CN101476029B - 柴油机凸轮热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柴油机凸轮热处理方法，包括渗碳步骤、淬火步骤和回火步骤，本发明渗碳结束后采用坑冷的冷却方法，减小凸轮由于热处理过程而产生的变形，采用两次碱浴淬火，减小热应力及变形的同时，在凸轮的第一次淬火过程中，可以达到细化心部晶粒，消除网状碳化物的作用，保证金相要求，在凸轮的第二次淬火过程中，确保表面得到隐晶马氏体、残余奥氏体及部分颗粒碳化物，以达到凸轮表面的硬度、耐磨性、接触疲劳强度等性能要求；同时使凸轮心部获得板条马氏体和细小均匀的铁素体，提高了心部的机械性能；本发明使凸轮热的硬度、耐磨性、疲劳强度、心部的机械性能和变形量都能达到设计要求，制造出的凸轮可广泛应用在大型重载机械设备中。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属配件的热处理方法，特别是一种柴油机凸轮热处理方法。
背景技术
凸轮是柴油机配气机构的关键配件，在柴油机运行过程中，凸轮与滚轮接触作旋转运动，接触面之间具有频率较高的周期性接触应力，并且摩擦副之间具有较快的相对滑动速度，因此，要求凸轮的接触表面具有较高的硬度、较高的耐磨性和良好的接触强度，而心部则要求具有足够的韧性，否则凸轮与滚轮的接触表面会出现擦伤、点蚀及快速磨损等失效形式，出现以上失效形式对柴油机运行的可靠性、经济性和环保有决定性的影响。
现有技术中，为使凸轮的接触表面具有较高的硬度、较高的耐磨性和良好的接触强度，心部具有足够的韧性，凸轮能达到性能要求，凸轮一般采用低合金钢材料制成，并进行热处理，以提高凸轮的上述力学性能。而现有的凸轮热处理工艺普遍存在淬火变形较大、表面硬度不均匀，疲劳强度低和凸轮心部机械性能差等问题。
因此，需要一种凸轮热处理工艺，能够解决淬火变形较大、表面硬度不均匀，疲劳强度低和凸轮心部机械性能差的问题，能够使凸轮的接触表面硬度均匀并且具有较高的硬度、较高的耐磨性和良好的接触强度，心部具有足够的韧性。
发明内容
本发明的目的是提供一种柴油机凸轮热处理方法，能够解决淬火变形较大、表面硬度不均匀，疲劳强度低和凸轮心部机械性能差的问题，能够使凸轮的接触表面硬度均匀并且具有较高的硬度、较高的耐磨性和良好的接触强度，心部具有足够的韧性。
本发明的柴油机凸轮热处理方法，包括渗碳步骤、淬火步骤和回火步骤，
a.渗碳步骤：将凸轮放入温度为750～770℃的环境中，升温至930～950℃的渗碳温度，渗碳气体为吸热型可控气体和甲烷，渗碳完成后将凸轮进行坑冷，坑冷采用将凸轮放入充满惰性保护气体的容器中冷却的方式；当凸轮温度冷却至480～520℃后进行空冷，将空冷后的凸轮在610～650℃的温度下进行5～7小时的高温回火；
b.淬火步骤：将完成步骤a的凸轮在860℃～880℃的温度下保温130～140min后，进行第一次碱浴淬火，凸轮温度降至130～150℃取出，将凸轮在800℃～820℃的温度下保温130～140min后，进行第二次碱浴淬火，当凸轮温度降至130～150℃取出；碱浴介质为NaOH、KOH和H2O的混合溶液，该混合溶液中NaOH、KOH和H2O的质量比为7∶2∶1；
C.回火步骤：将完成步骤b的凸轮在170～180℃的温度下进行3～5小时的回火处理。
进一步，步骤a中，渗碳过程中，碳势控制在1.1～1.3％，当渗碳达到85～91％时，将碳势降至0.7～0.9％进行扩散处理，渗碳至2.5～2.7mm时渗碳完成；
进一步，步骤a中，渗碳温度为940～950℃，凸轮进行坑冷冷却至500℃后进行空冷；
进一步，步骤b中，第一次碱浴淬火温度为870℃，第二次淬火温度为810℃。
进一步，步骤a的渗碳气体中吸热型可控气体为97-95％，甲烷为3-5％，吸热型可控气体与甲烷的配比关系是公知技术，已被通常使用。吸热型可控气体中有N2、H2、CO、H2O和CO2，这些气体之间的配比关系是行业也确定的比例，也被公知公用。
