分析、驗(yàn)證大尺寸負(fù)曲率凸輪軸中頻感應(yīng)淬火過程的影響因素，提升凸輪淬硬層均勻性和疲勞強(qiáng)度，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命，滿足高可靠柴油機(jī)的需要。

2 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選取某型號(hào)配氣凸輪軸，材料為50CrMoA鋼，其主要化學(xué)成分見表1。

表1 50CrMoA鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

毛坯經(jīng)多用爐生產(chǎn)線調(diào)質(zhì)后，加工成試驗(yàn)件，表面硬度為28～32HRC，基體組織為回火索氏體和貝氏體。中頻設(shè)備選用立式淬火機(jī)床，仿形感應(yīng)器根據(jù)凸輪形狀設(shè)計(jì)，同時(shí)搭配分體式噴淋圈，噴淋圈有主、輔噴淋2個(gè)進(jìn)水口，且可以單獨(dú)調(diào)節(jié)互不干涉，但由于凸輪軸兩端法蘭盤的尺寸限制，感應(yīng)器外形與凸輪型線之間的距離較大。

中頻感應(yīng)淬火主要工藝參數(shù)如下。

1#試件直接掃描加熱35s；2#試件降低掃描速度后直接掃描加熱50s；3#試件先進(jìn)行小功率循環(huán)掃描預(yù)熱，提高凸輪基體溫度，停止預(yù)熱后空冷6s后掃描加熱至淬火溫度，然后繼續(xù)空冷3s后噴淋冷卻。

其余工藝參數(shù)相同：加熱功率150k W；頻率7000Hz，對(duì)應(yīng)的電流透入深度約為5.98mm[2]；加熱完成后均采用噴淋方式使凸輪快速冷卻50s完成淬火，淬火冷卻介質(zhì)為濃度8%的AQ251水基淬火液，淬火液溫度區(qū)間控制在10～20℃；淬火完成后，采用箱式電阻爐在180℃低溫回火3.5h。

在采用仿形感應(yīng)器對(duì)凸輪進(jìn)行加熱之前，需使感應(yīng)器沿機(jī)床Y軸橫向運(yùn)動(dòng)，將感應(yīng)器靠近基圓位置，先對(duì)基圓進(jìn)行預(yù)熱，此時(shí)感應(yīng)器基圓圓心和凸輪基圓圓心已不在一條垂線上，待加熱結(jié)束后感應(yīng)器復(fù)位，同時(shí)噴淋圈快速移動(dòng)到設(shè)定位置對(duì)凸輪進(jìn)行冷卻；由于臨近效應(yīng)的作用，工件上被加熱區(qū)的形狀與感應(yīng)圈的形狀相似[3]。

回火完成后，先用帶鋸將試驗(yàn)件凸輪軸的凸輪整個(gè)切下，然后用線切割機(jī)在凸輪的升程、桃尖以及基圓部分取出標(biāo)準(zhǔn)試樣，經(jīng)研磨、拋光和4%硝酸-酒精溶液侵蝕后，用金相顯微鏡對(duì)顯微組織進(jìn)行觀察分析，再用顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度梯度檢測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 硬度梯度和淬硬層均勻性分析

凸輪軸在中頻感應(yīng)淬火后，凸輪桃尖、升降程和基圓表面硬度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求（＞60HRC），顯微硬度測(cè)至550HV處作為淬硬層深度。凸輪中間和上下邊緣（上下邊緣處淬硬層深度基本一致，故取平均值）的檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 淬硬層深度 （mm）

中頻感應(yīng)加熱時(shí)凸輪桃尖和感應(yīng)器距離較近，初始加熱方式為透入式加熱，加熱速度快，工件表面過熱度小[4]，可擴(kuò)大奧氏體轉(zhuǎn)變溫度范圍區(qū)間，縮短轉(zhuǎn)變所需時(shí)間，同時(shí)進(jìn)氣凸輪相對(duì)較尖，電流在桃尖處集中，此時(shí)凸輪升降程和基圓還未到奧氏體化溫度。隨著持續(xù)加熱，桃尖的溫度超過居里點(diǎn)，失去磁性，加熱方式轉(zhuǎn)變成透入式加熱和傳導(dǎo)式加熱并存，再加上趨膚效應(yīng)，最終導(dǎo)致桃尖部分淬硬層深度大于其他部位。

1#凸輪的桃尖邊緣淬硬層深度均達(dá)到8.1m m時(shí)，升降程的淬硬層深度分別為3.9mm和3.6mm，勉強(qiáng)達(dá)到了3.5mm的工藝要求，且凸輪淬硬層均勻性較差。繼續(xù)降低掃描速度、增加加熱時(shí)間后，2#凸輪升降程的淬硬層深度分別增加了1.3m m和2.4mm，但是桃尖部分的淬硬層，尤其是邊緣已遠(yuǎn)超出了8.5mm的工藝要求上限。

