大功率柴油機凸輪軸表面強化工藝方案

大功率柴油機凸輪軸表面強化工藝方案

潘曉松，高級主任工藝師，高級工程師，南車戚墅堰機車有限公司工藝技術部

在服役過程中，對于一定深度范圍內具有較高的耐磨性、疲勞強度和力學性能要求的鋼制工件，其表面強化常選用表面感應淬火、表面滲碳淬火等熱處理工藝，并對其相應部位有明確的檢測要求。長期以來，對于凸輪軸等關鍵構件的工藝方案，由于服役條件、性能要求、經驗累積與成本控制等原因，同時涉及到材料與加工條件等特性要求，不同的設計方案往往具有不同的傾向。產品成熟期的客觀限制，加之設計往往不能僅從材料性能數據進行簡單判斷，會使產品成品加工使用后、甚至加工過程中產生失效，往往導致質量成本增加或失控。

以我公司4410kW280系列柴油機凸輪軸（見圖1）為例，該工件舊版設計（280AB型柴油機）采用滲碳淬火方案。

該工件材質采用20Cr，技術要求為：凸輪表面C和軸頸表面D進行滲碳淬火，滲碳層深度2.0～2.5mm，硬度58～62HRC。淬硬層深度1.5～2.0mm（熱處理滲碳層深度的工藝要求為2.7～3.2mm），在距離軸頸端面1.5mm范圍內允許硬度降低到≥40HRC，其余部位硬度為255～302HBW。全長范圍內的彎曲變形量≤0.4mm。

經過數十年的連續批量生產，該產品在服役與加工過程中，逐漸暴露出部分問題，主要表現為剝離、裂紋、磨損、壓痕、變形、表面硬度波動等多種形式。

缺陷概述

（1）表面剝離、龜裂、磨損與壓痕 現場實際檢測表明，此類缺陷與表面硬度、表面淬硬層深度變化導致的疲勞強度的波動有關。

（2）裂紋 主要表現為淬火裂紋與網狀磨削裂紋。金相檢測表明，位于兩端部連接法蘭處的定位銷孔與法蘭孔易產生淬火裂紋，與滲碳淬火的產品結構相關；而網狀磨削裂紋的產生，一般源于深層滲碳后組織粗大所伴生的碳化物級別粗大（如網狀碳化物）。

（3）變形 僅在熱處理工序中，工件一般歷經的高溫工序即有滲碳、正火、淬火等多道，滲碳過程（930℃×16～22h滲碳+880℃×2～4h正火）的多次高溫，以及淬火后工件整體強度的提高，導致最終校直后仍有變形遺留到機加工工序，導致偏磨。

缺陷分析

長期以來，以下因素綜合作用，相互影響：

（1）低合金化的20Cr易于控制材質成本，也具備較好的加工性能，但其本質晶粒度較為粗大，更深的滲層要求延續了高溫保溫時間，不僅推動晶粒度的長大，而且表層碳濃度的持續增加，促進碳化物在晶界的聚集與長大，形成網狀，由此導致磨削裂紋。

（2）若控制晶粒度，則必須降低滲碳溫度，實踐表明，將增加每爐生產周期15%~20%。

（3）若在滿足滲層深度的條件下控制碳化物級別，則使得滲碳后的正火不可或缺，而且表面碳濃度的降低，增加了后道淬火工序硬度降低的風險。現場生產中，為保證淬火硬度，表面滲層一般控制在共析或點狀碳化物析出，但在連續多班次操作中，易于產生偏離，往往依靠后期的反復正火或補碳予以解決。

（4）為保證較深的滲層，高溫條件下的長時間保溫，以及正火、淬火等多次操作，促進變形發生。全長變形除常見的C形、S形之外，尤其對于較長、非對稱的尺寸結構，凸輪軸在端部法蘭與第一節凸輪之間的變形增大，會形成L形變形結構，由于受力點難以控制，直接影響校直效果。在這種條件下，若表面碳濃度控制較低（過渡層共析、亞共析比例提高），發生偏磨后，往往直接導致表面硬度降低，帶來表面剝離、龜裂、磨損等服役缺陷，甚至在柴油機試驗階段即可發現凸輪表面的壓痕，直接影響工件的服役壽命，對于機車制造企業而言，上述缺陷無疑最為致命。

