作者：贠军朝，申世坤，张宗利
单位：陕西柴油机重工有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
本次工艺试验是在现有生产条件下，对基圆半径为R80mm的凸轮轴，采用仿形感应器，在国产KGPS（F）-250kW中频电源和GCLS-1500CNC数控淬火机床上对喷油凸轮轴段、进排气凸轮轴段的凸轮型面进行感应淬火。通过对感应器、工艺过程控制优化，解决了淬硬层深度不均匀（升程顶层深过深，基圆层深过浅）、过渡区软带、升程顶部过热开裂等问题。
一、零件技术要求
（1）化学成分 凸轮轴的零件材料是50CrMo4（德国牌号1.7228），其化学成分如表1所示。
（2）凸轮轴淬火技术要求 凸轮型面淬硬层深度5.5～8.5mm，表面硬度60～64HRC。感应淬火的淬硬层深度和表面硬度随频率、单位面积的功率损耗、感应器的形状和尺寸、被处理零件的材质和形状及尺寸、处理前的基体组织、加热方式、加热时间、冷却剂的种类和冷却方法等主要因素而改变。通常在进行凸轮轴凸轮型面感应淬火时，存在凸轮桃尖淬硬层深度过深、凸轮基圆处淬硬层深度较浅；凸轮升、降程区域易出现软带、淬硬层深度不均匀及淬裂等质量问题。为此，我们采取以下措施，解决上述可能出现的问题。感应器的结构主要包括感应器有效圈内径尺寸（决定与工件间的间隙）、高度、喷水角度。根据零件形状，公司委托感应器专业制造厂家制作专用仿形感应器，特别对感应器基圆部位的两侧增加高度约4mm；确保有效圈与零件间隙在5～6mm（见图1）。通过对感应器内侧间隙、高度的改进设计，提高了感应器加热均匀性，有效保证了淬硬层深度。
图1 感应器结构
凸轮轴加热电源频率的选择，主要取决于凸轮的几何形状和加热层深度。感应加热时，一旦表面被加热，热量迅速由表面传导至工件内部。加热的实际深度由加热时间、功率密度以及频率来决定。电流透入工件表层的深度，主要与电流频率有关。结合试验用设备实际状况，考虑到淬硬层深度较深，感应加热以传导方式进行，根据零件技术要求，加热层深度和所用设备频率的关系，频率选用4.5～5.5kHz。根据工件结构形状，电源输出端变压器的变压比取14：1。工艺优化后，中频电压550～600V，直流电压475～500V，直流电流220～240A，功率90～100kW。原工艺选用的电压、电流较高，导致局部过热，个别零件甚至出现开裂。（1）加热定位 由于凸轮轴加热淬火必须精确控制加热位置，所以对机械加工中工件两端的顶尖孔的要求也比较高。如果顶尖孔的形状、深度不规范，直接影响感应加热定位位置而影响淬火质量。（2）感应器与工件间隙 淬火时，凸轮采用竖直放置，我们对感应器基圆部位两侧进行加高4mm高度的优化设计，并对感应器有效圈与零件的轴向及径向间隙合理控制。感应器与凸轮桃尖间隙由原来的7.5mm调整为10mm，感应器与凸轮升降程部间隙由原来的6mm调整为4.5mm，感应器凸轮基圆部间隙由原来的7.5mm调整为5mm，从而使凸轮加热温度趋于均匀，避免了淬硬层深度差距过大和过渡区软带的质量问题。（3） 介质冷却 若淬火冷却介质浓度、温度、冷却时间、喷射角度及喷液压力控制不当，易引起零件淬火开裂、软带及棱角处剥落等质量缺陷。通过试验，我们使用浓度为10%～12%的AQ251水溶性淬火介质，使用温度为20～30℃，喷液压力1.2MPa，有效消除了上述缺陷。将感应淬火后的凸轮轴沿凸轮型面的横截面进行线切割，并按照凸轮桃尖、升程、基圆、降程等部位进行轴向切样，磨去线切割影响层，再经3%～5%的硝酸酒精腐蚀，感应淬火硬化层轮廓如图2所示，硬化层深度（硬度法）及表面硬度检测如表2所示。淬火后的凸轮轴淬硬层深度符合工艺要求，层深均匀且未发现软带。
图2 硬化层的轮廓
感应淬火后在1h内进行第1次低温回火，冷至室温后再进行第2次回火。两次低温回火工艺为140℃×4.5h，空冷；低温回火是为了降低淬火应力，防止开裂。淬火后的凸轮轴未发现棱角过热及开裂现象，经过磁粉探伤，未发现缺陷磁痕。结果表明，通过淬火工艺的改进，基本解决了凸轮轴中频感应淬火中的质量问题。（1）通过感应器结构优化和精确控制加热位置，能够在提高基圆处淬火温度和淬硬层深度的同时，降低了凸轮桃尖部的淬火温度和淬硬层深度，有效保证了淬硬层深度。（2）通过合理控制感应器有效圈与零件的轴向及径向间隙，从而使凸轮加热温度趋于均匀，避免了因凸轮加热时升程顶部与基圆部位温度差过大而引起的基圆与凸轮升程部位淬硬层深度差距过大和过渡区软带的质量问题。（3）通过有效控制淬火冷却介质浓度、温度、冷却时间及喷液压力，减少了零件淬火开裂、软带及棱角处剥落等质量缺陷。《金属加工（热加工）》杂志热处理栏目投稿范围：前沿金属材料研究，先进、实用的热处理工艺和技术，整体热处理，热处理装备的开发，淬火冷却技术，材料检测与分析，热温测量与控制，零件失效分析等。
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