正火工藝對Cf53鋼制凸輪軸力學(xué)性能的影響

羅長增，白忠坤，王志超，翟文強，張吉賢

濰柴動力股份有限公司內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點試驗室 山東濰坊 261061

1 序言

凸輪軸是內(nèi)燃機(jī)配氣機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵零件之一，用于控制氣門按一定的工作次序和配氣相位及時開閉，并保證氣門有足夠的升程，對整個配氣系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。在四沖程發(fā)動機(jī)中凸輪軸的轉(zhuǎn)速是曲軸的1/2，因此凸輪軸的轉(zhuǎn)速很高，需要承受很大的轉(zhuǎn)矩。工作時凸輪表面與搖臂或挺柱之間有很高的周期性接觸應(yīng)力和較快的相對滑動速度，這就要求凸輪軸有足夠的韌性和剛度，凸輪表面有良好的耐磨性和抗沖擊性能[1]。

2 研究背景

M機(jī)型的產(chǎn)品屬于船用大型柴油機(jī)，該產(chǎn)品機(jī)型凸輪軸材料使用的是Cf53鋼，在凸輪軸前期本體拉伸性能測試過程中出現(xiàn)屈服強度偏低的現(xiàn)象，供方調(diào)整熱處理工藝后出現(xiàn)屈服強度合格、抗拉強度偏低的問題（見表1）。另外，在日常生產(chǎn)中Cf53鋼（相當(dāng)于55鋼）凸輪軸一直存在硬度偏低（＜200 HBW）的問題。

表1 Cf53鋼凸輪軸力學(xué)性能測試

針對以上存在的質(zhì)量問題，前期到M機(jī)型凸輪軸的供方公司生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行了調(diào)研分析，針對發(fā)現(xiàn)的問題提出了正火設(shè)備、正火溫度、冷卻速度等工藝參數(shù)調(diào)整的改進(jìn)措施，工藝調(diào)整方案見表2。本文針對生產(chǎn)工藝改進(jìn)后的Cf53鋼凸輪軸進(jìn)行本體材料的理化性能分析，研究正火工藝對凸輪軸用Cf53鋼力學(xué)性能的影響，為提高凸輪軸的綜合性能提供合理的工藝方案。

表2 Cf53鋼凸輪軸熱處理工藝調(diào)整方案

3 材料分析

3.1 化學(xué)成分

對凸輪軸進(jìn)行化學(xué)成分檢驗，結(jié)果見表3，符合Q/WCG 610.22《材料規(guī)范：鋼質(zhì)凸輪軸》（企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）要求。

表3 Cf53鋼凸輪軸化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)

3.2 力學(xué)性能

在理化實驗室的拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行室溫下拉伸性能測試（見圖1），并且檢測凸輪軸試棒的硬度。凸輪軸試棒的力學(xué)性能檢測結(jié)果見表4，檢測指標(biāo)均符合Q/WCG 610.22《材料規(guī)范：鋼質(zhì)凸輪軸》（企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）要求。工藝調(diào)整后的Cf53鋼凸輪軸力學(xué)性能測試結(jié)果與工藝調(diào)整前的測試結(jié)果對比（見表1），力學(xué)性能尤其是抗拉強度（Rm）得到大幅度提高。

圖1 拉伸性能測試

表4 凸輪軸本體的力學(xué)性能測試結(jié)果

3.3 本體金相組織

圖2a為使用4%硝酸酒精腐蝕后的M機(jī)型凸輪軸心部組織，在中心位置B存在一條顯示顏色完全不同的細(xì)長區(qū)域，直徑1.5 mm。金相組織形貌如圖2b所示，B區(qū)域的組織特征明顯不同于A區(qū)域，形成區(qū)域偏析。

圖2 凸輪軸心部腐蝕后宏觀組織和金相組織

圖3為M機(jī)型凸輪軸心部A區(qū)域的金相組織，按照GB/T 13320—2007《鋼質(zhì)模鍛件 金相組織評級圖及評定方法 》進(jìn)行金相顯微組織評定。心部組織為珠光體+鐵素體，晶粒均勻，組織評級2級，按照GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》評定奧氏體實際晶粒度8級，符合技術(shù)要求。

圖4為M機(jī)型凸輪軸心部B區(qū)域的金相組織，心部組織主要為珠光體，極少量的鐵素體組織分布，珠光體晶粒較均勻。

圖3 凸輪軸心部A區(qū)域金相組織

圖4 凸輪軸心部B區(qū)域金相組織

凸輪軸棒料心部區(qū)域為最后結(jié)晶的位置，聚集的C、S、P等元素含量較高。C f53鋼wC為0.52%~0.57%，心部成分偏析區(qū)域接近共析點成分，因此主要形成珠光體組織，僅形成極少量的鐵素體組織。中心偏析按照GB/T 1979—2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖》評定為1級，在技術(shù)要求許可范圍內(nèi)。

因此，凸輪軸心部的偏析區(qū)域需加以控制，應(yīng)提高鋼液的純凈度，采用合理的澆注工藝，并在棒料毛坯鍛軋時采用較大的鍛造比。由于嚴(yán)重的偏析會對鋼材質(zhì)量有顯著的影響，因此棒料進(jìn)廠檢驗時對偏析缺陷的檢驗，應(yīng)當(dāng)加以合理控制，保證坯料質(zhì)量。

3.4 表面感應(yīng)淬火層金相組織

凸輪桃尖、基圓和支撐軸頸（見圖5）的表面感應(yīng)淬火層深度、硬度檢測結(jié)果見表5，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。感應(yīng)淬火層的金相組織如圖6所示，按照QC/T 502—1999《汽車感應(yīng)淬火零件金相檢驗》進(jìn)行組織評定，組織為較細(xì)針狀馬氏體，評級為4級，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 凸輪和軸頸感應(yīng)淬火測試試塊

表5 凸輪軸感應(yīng)淬火層檢測結(jié)果

圖6 感應(yīng)淬火層金相組織

3.5 結(jié)論

經(jīng)過對工藝調(diào)整后的Cf53鋼M機(jī)型凸輪軸進(jìn)行理化分析，得出如下結(jié)論。

1）M機(jī)型凸輪軸化學(xué)成分符合要求。

2）提高正火冷卻速度，可以改善凸輪軸力學(xué)性能（抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率及硬度）。

3）M機(jī)型凸輪軸本體的金相組織符合要求，凸輪軸本體心部位置存在1級中心偏析區(qū)域，直徑1.5mm沿凸輪軸中心線分布。

4）M機(jī)型凸輪軸感應(yīng)淬火層的金相組織符合要求。

4 改善建議

1）供方將Cf53鋼M機(jī)型凸輪軸的正火工藝按照此次調(diào)整試制的工藝進(jìn)行固化，完善相關(guān)工藝文件。

2）棒料進(jìn)廠時對偏析缺陷的檢驗，應(yīng)當(dāng)加以合理控制，保證坯料質(zhì)量。