负曲率凸轮轴中频感应淬火工艺研究

柳鹏，裴洪磊，李勇刚，辛娟娟

中国石油集团济柴动力有限公司 山东济南 250000

1 序言

凸轮轴是柴油机零部件中的一个重要结构件，其作用是控制气门的开起和闭合动作。凸轮轴在高速旋转时，凸轮表面因受到循环应力的作用而产生磨损，严重时会造成表层脱落。感应加热具有氧化脱碳少，淬火畸变小，生产率高，以及易于实现自动化和无污染等优点，因此凸轮轴经过中频感应淬火后，可以获得比普通低碳钢更高的耐磨性和抗疲劳性能，减少硬化层剥落的概率，提高了凸轮轴的使用寿命，广泛应用于大功率柴油发动机等装置[1]。

但是，大尺寸负曲率凸轮轴中频感应淬火后获得的淬硬层均匀性较差，不能很好地承载使用中受到的滚压和摩擦。本文主要通过分析、验证大尺寸负曲率凸轮轴中频感应淬火过程的影响因素，提升凸轮淬硬层均匀性和疲劳强度，从而提高产品质量和使用寿命，满足高可靠柴油机的需要。

2 试验材料及方法

试验选取某型号配气凸轮轴，材料为50CrMoA钢，其主要化学成分见表1。

表1 50CrMoA钢化学成分（质量分数） （%）

毛坯经多用炉生产线调质后，加工成试验件，表面硬度为28～32HRC，基体组织为回火索氏体和贝氏体。中频设备选用立式淬火机床，仿形感应器根据凸轮形状设计，同时搭配分体式喷淋圈，喷淋圈有主、辅喷淋2个进水口，且可以单独调节互不干涉，但由于凸轮轴两端法兰盘的尺寸限制，感应器外形与凸轮型线之间的距离较大。

中频感应淬火主要工艺参数如下。

1#试件直接扫描加热35s；2#试件降低扫描速度后直接扫描加热50s；3#试件先进行小功率循环扫描预热，提高凸轮基体温度，停止预热后空冷6s后扫描加热至淬火温度，然后继续空冷3s后喷淋冷却。

其余工艺参数相同：加热功率150k W；频率7000Hz，对应的电流透入深度约为5.98mm[2]；加热完成后均采用喷淋方式使凸轮快速冷却50s完成淬火，淬火冷却介质为浓度8%的AQ251水基淬火液，淬火液温度区间控制在10～20℃；淬火完成后，采用箱式电阻炉在180℃低温回火3.5h。

在采用仿形感应器对凸轮进行加热之前，需使感应器沿机床Y轴横向运动，将感应器靠近基圆位置，先对基圆进行预热，此时感应器基圆圆心和凸轮基圆圆心已不在一条垂线上，待加热结束后感应器复位，同时喷淋圈快速移动到设定位置对凸轮进行冷却；由于临近效应的作用，工件上被加热区的形状与感应圈的形状相似[3]。

回火完成后，先用带锯将试验件凸轮轴的凸轮整个切下，然后用线切割机在凸轮的升程、桃尖以及基圆部分取出标准试样，经研磨、抛光和4%硝酸-酒精溶液侵蚀后，用金相显微镜对显微组织进行观察分析，再用显微硬度计进行硬度梯度检测。

3 试验结果与分析

3.1 硬度梯度和淬硬层均匀性分析

凸轮轴在中频感应淬火后，凸轮桃尖、升降程和基圆表面硬度均达到设计要求（＞60HRC），显微硬度测至550HV处作为淬硬层深度。凸轮中间和上下边缘（上下边缘处淬硬层深度基本一致，故取平均值）的检测结果见表2。

表2 淬硬层深度 （mm）

中频感应加热时凸轮桃尖和感应器距离较近，初始加热方式为透入式加热，加热速度快，工件表面过热度小[4]，可扩大奥氏体转变温度范围区间，缩短转变所需时间，同时进气凸轮相对较尖，电流在桃尖处集中，此时凸轮升降程和基圆还未到奥氏体化温度。随着持续加热，桃尖的温度超过居里点，失去磁性，加热方式转变成透入式加热和传导式加热并存，再加上趋肤效应，最终导致桃尖部分淬硬层深度大于其他部位。