本发明的有益效果是：本发明的柴油机凸轮热处理方法，渗碳结束后采用坑冷的冷却方法，减小了热应力，减小凸轮由于热处理过程而产生的变形，进行碱浴淬火，减小热应力及变形；采用两次淬火以取代传统的淬火工艺，在凸轮的第一次淬火过程中，可以达到细化心部晶粒，消除网状碳化物的作用，保证金相要求，在凸轮的第二次淬火过程中，确保表面得到隐晶马氏体、残余奥氏体及部分颗粒碳化物，以达到凸轮表面的硬度、耐磨性、接触疲劳强度等性能要求；同时使凸轮心部获得板条马氏体和细小均匀的铁素体，提高了心部的机械性能；本发明不仅使凸轮热处理后的硬度、耐磨性、疲劳强度及心部的机械性能等都达到设计要求，硬度可达到HRc(58-64)，而且凸轮的变形量也控制在较小的范围内。
坑冷在充满惰性保护气(比如N2)的容器内进行可以避免凸轮表面的氧化，防止脱碳，因而可以有效地提高凸轮的性能参数，并减小变形。
本发明的热处理方法制造出的凸轮可广泛应用在大型重载机械设备中，特别适用于船用大功率低速柴油机上。
具体实施方式
以下实施例中，渗碳过程是在电加热炉中进行的，淬火是在碱浴槽中进行的。
实施例一
本实施例的柴油机凸轮热处理方法包括渗碳步骤、淬火步骤和回火步骤，
a.渗碳步骤：将凸轮放入温度为750℃的环境中，升温至930℃的渗碳温度，渗碳气体为吸热型可控气体和甲烷的混合气体，其中吸热型可控气体96％和甲烷4％，吸热型可控气体中含有N2、H2、CO、H2O和CO2；渗碳过程中，碳势控制在1.1％左右，当渗碳达到85％左右时，将碳势降至0.7％左右进行扩散处理，渗碳至2.5mm时渗碳完成；渗碳完成后将凸轮进行坑冷，坑冷采用将凸轮放入充满惰性保护气体的容器中冷却的方式；当凸轮温度冷却至480℃后进行空冷，将空冷后的凸轮在610℃的温度下进行5小时的高温回火。
b.淬火步骤：将完成步骤a的凸轮在860℃的温度下保温130min后，进行第一次碱浴淬火，凸轮温度降至130℃取出，将凸轮在800℃的温度下保温130min后，进行第二次碱浴淬火，当凸轮温度降至130℃取出；碱浴淬火的碱浴介质为NaOH、KOH和H2O的混合溶液，混合溶液中NaOH、KOH和H2O的质量比为7∶2∶1。采用本浓度的碱溶液进行碱浴淬火，使降温速度得到良好控制，从而使凸轮变形量减小。
C.回火步骤：将完成步骤b的凸轮在170℃的温度下进行3小时的回火处理。
本实施例处理后的凸轮机械性能如下表：
| 残余奥氏体比例(％) | 最大变形量(mm) | 表面硬度(HRC) | 屈服极限(MPa) | 断面收缩率(％) | 冲击韧性(J/cm<sup>2</sup>) | 拉伸强度(MPa) |
| 10 | 0.26 | 61.25 | 745 | 62 | 105.5 | 985 |
实施例二
本实施例的柴油机凸轮热处理方法包括渗碳步骤、淬火步骤和回火步骤，
a.渗碳步骤：将凸轮放入温度为770℃的环境中，升温至950℃的渗碳温度，渗碳气体为吸热型可控气体和甲烷的混合气体，其中有95％的吸热型可控气体和5％的甲烷，吸热型可控气体中含有N2、H2、CO、H2O和CO2；渗碳过程中，碳势控制在1.3％左右，当渗碳达到91％左右时，将碳势降至0.9％左右进行扩散处理，渗碳至2.7mm时渗碳完成；渗碳完成后将凸轮进行坑冷，坑冷采用将凸轮放入充满惰性保护气体的容器中冷却的方式；当凸轮温度冷却至520℃后进行空冷，将空冷后的凸轮在650℃的温度下进行7小时的高温回火。
b.淬火步骤：将完成步骤a的凸轮在880℃的温度下保温140min后，进行第一次碱浴淬火，凸轮温度降至150℃取出，将凸轮在820℃的温度下保温140min后，进行第二次碱浴淬火，当凸轮温度降至150℃取出；碱浴淬火的碱浴介质为NaOH、KOH和H2O的混合溶液，混合溶液中NaOH、KOH和H2O的质量比为7∶2∶1。采用本浓度的碱溶液进行碱浴淬火，使降温速度得到良好控制，从而使凸轮变形量减小。
C.回火步骤：将完成步骤b的凸轮在180℃的温度下进行5小时的回火处理。
本实施例处理后的凸轮机械性能如下表：
| 残余奥氏体比例(％) | 最大变形量(mm) | 表面硬度(HRC) | 屈服极限(MPa) | 断面收缩率(％) | 冲击韧性(J/cm<sup>2</sup>) | 拉伸强度(MPa) |