圖1 280AB系列柴油機凸輪軸

圖2 240系列凸輪軸

圖3 GEVO16型凸輪軸

圖4 大功率R12V280柴油機凸輪軸

改進方案

對同類產品進行分析：我公司生產的同類240系列凸輪軸（見圖2），采用材質為50Mn，工藝要求為凸輪面硬度58~63HRC，有效淬硬層深度2.5~5.5mm，采用調質+中頻感應淬火工藝。此外，前期我公司與GE合作生產的GEVO16型凸輪軸（見圖3），采用材質為67Cr，經調質+感應淬火，上述產品經過連續大批量生產服役，并不存在上述表面剝離、龜裂等缺陷。因此，我公司在280新型柴油機凸輪軸采用了合金鋼調質+感應淬火的改進方案。

我公司大功率R12V280柴油機凸輪軸（見圖4），材質同樣采用GEVO16凸輪軸所用的67Cr，其技術要求為：

（1）調質處理后應進行實物試樣性能檢測，硬度269～325HBW，力學性能滿足：抗拉強度≥12500PSI（參考換算值862N/mm2）；屈服強度≥8000PSI（參考換算值552N/mm2）； 斷后伸長率≥15%；斷面收縮率≥30%，調質后應得到以回火索氏體為主的金相組織，晶粒度達到ASTM E 112的6級或更細。

（2）對排氣凸輪、進氣凸輪、供油凸輪進行感應淬火及回火處理，表面硬度為60～64HRC，淬硬層深2～9mm，淬硬層硬度（有效淬硬層深度的界定點硬度值）≥50HRC（工藝要求有效淬硬層深度2.8～9mm，淬火后全長彎曲≤0.2mm）。

（3）對零件進行酸蝕檢查。

該產品試制后投入批量生產，不僅滿足了柴油機更高功率的要求，而且有效消除了上述缺陷發生的傾向。

工藝方案實效比較

與滲碳方案相比，感應淬火方案具有以下特點：

（1）成品表面硬度與強度更加穩定 相比于滲碳，感應淬火可以獲得更深的有效淬硬層深度（滲碳層深度控制在2.7～3mm，淬火后有效淬硬層深度不大于滲碳層深度；而感應淬火實際可達深度2.8～8mm），加工成品后可望獲得更可靠的疲勞壽命；合金鋼含碳量的提高（如67Cr中wC=0.65%～0.70%）有助于表面強度的進一步提高。

（2）心部性能 由于滲碳工件的表面硬度與心部性能是在淬火操作過程中同時獲得，而心部能獲得的強度主要取決于材質的成分（280AB凸輪軸主要取決于20Cr當批的含碳量），因此，為保證更為關鍵的表面硬度，實際生產中心部性能只能作為次要控制因素；而感應淬火之前，心部性能在獨立的調質工序中獲得，并不受后道淬火的影響，因此更加可控。相比兩種方案的技術要求，感應淬火的心部性能要求不僅明顯高于滲碳方案，而且易于實現。此外，相比長周期高溫滲碳造成的組織粗大傾向（280AB凸輪軸一般達到5級左右），調質獲得的細晶粒度（一般達到6～7級）顯然有助于心部性能達到更高。值得一提的是，由于心部性能的整體提高可能導致刀具磨損加大，機加工宜選用加工能力更高的工序設備。

（3）加工效率 現場操作表明，凸輪軸在熱處理工序的生產周期，采用感應淬火的方案至少比滲碳方案減少20%～30%。此外，由于不需要采用提前預留余量、滲碳后剝除滲碳層等反復加工，加工余量的減少也促進了機加工效率的提高與成本控制。

（4）加工缺陷的消除 由于感應淬火表面形成細針狀馬氏體，消除了由于組織粗大造成的網狀磨削裂紋等缺陷，同時針對指定部位的感應淬火，調質后加工的法蘭孔加工后不需反復加熱，該部位裂紋自然避免。不僅如此，由于避免了反復長周期高溫加熱，調質、感應淬火的凸輪軸產生的變形更規則（以C形居多，少量S形，L形極少出現），有利于校直并避免偏磨發生。

（5）質量檢測 現行采用的滲碳技術標準，一般不會對所有滲碳材質在不同深度范圍的組織提出限定要求，使得諸如20Cr等低合金鋼滲層深度較深時，往往評判依據匱缺，工件淬火后，其硬度狀態也往往采用硬度計法、銼檢法等方法進行局部檢測。而采用調質+感應淬火后，不僅評判的技術標準更為齊全，而且現場檢測過程中，在GEVO型凸輪軸成功生產的基礎上，R12V280凸輪軸業已采用酸蝕檢測的無損快速方法進行淬硬層的全表面檢測（酸蝕檢測的工藝已有另文說明，參見《淬硬表面的快速無損檢測方法與常見問題探討》）。

結語

綜上所述，經不同方案比較，調質+感應淬火的工藝方案已成為我公司大功率柴油機的設計與加工主流。