CN116024423A - 一种高强度合金凸轮轴热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度合金凸轮轴热处理工艺，涉及内燃机零件加工技术领域，满足大功率内燃机的凸轮轴对使用性能的要求。且生产近两年时间，无一开裂；具体方案如下：一种高强度合金凸轮轴热处理工艺，调质热处理，工件置于加热炉，加热温度860℃±10并保温，在冷却介质中冷却后进入清洗机清洗油污；再进入回火炉回火，回火温度650℃±10，保温后出炉水冷；工件调质完经过精加工后进行中频淬火，工件置于淬火机床，安装仿形感应器，对工件采用多次预热循环扫描加热的方式以获得均匀的淬硬层，之后选用喷淋圈淬火冷却，工件表面硬度大于58HRC，淬硬层4.5‑7mm。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机零件加工技术领域，尤其是涉及一种高强度合金凸轮轴热处理工艺。
背景技术
大功率内燃机凸轮轴是是柴油机零部件中的一个重要结构件，它的作用是控制气门的开启和闭合动作。凸轮轴在高速旋转时，凸轮表面受到循环应力的作用产生磨损，严重时会造成表层脱落。
行业标准中规定的20钢、20Cr、20Mn2等凸轮轴经渗碳淬火或碳氮共渗淬火后最高硬化层深度为1.5mm，小于图纸要求的3.0mm下限；45钢、50钢凸轮轴中频淬火后在大功率柴油机上长时间运转，淬硬层易剥落；而Gr15钢凸轮轴热处理工艺复杂，且中频磨削后易出现磨削裂纹，不易加工。以上材料不符合大功率内燃机对凸轮轴工艺性能或使用性能的要求。
发明人发现，目前使用50钢用于生产大功率内燃机凸轮轴，并通过正火和中频淬火在异形凸轮上获得不均匀的淬硬层，但是50钢凸轮轴中频淬火后在大功率柴油机上长时间运转，淬硬层易剥落，无法满足大功率内燃机对凸轮轴力学性能和耐磨性能的特殊要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种高强度合金凸轮轴热处理工艺，对工件调质时，淬火加热温度860℃并保温，可以使基体组织完全奥氏体化，提高抗拉强度。同时工件进入回火炉回火，回火温度650℃，保温后出炉水冷，不仅可以得到更好的性能，还能避免发生第二类回火脆性。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
一种高强度合金凸轮轴热处理工艺，包括如下步骤：
调质热处理，工件置于加热炉，加热温度860℃±10并保温，在冷却介质中冷却后进入清洗机清洗油污；再进入回火炉回火，回火温度650℃±10，保温后出炉水冷；
工件调质完经过精加工后进行中频淬火，工件置于淬火机床，安装仿形感应器，对工件采用多次预热循环扫描加热的方式以获得均匀的淬硬层，之后选用喷淋圈淬火冷却，工件表面硬度大于58HRC，淬硬层4.5-7mm。
作为进一步的实现方式，所述加热炉选用爱协林多用炉生产线，型号为VKEs4/2。
作为进一步的实现方式，所述工件置于加热炉内，加热温度860℃±10并保温3h，冷却介质选用好富顿HQG快速淬火油，冷却30min。
作为进一步的实现方式，所述工件进入回火炉回火时，回火炉内通入氮气以防止工件氧化，保温3h后进入清洗机快速冷却。
作为进一步的实现方式，中频淬火选用EFD立式感应淬火机床，先将仿形感应器靠近工件基圆进行预热，使得基圆平均温度略高于凸轮桃尖的温度等待5-10s；
之后仿形感应器恢复初始位置，进行循环扫描加热，然后淬火。
作为进一步的实现方式，所述工件在冷却时，底部配合底座旋转，以使得冷却过程均匀。
作为进一步的实现方式，喷淋圈包括上部辅助喷淋区和下部主喷淋区，主喷淋流量90L/min，辅助喷淋流量50L/min。
作为进一步的实现方式，仿形感应器的一阶段预热功率90KW,二阶段循环扫描加热功率135Kw，感应器移动速度260mm/min。
作为进一步的实现方式，所述中频电流频率为7000HZ。
作为进一步的实现方式，中频淬火时，进气凸轮在上，排气凸轮在下。
上述本发明的有益效果如下：
