凸轮轴渗碳淬火技术研究

陕西柴油机重工有限公司 （713105） 王 频 兰忠杰

凸轮表面要求耐磨，对凸轮轴本身则要求有足够的韧性和刚度，在工作中要求变形最小。本试验选择渗碳钢，渗碳件的表面碳含量（质量分数）可在0.6%～1.1%间变化，一般认为渗碳层中有适量的碳化物存在才能有高的耐磨性。近年来国内外的研究表明，对于一般低合金渗碳钢，表面碳含量为0.8%～1.0%时可获得最佳性能。因此，本试验采用的是16MnCr5渗碳钢，经渗碳淬火后能达到高的耐磨性。

1.16MnCr5凸轮轴试验过程

16MnCr5凸轮轴主要工序名称：下料→机加工→渗碳→机加工→淬火→机加工。

（1）渗碳过程 采用160 k W渗碳炉，（930±5）℃控制碳势到达0.9%起计算，渗碳时间27～30h，随炉放入吊样2件，渗碳27h出一吊样，根据吊样层深决定渗碳时间，渗碳结束后断电、停丙酮、鼓风、降温，待上区炉温降至650℃以下时，出炉空冷。检验有效渗碳层深度、金相组织及表面含碳量（φ20mm×50mm试样0.3mm处，碳势0.75%～0.9%）、全长弯曲，然后进行校直（加热）即可。

（2）中频感应淬火过程 主要技术参数（以主轴颈为例）如下：加热时间为8s，冷却时间为40s，淬火冷却介质压力和浓度8%～10%的AQ251溶液，空载电压为350V，负载电压为350V，发电机电流或阳极电流为320～440A，功率因数为0.92～0.94，有效功率为70～120kW。技术要求：渗碳层深度为2.3～2.7mm，淬火层硬度为59～63HRC。淬火区域：3个轴颈以及8个凸轮。

2.具体操作及调试过程

具体渗碳过程中，由于甲醇、丙酮滴量的控制，以及其他一些不可避免的人为因素的影响，致使此次渗碳持续43h才保证渗碳层深达到2.7mm工艺要求，表面含碳量0.3mm处碳浓度为0.89%，组织正常。然后按照正常工艺参数进行后续中频感应淬火操作，轴颈及凸轮各有一处硬度为55～57HRC，然后进行试验。

在工艺允许范围内调整中频感应淬火参数进行调试，硬度均不能达到所要求的59～63HRC，其硬度梯度如图1所示。将凸轮轴的凸轮切样在盐浴中进行淬火处理，硬度为59～61.5HRC。将凸轮轴切样在井式渗碳炉中进行整体加热淬火处理，硬度为59～61HRC。

图1 渗碳淬火后硬度随距表面距离变化的曲线

将渗碳后的凸轮轴切样再次进行碳含量测定及金相组织观察，碳含量：1.15%，主轴颈渗层组织：珠光体+网状碳化物（0.8mm）表面脱碳层0.05mm；凸轮渗层组织：回火马氏体+粒状碳化物，表面脱碳层0.05mm，金相组织5级。说明前面碳含量的测定有误差，因此对前面的调试造成一定的偏差。

由于渗碳浓度偏高，因此降低感应淬火电压50V，对淬火温度进行重新调试，硬度为59～62H R C，但是经过检验主轴颈层深0.5～2.5mm，凸轮轴层深约为1.5mm，组织中存在残留奥氏体及网状碳化物。对同炉渗碳的凸轮轴，进行800℃退火3～4h，然后按照正常的工艺参数进行中频感应淬火试验，结果显示层深2.7mm组织正常，其淬火后的硬度梯度如图2所示。

图2 退火后中频感应淬火硬度随表面距离变化的曲线

3.试验结果原因分析

当碳含量为1.15%时，在工艺范围内调整参数不能使其硬度达到所需要的范围，而通过较大幅度降低电压、功率，延长保温时间，降低中频感应淬火温度，从而使硬度达到要求。

结合图1可知，硬度曲线呈现先下降再上升然后缓慢下降趋势，距表面0.6mm硬度明显不足，可知渗碳浓度曲线同时也是呈现先下降后上升然后缓慢下降的趋势，渗碳过程没有严格控制，造成表面脱碳，表层以下渗碳不均匀的现象。这种碳含量梯度曲线，不仅会使表面硬度降低，而且会产生不理想的残留应力分布。由于钢的马氏体点Ms随碳含量的升高而下降，所以表面下的高碳带将会最后转变为马氏体，从而在表面层造成残留压应力。采用正常参数进行淬火时，温度过高，加热时间过短，碳原子得不到充分的扩散，淬火后残留奥氏体过多，硬度达不到要求。

渗碳后经过800℃保温3～4h，按照正常的中频感应淬火工艺参数进行试验后，硬度和层深都达到所需要求。

16MnCr5渗碳钢奥氏体化温度约为750℃，由于长时间保温，碳原子能够得到充分的扩散。碳原子向内部扩散的同时也向表层扩散，弥补了表层脱碳的缺陷，在经过中频感应淬火后，硬度层深满足要求。（20131016）