3.2 金相組織分析

1#凸輪感應(yīng)淬火金相組織如圖1所示，3#凸輪感應(yīng)淬火金相組織如圖2所示。按JB/T 9204—2008《鋼件感應(yīng)淬火金相檢驗(yàn)》規(guī)定，中頻感應(yīng)淬火金相組織3～7級(jí)為合格，以6級(jí)為最佳。

圖2 3#凸輪感應(yīng)淬火金相組織（500×）

在有效硬化層表層處檢驗(yàn)，由于加熱速度較快，再加上原始組織主要為回火索氏體，碳化物細(xì)小且分布均勻，從而在桃尖和升程表面獲得極細(xì)小的隱晶馬氏體，殘留奧氏體數(shù)量較少，級(jí)別為6級(jí)；基圓部分趨膚效應(yīng)不明顯，加熱速度較慢，使得奧氏體化形核率和長(zhǎng)大速率均受到影響，晶粒未得到充分細(xì)化，馬氏體級(jí)別為5級(jí)。

整體上看，1#和3#兩種方案得到的淬硬層金相組織相近，無太大區(qū)別。

4 淬硬層不均勻產(chǎn)生原因

1）法蘭盤尺寸過大，其直徑大于凸輪的最大回轉(zhuǎn)半徑（見圖3～圖5），因而感應(yīng)器在設(shè)計(jì)時(shí)首先要能通過法蘭盤，從而不能很好的貼合凸輪表面型線，一定程度上降低了仿形感應(yīng)器的加熱效率。

圖3 1#凸輪剖面

圖4 凸輪軸結(jié)構(gòu)示意

圖5 感應(yīng)器

2）由于基圓部分相對(duì)基體凸出的尺寸只有2mm，因此趨膚效應(yīng)相對(duì)較差，能量被基體吸收，溫度升高，因此基圓兩側(cè)的基體上存在很明顯的熱感應(yīng)區(qū)。

3）凸輪升降程部分為負(fù)曲率，影響了磁感線的分布，進(jìn)一步導(dǎo)致表面溫度場(chǎng)分布不均勻。

以上三方面的綜合作用，造成了凸輪淬硬層不均勻。需要解決的問題就是在增加凸輪升降程淬硬層深度的同時(shí)，還要控制桃尖部分的淬硬層深度不超過上限。

5 淬硬層分布不均勻主要影響因素

淬硬層分布不均勻的主要影響因素就是凸輪表面溫度分布不均勻。預(yù)熱后空冷一段時(shí)間，熱量由表面向內(nèi)部擴(kuò)散，同時(shí)表面的熱量由溫度高的區(qū)域向溫度低的區(qū)域擴(kuò)散，提高了基體溫度，不僅縮小了中頻感應(yīng)加熱時(shí)桃尖和升降程之間的溫差，同時(shí)也減小了凸輪中間和邊緣的溫差。

提高奧氏體化溫度可以使晶粒長(zhǎng)大，奧氏體更加均勻化，從而降低了貝氏體和珠光體的形核率，也降低了臨界冷卻速度，一定程度上提高了淬透性。而經(jīng)過奧氏體加熱后，失磁層與未失磁層之間的溫度梯度由于預(yù)熱時(shí)熱量的擴(kuò)散而降低，因此界面前沿的熱量擴(kuò)散速度下降，透熱深度內(nèi)的降溫速度更慢，最終使凸輪升降程部位的表面加熱層比預(yù)熱時(shí)要厚。

奧氏體化加熱完成后，空冷一段時(shí)間，最表層的熱量一部分向內(nèi)擴(kuò)散，另一部分向外輻射，由于邊緣處溫度更高，因此向四周輻射的熱量更多，再加上向內(nèi)的熱傳導(dǎo)，造成邊緣處降溫速度高于中間部位，最外層的降溫速度遠(yuǎn)高于內(nèi)層，此時(shí)表面溫度開始低于內(nèi)層，從而導(dǎo)致在電流透入深度范圍內(nèi)，熱量從內(nèi)層向最外層擴(kuò)散。由于經(jīng)過預(yù)熱后，溫度梯度較平緩，且電流透入深度范圍內(nèi)的熱量非常高，因此淬火效果在空冷后并未造成太大影響，噴淋冷卻后，淬硬層更加均勻。由于表面到心部的溫度梯度降低，因此表面的應(yīng)力狀態(tài)同時(shí)得到改善，從而減小了淬裂的概率[5，6]。

6 結(jié)束語

采用仿形感應(yīng)器對(duì)大功率負(fù)曲率凸輪軸進(jìn)行“預(yù)熱-空冷-中頻感應(yīng)加熱-空冷-噴淋冷卻”的中頻感應(yīng)淬火效果明顯好于直接“加熱-冷卻”的方式，凸輪軸淬硬層均勻性改善明顯，且表面應(yīng)力狀態(tài)也得到改善，減少了表面硬度不均勻和開裂的概率。