1.本发明对工件调质时，淬火加热温度860℃±10并保温，可以使基体组织完全奥氏体化，提高抗拉强度。同时工件进入回火炉回火，回火温度650℃±10，保温后出炉水冷，不仅可以得到更好的性能，还能避免发生第二类回火脆性。
2.本发明在回火后经过精加工后再进行中频淬火，表面无氧化皮影响，且中频后只需要精磨就能完成成品加工，加工效率和精度有保证。
3.本通过生产的大功率内燃机凸轮轴的质量稳定，基体硬度28-32HRC，表面硬度58HRC以上，淬硬层4.5-7mm，分布均匀，能满足大功率内燃机对凸轮轴力学性能和耐磨性能的特殊要求；两年未发生淬火开裂现象，使用寿命长，且加工过程相对简单，有利于大规模生产。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例中中频淬火前凸轮轴精加工图。
图2是图1中A-A向进气凸轮形状示意图。
图3是图1中A-A向排气凸轮形状示意图。
图4是本发明实施例中第一阶段小功率循环扫描预热示意图。
图5是本发明实施例中第二阶段大功率扫描加热示意图。
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
大功率内燃机凸轮轴是是柴油机零部件中的一个重要结构件，它的作用是控制气门的开启和闭合动作。凸轮轴在高速旋转时，凸轮表面受到循环应力的作用产生磨损，严重时会造成表层脱落，要求零件本体具有较高的耐磨性能和机械性能，主要技术要求见下表
| 凸轮桃尖硬度(HRC) | 凸轮基圆硬度(HRC) | 淬硬层深(mm) | 基体表面硬度 |
| 58-64 | ≥55 | 3-8 | 28-32 |
机械行业标准GB/T 6728.1--201X《内燃机凸轮轴第1部分：技术条件》有关规定，标准中规定的20钢、20Cr、20Mn2等凸轮轴经渗碳淬火或碳氮共渗淬火后最高硬化层深度为1.5mm，小于图纸要求的3.0mm下限；45钢、50钢凸轮轴中频淬火后在大功率柴油机上长时间运转，淬硬层易剥落；Gr15钢凸轮轴热处理工艺复杂，且中频磨削后易出现磨削裂纹，不易加工。以上材料不符合大功率内燃机对凸轮轴工艺性能或使用性能的要求。
目前方案为使用50钢用于生产大功率内燃机凸轮轴，并通过正火和中频淬火在异形凸轮上获得不均匀的淬硬层。
为了满足大功率内燃机对凸轮轴力学性能和耐磨性能的特殊要求，需要研究一种新型合金钢凸轮轴，且通过简单调质和中频淬火即能满足需求。
首先优化凸轮轴基体材料：为解决凸轮轴表面出现剥落问题，将现有的凸轮轴材料，由普通50#钢改为50CrMoA，50CrMoA是优质50CrMo钢，S、P(硫、磷)等杂质含量更少，主要成分的波动范围也更小，质量更稳定。通过优化合金钢成分和金相组织，将新型50CrMoA合金钢用于生产大功率内燃机凸轮轴，并通过调质和中频淬火在异形凸轮上获得比较均匀的淬硬层，提高疲劳寿命。在GB/T3077-2015标准对50CrMoA要求的基础上，对材料成分的要求如下：
| C | Si | Mn | Cr | Mo |
| 0.50～0.54 | ＜0.40 | 0.50～0.80 | 0.90～1.20 | 0.15～0.30 |
其次，毛坯晶粒度≥5级，酸浸低倍组织中的锭型偏析、中心疏松及一般疏松级别不大于2级，不允许有一般点状偏析和边缘点状偏析，超声波探伤方法按CB/T3907，超声波探伤起始灵敏度为∮2mm当量，允许不大于∮2mm当量缺陷存在，不允许有密集缺陷存在。
本发明的一种典型的实施方式中，参考图1-图5所示，一种高强度合金凸轮轴热处理工艺，包括如下步骤：
对工件进行调质热处理，工件进行调质前需要进行粗加工，工件置于加热炉内加热淬火，淬火加热温度860℃±10并保温3h，优选860℃。粗加工时：人工将零件装入料筐，然后将料筐吊至导轨上，操作者操作料车将料筐送入多用炉，之后按选定的工艺自动运行，剔除氧化层，出炉时由操作者操作料车将料筐拉到炉外。
具体的，加热炉选用爱协林多用炉生产线，型号为VKEs4/2，装炉后全自动生产，加热及冷却过程无需人工干预，且炉内有还原气氛，避免工件表面发生氧化脱碳。
