負曲率凸輪軸中頻感應淬火工藝研究

柳鵬，裴洪磊，李勇剛，辛娟娟

中國石油集團濟柴動力有限公司 山東濟南 250000

1 序言

凸輪軸是柴油機零部件中的一個重要結構件，其作用是控制氣門的開起和閉合動作。凸輪軸在高速旋轉時，凸輪表面因受到循環(huán)應力的作用而產生磨損，嚴重時會造成表層脫落。感應加熱具有氧化脫碳少，淬火畸變小，生產率高，以及易于實現自動化和無污染等優(yōu)點，因此凸輪軸經過中頻感應淬火后，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，廣泛應用于大功率柴油發(fā)動機等裝置[1]。

但是，大尺寸負曲率凸輪軸中頻感應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、驗證大尺寸負曲率凸輪軸中頻感應淬火過程的影響因素，提升凸輪淬硬層均勻性和疲勞強度，從而提高產品質量和使用壽命，滿足高可靠柴油機的需要。

2 試驗材料及方法

試驗選取某型號配氣凸輪軸，材料為50CrMoA鋼，其主要化學成分見表1。

表1 50CrMoA鋼化學成分（質量分數） （%）

毛坯經多用爐生產線調質后，加工成試驗件，表面硬度為28～32HRC，基體組織為回火索氏體和貝氏體。中頻設備選用立式淬火機床，仿形感應器根據凸輪形狀設計，同時搭配分體式噴淋圈，噴淋圈有主、輔噴淋2個進水口，且可以單獨調節(jié)互不干涉，但由于凸輪軸兩端法蘭盤的尺寸限制，感應器外形與凸輪型線之間的距離較大。

中頻感應淬火主要工藝參數如下。

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#試件先進行小功率循環(huán)掃描預熱，提高凸輪基體溫度，停止預熱后空冷6s后掃描加熱至淬火溫度，然后繼續(xù)空冷3s后噴淋冷卻。

其余工藝參數相同：加熱功率150k W；頻率7000Hz，對應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。

在采用仿形感應器對凸輪進行加熱之前，需使感應器沿機床Y軸橫向運動，將感應器靠近基圓位置，先對基圓進行預熱，此時感應器基圓圓心和凸輪基圓圓心已不在一條垂線上，待加熱結束后感應器復位，同時噴淋圈快速移動到設定位置對凸輪進行冷卻；由于臨近效應的作用，工件上被加熱區(qū)的形狀與感應圈的形狀相似[3]。

回火完成后，先用帶鋸將試驗件凸輪軸的凸輪整個切下，然后用線切割機在凸輪的升程、桃尖以及基圓部分取出標準試樣，經研磨、拋光和4%硝酸-酒精溶液侵蝕后，用金相顯微鏡對顯微組織進行觀察分析，再用顯微硬度計進行硬度梯度檢測。

3 試驗結果與分析

3.1 硬度梯度和淬硬層均勻性分析

凸輪軸在中頻感應淬火后，凸輪桃尖、升降程和基圓表面硬度均達到設計要求（＞60HRC），顯微硬度測至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）的檢測結果見表2。

表2 淬硬層深度 （mm）

中頻感應加熱時凸輪桃尖和感應器距離較近，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]，可擴大奧氏體轉變溫度范圍區(qū)間，縮短轉變所需時間，同時進氣凸輪相對較尖，電流在桃尖處集中，此時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，失去磁性，加熱方式轉變成透入式加熱和傳導式加熱并存，再加上趨膚效應，最終導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到8.1m m時，升降程的淬硬層深度分別為3.9mm和3.6mm，勉強達到了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#凸輪感應淬火金相組織如圖1所示，3#凸輪感應淬火金相組織如圖2所示。按JB/T 9204—2008《鋼件感應淬火金相檢驗》規(guī)定，中頻感應淬火金相組織3～7級為合格，以6級為最佳。

圖2 3#凸輪感應淬火金相組織（500×）

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

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 淬硬層不均勻產生原因

1）法蘭盤尺寸過大，其直徑大于凸輪的最大回轉半徑（見圖3～圖5），因而感應器在設計時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器的加熱效率。

圖3 1#凸輪剖面

圖4 凸輪軸結構示意

圖5 感應器

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

3）凸輪升降程部分為負曲率，影響了磁感線的分布，進一步導致表面溫度場分布不均勻。

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，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。預熱后空冷一段時間，熱量由表面向內部擴散，同時表面的熱量由溫度高的區(qū)域向溫度低的區(qū)域擴散，提高了基體溫度，不僅縮小了中頻感應加熱時桃尖和升降程之間的溫差，同時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熱時熱量的擴散而降低，因此界面前沿的熱量擴散速度下降，透熱深度內的降溫速度更慢，最終使凸輪升降程部位的表面加熱層比預熱時要厚。

奧氏體化加熱完成后，空冷一段時間，最表層的熱量一部分向內擴散，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，再加上向內的熱傳導，造成邊緣處降溫速度高于中間部位，最外層的降溫速度遠高于內層，此時表面溫度開始低于內層，從而導致在電流透入深度范圍內，熱量從內層向最外層擴散。由于經過預熱后，溫度梯度較平緩，且電流透入深度范圍內的熱量非常高，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，因此表面的應力狀態(tài)同時得到改善，從而減小了淬裂的概率[5，6]。

6 結束語

采用仿形感應器對大功率負曲率凸輪軸進行“預熱-空冷-中頻感應加熱-空冷-噴淋冷卻”的中頻感應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。