1#凸轮的桃尖边缘淬硬层深度均达到8.1m m时，升降程的淬硬层深度分别为3.9mm和3.6mm，勉强达到了3.5mm的工艺要求，且凸轮淬硬层均匀性较差。继续降低扫描速度、增加加热时间后，2#凸轮升降程的淬硬层深度分别增加了1.3m m和2.4mm，但是桃尖部分的淬硬层，尤其是边缘已远超出了8.5mm的工艺要求上限。

3.2 金相组织分析

1#凸轮感应淬火金相组织如图1所示，3#凸轮感应淬火金相组织如图2所示。按JB/T 9204—2008《钢件感应淬火金相检验》规定，中频感应淬火金相组织3～7级为合格，以6级为最佳。

图2 3#凸轮感应淬火金相组织（500×）

在有效硬化层表层处检验，由于加热速度较快，再加上原始组织主要为回火索氏体，碳化物细小且分布均匀，从而在桃尖和升程表面获得极细小的隐晶马氏体，残留奥氏体数量较少，级别为6级；基圆部分趋肤效应不明显，加热速度较慢，使得奥氏体化形核率和长大速率均受到影响，晶粒未得到充分细化，马氏体级别为5级。

整体上看，1#和3#两种方案得到的淬硬层金相组织相近，无太大区别。

4 淬硬层不均匀产生原因

1）法兰盘尺寸过大，其直径大于凸轮的最大回转半径（见图3～图5），因而感应器在设计时首先要能通过法兰盘，从而不能很好的贴合凸轮表面型线，一定程度上降低了仿形感应器的加热效率。

图3 1#凸轮剖面

图4 凸轮轴结构示意

图5 感应器

2）由于基圆部分相对基体凸出的尺寸只有2mm，因此趋肤效应相对较差，能量被基体吸收，温度升高，因此基圆两侧的基体上存在很明显的热感应区。

3）凸轮升降程部分为负曲率，影响了磁感线的分布，进一步导致表面温度场分布不均匀。

以上三方面的综合作用，造成了凸轮淬硬层不均匀。需要解决的问题就是在增加凸轮升降程淬硬层深度的同时，还要控制桃尖部分的淬硬层深度不超过上限。

5 淬硬层分布不均匀主要影响因素

淬硬层分布不均匀的主要影响因素就是凸轮表面温度分布不均匀。预热后空冷一段时间，热量由表面向内部扩散，同时表面的热量由温度高的区域向温度低的区域扩散，提高了基体温度，不仅缩小了中频感应加热时桃尖和升降程之间的温差，同时也减小了凸轮中间和边缘的温差。

提高奥氏体化温度可以使晶粒长大，奥氏体更加均匀化，从而降低了贝氏体和珠光体的形核率，也降低了临界冷却速度，一定程度上提高了淬透性。而经过奥氏体加热后，失磁层与未失磁层之间的温度梯度由于预热时热量的扩散而降低，因此界面前沿的热量扩散速度下降，透热深度内的降温速度更慢，最终使凸轮升降程部位的表面加热层比预热时要厚。

奥氏体化加热完成后，空冷一段时间，最表层的热量一部分向内扩散，另一部分向外辐射，由于边缘处温度更高，因此向四周辐射的热量更多，再加上向内的热传导，造成边缘处降温速度高于中间部位，最外层的降温速度远高于内层，此时表面温度开始低于内层，从而导致在电流透入深度范围内，热量从内层向最外层扩散。由于经过预热后，温度梯度较平缓，且电流透入深度范围内的热量非常高，因此淬火效果在空冷后并未造成太大影响，喷淋冷却后，淬硬层更加均匀。由于表面到心部的温度梯度降低，因此表面的应力状态同时得到改善，从而减小了淬裂的概率[5，6]。

6 结束语

采用仿形感应器对大功率负曲率凸轮轴进行“预热-空冷-中频感应加热-空冷-喷淋冷却”的中频感应淬火效果明显好于直接“加热-冷却”的方式，凸轮轴淬硬层均匀性改善明显，且表面应力状态也得到改善，减少了表面硬度不均匀和开裂的概率。