凸轮轴适用缸径270mm的大功率柴油机，因此将工件置于加热炉内，加热温度860℃±10并保温3h，可以使得工件的基体组织完全奥氏体化，提高工件的抗拉强度。炉内碳势0.50和凸轮轴材料牌号一致(50CrMoA牌号含碳量0.5％)，防止加热过程中表面脱碳。
之后工件在冷却介质中冷却后进入清洗机清洗油污；冷却介质选用好富顿HQG快速淬火油，冷却时间为30min。其中冷却时需要快速搅拌15分钟，保证冷却均匀；
冷却结束后，工件进入清洗机清洗表面油污，清洗时间为30min。
进一步的，工件再进入回火炉回火，回火温度650℃±10，优选650℃，保温后出炉水冷；工件进入回火炉回火时，回火炉内通入氮气以防止工件氧化，保温3h后进入清洗机快速冷却，可以避免第二类回火脆性。
若在400～650℃区间回火，回火结束后冷却缓慢，会造成第二类回火脆性，出现回火脆性时，Ni、Cr、Sb、Sn、P等都向原奥氏体晶界偏聚，都集中在2～3个原子厚度的晶界上，降低零件强度，回火脆性随杂质元素的增多而增大。
50CrMoA是优质50CrMo钢，S、P(硫、磷)等杂质含量更少，主要成分的波动范围也更小，质量更稳定。本实施例选用50CrMoA作为凸轮轴基体材料进行调质，选择高淬火温度和高回火温度，650℃回火后进入清洗机快速冷却，不仅可以使凸轮轴得到更好的力学性能，还能避免发生第二类回火脆性。
工件经过调质完成后，经过精加工后进行中频淬火，首先将工件置于淬火机床，安装仿形感应器，对工件采用多次预热循环扫描加热的方式以获得均匀的淬硬层，之后选用喷淋圈淬火冷却，最终得到的工件表面硬度大于58HRC，淬硬层4.5-7mm。
若在回火后直接中频淬火，由于表面氧化皮的存在，也会影响淬火效果和加工精度，本实施例在回火后经过精加工后再进行中频淬火，表面无氧化皮影响，且中频后只需要精磨就能完成成品加工，加工效率和精度有保证。
精加工时，即中频阶段，由操作者操作旋动臂将零件装卡好，然后选择对应的数控加工程序，全程自动运行，中频淬火结束后，由操作者进行下料操作，然后及时回火。
中频淬火选用EFD立式感应淬火机床，先将仿形感应器靠近工件基圆进行预热，使得基圆平均温度略高于凸轮桃尖的温度，此时预热停止，等待5-10s；之后仿形感应器恢复初始位置，进行循环扫描加热，然后淬火。
具体的，大功率柴油机用凸轮轴，凸轮较宽且凸轮基圆部分和基体直径相差只有7mm，单边只有3.5mm，加热时会导致基圆部位升温较慢，而采用多次预热循环扫描加热的方式，可以在大型凸轮轴获得均匀的淬硬层，且中频后只需要精磨就能完成成品加工，加工效率和精度有保证。
中频仿形感应圈距离凸轮型面不算太均匀，凸轮基圆直径107mm，仿形感应器基圆直径180mm。因两端法兰盘直径177mm，所以感应器不可能完全贴合凸轮表面轮廓，所以还需要小功率预热，预制结束后，等待5-10秒使热量传递，使表面温度进一步均匀，然后仿形感应器回到初始位置，再大功率扫描加热、淬火，才能满足工件要求。
EFD立式感应淬火机床，机床有Z、C、Y三个轴，Z上下，C是旋转，Y是前后(凸轮桃尖和基圆的连线方向)，在机床上安装仿形感应器，先将仿形感应器靠近凸轮基圆(Y值减18mm)，然后进行预热，预热结束后基圆平均温度略高于凸轮桃尖的温度，等待5-10秒钟，提高功率，之后将感应器恢复初始位置(感应器中心和凸轮轴中心重合)，进行循环扫描加热，然后淬火；淬火冷却采用喷淋圈。喷淋圈上均布有多个喷淋孔。
从各个喷水孔出来的水流压力是一致的，避免了离进水口近的喷淋孔水流压力大，离进水口远的喷淋孔水流压力小，冷却时导致凸轮各个部位冷却速度不一致，影响淬火效果的情况。本实施例中高强度合金凸轮轴在冷却时配合底座旋转，使冷却过程更均匀，其中主喷淋流量90L/min，辅助喷淋流量50L/min。并在箱式回火炉内170±10℃回火不低于3h消除应力、稳定组织，凸轮轴中频前尺寸见图1-图3。