| 13 | 0.17 | 63.2 | 765 | 67 | 112.5 | 997 |
实施例三
本实施例的柴油机凸轮热处理方法包括渗碳步骤、淬火步骤和回火步骤，
a.渗碳步骤：将凸轮放入温度为760℃的环境中，升温至940℃的渗碳温度，渗碳气体为吸热型可控气体和甲烷的混合气体，其中包括97％的吸热型可控气体和3％的甲烷，吸热型可控气体中有N2、H2、CO、H2O和CO2；渗碳过程中，碳势控制在1.2％左右，当渗碳达到88％左右时，将碳势降至0.8％左右进行扩散处理，渗碳至2.6mm时渗碳完成；渗碳完成后将凸轮进行坑冷，坑冷采用将凸轮放入充满惰性保护气体的容器中冷却的方式；当凸轮温度冷却至500℃后进行空冷；将空冷后的凸轮在630℃的温度下进行6小时的高温回火；
b.淬火步骤：将完成步骤a的凸轮在870℃的温度下保温135min后，进行第一次碱浴淬火，凸轮温度降至140℃取出，将凸轮在810℃的温度下保温135min后，进行第二次碱浴淬火，当凸轮温度降至140℃取出；碱浴淬火的碱浴介质为NaOH、KOH和H2O的混合溶液，混合溶液中NaOH、KOH和H2O的质量比为7∶2∶1，采用本浓度的碱溶液进行碱浴淬火，使降温速度得到良好控制，从而使凸轮变形量减小。
C.回火步骤：将完成步骤b的凸轮在175℃的温度下进行4小时的回火处理。
| 残余奥氏体比例(％) | 最大变形量(mm) | 表面硬度(HRC) | 屈服极限(MPa) | 断面收缩率(％) | 冲击韧性(J/cm<sup>2</sup>) | 拉伸强度(MPa) |
| 10 | 0.25 | 62.15 | 747 | 61.8 | 109.3 | 987.2 |
由以上实施例中的表格中数据可以看出，本发明不仅使凸轮热处理后的表面硬度、耐磨性、疲劳强度及心部的机械性能等都达到设计要求，而且凸轮的变形量也控制在较小的范围内；甚至表面硬度可达到HRc63以上，从数据上看，以上实施例中，采用实施例二进行热处理所得到的凸轮性能指标最佳，各项机械性能指标大大超出各工艺指标范围内的其它工艺指标，解决了本行业内的凸轮综合机械性能达不到要求的技术难点。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种柴油机凸轮热处理方法，包括渗碳步骤、淬火步骤和回火步骤，其特征在于：
a.渗碳步骤：将凸轮放入温度为750～770℃的环境中，升温至930～950℃的渗碳温度，渗碳气体为吸热型可控气体和甲烷，渗碳完成后将凸轮进行坑冷，坑冷采用将凸轮放入充满惰性保护气体的容器中冷却的方式；当凸轮温度冷却至480～520℃后进行空冷，将空冷后的凸轮在610～650℃的温度下进行5～7小时的高温回火；
b.淬火步骤：将完成步骤a的凸轮在860℃～880℃的温度下保温130～140min后，进行第一次碱浴淬火，凸轮温度降至130～150℃取出，将凸轮在800℃～820℃的温度下保温130～140min后，进行第二次碱浴淬火，当凸轮温度降至130～150℃取出；碱浴介质为NaOH、KOH和H2O的混合溶液，该混合溶液中NaOH、KOH和H2O的质量比为7∶2∶1；
C.回火步骤：将完成步骤b的凸轮在170～180℃的温度下进行3～5小时的回火处理。
2.根据权利要求1所述的柴油机凸轮热处理方法，其特征在于：步骤a中，渗碳过程中，碳势控制在1.1～1.3％，当渗碳达到85～91％时，将碳势降至0.7～0.9％进行扩散处理，渗碳至2.5～2.7mm时渗碳完成。
3.根据权利要求1所述的柴油机凸轮热处理方法，其特征在于：步骤a中，渗碳温度为940～950℃，凸轮进行坑冷冷却至500℃后进行空冷。
4.根据权利要求1所述的柴油机凸轮热处理方法，其特征在于：步骤b中，第一次碱浴淬火温度为870℃，第二次淬火温度为810℃。
5.根据权利要求1所述的柴油机凸轮热处理方法，其特征在于：步骤a的渗碳气体中吸热型可控气体为97-95％，甲烷为3-5％，吸热型可控气体中有N2、H2、CO、H2O和CO2。
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