中频电流频率7000HZ，通过调节加热时间和功率大小改变淬硬层深度。进气凸轮在上排气凸轮在下，且两凸轮间距较小加热时要对已完工的凸轮进行喷淋保护，防止退火(喷淋圈分为上下两个部分，上部分为辅助喷淋区，下半部分为主喷淋区，分别接入对应的管道)。其中，凸轮基圆直径107mm，宽35mm，基体直径100mm，仿形感应器基圆直径180mm，宽20mm。加热分两个阶段，其中一阶段预热功率90KW,二阶段加热功率135Kw，感应器移动速度260mm/min，移动距离为15mm(感应器中线位置对应凸轮中线，上下移动范围各7.5mm)，感应器移动轨迹如图4-图5所示。
凸轮轴处理后的基体硬度28-32HRC，表面硬度58HRC以上，淬硬层4.5-7mm，分布均匀，通过以上工艺方案生产的大功率内燃机凸轮轴的质量稳定，两年未发生淬火开裂现象，使用寿命长。且加工过程相对简单，有利于大规模生产。
通过优化凸轮轴基体材料并进行本实施例中所述的热处理方法，满足大功率内燃机的凸轮轴对使用性能的要求。且生产近两年时间，无一开裂。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高强度合金凸轮轴热处理工艺，其特征在于，包括如下步骤：
调质热处理，工件置于加热炉，加热温度860℃±10并保温，在冷却介质中冷却后进入清洗机清洗油污；再进入回火炉回火，回火温度650℃±10，保温后出炉水冷；
工件调质完经过精加工后进行中频淬火，工件置于淬火机床，安装仿形感应器，对工件采用多次预热循环扫描加热的方式以获得均匀的淬硬层，之后选用喷淋圈淬火冷却，工件表面硬度大于58HRC，淬硬层4.5-7mm。
2.根据权利要求1所述的一种高强度合金凸轮轴热处理工艺，其特征在于，所述加热炉选用爱协林多用炉生产线。
3.根据权利要求1所述的一种高强度合金凸轮轴热处理工艺，其特征在于，所述工件置于加热炉内，加热温度860℃±10并保温3h，冷却介质选用好富顿HQG快速淬火油，冷却30min。
4.根据权利要求1所述的一种高强度合金凸轮轴热处理工艺，其特征在于，所述工件进入回火炉回火时，回火炉内通入氮气以防止工件氧化，保温3h后进入清洗机快速冷却。
5.根据权利要求1所述的一种高强度合金凸轮轴热处理工艺，其特征在于，中频淬火选用EFD立式感应淬火机床，先将仿形感应器靠近工件基圆进行预热，使得基圆平均温度略高于凸轮桃尖的温度等待5-10s；
之后仿形感应器恢复初始位置，进行循环扫描加热，然后淬火。
6.根据权利要求1所述的一种高强度合金凸轮轴热处理工艺，其特征在于，所述工件在冷却时，底部配合底座旋转，以使得冷却过程均匀。
7.根据权利要求6所述的一种高强度合金凸轮轴热处理工艺，其特征在于，喷淋圈包括上部辅助喷淋区和下部主喷淋区，主喷淋流量90L/min，辅助喷淋流量50L/min。
8.根据权利要求5所述的一种高强度合金凸轮轴热处理工艺，其特征在于，仿形感应器的一阶段预热功率90KW,二阶段循环扫描加热功率135Kw，感应器移动速度260mm/min。
9.根据权利要求1所述的一种高强度合金凸轮轴热处理工艺，其特征在于，所述中频电流频率为7000HZ。
10.根据权利要求1所述的一种高强度合金凸轮轴热处理工艺，其特征在于，中频淬火时，进气凸轮在上，排气凸轮在下。
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| CN1718826A (zh) * | 2005-08-03 | 2006-01-11 | 肖治平 | 变质钢及其生产方法 |
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| CN104278177A (zh) * | 2013-07-12 | 2015-01-14 | 无锡成博科技发展有限公司 | 一种凸轮轴用材料及加工成形制造方法 |
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2022
- 2022-12-23 CN CN202211666001.0A patent/CN116024423A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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