一种内燃机凸轮轴用锻制圆钢及热处理工艺的制作方法

本发明涉及凸轮轴热处理，尤其是一种内燃机凸轮轴用锻制圆钢及热处理工艺。

背景技术：

1、凸轮轴是内燃机零部件中的一个重要结构件，它的作用是控制气门的开启和闭合动作。凸轮轴在高速旋转时，凸轮表面受到循环应力的作用产生磨损，严重时会造成表层脱落。目前内燃机凸轮轴图纸多选用的是德国cf53钢，cf53钢的表面硬度，耐磨性，疲劳强度和心部韧性均有很高的要求，但该材料成本较高，且国内无替代牌号。根据国家标准gb/t699-1988，50钢和55钢的成分和cf53钢相近，但淬透性较低，水中临界直径为13*30mm左右，且水淬时有开裂倾向，经过820℃正火，820℃淬火和600℃回火后，以及德国曼公司的materia l datasheet文件中对直径100mm的cf53v+hj钢(未标出ni,cr,cu的含量)经过820℃正火，845℃淬火，660℃回火和中频后；圆钢直径25mm的50钢和55钢的屈服强度、抗拉强度以及硬度均不如圆钢直径cf53钢。

2、发明人发现，50钢和55钢的试样直径仅25mm，50#钢的强度指标和55#的塑性指标均低于cf53钢；当前凸轮轴毛坯直径100mm，若将50钢和55钢试样直径也加工到100mm，淬火性能变差；回火温度提高至660℃后，则抗拉强度和屈服强度会进一步下降，更加无法满足当前凸轮轴的材质要求。虽然凸轮轴图纸上没有机械性能要求，但是由于材料成分、淬透性和性能等材料本身的原因，采用50钢加工的凸轮轴，在数次中频淬火试验后(淬火液采用好富顿aq255淬火液，冷却速度低于清水)，凸轮表面硬度检测始终有低于图纸要求58hrc的点，不合格的检测数值分布在56hrc-58hrc之间；采用55钢则因含碳量较高，淬裂风险太大，且淬硬层接近图纸要求的下限，因此这两种材料不能完全满足该型号内燃机凸轮轴用钢的设计要求。通过试验证明，采用高合金钢50crmoa虽然满足图纸要求，但是成本太高。因此需要一种价格较低且能满足凸轮轴中频淬火要求的锻制圆钢。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种内燃机凸轮轴用锻制圆钢及热处理工艺，在cf53钢的基础上适当增加了提高淬透性的元素的含量，同时中频采用预冷淬火，不仅能满足图纸要求，还能降低淬裂倾向，提高表面疲劳强度。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，一种内燃机凸轮轴用锻制圆钢，以质量百分数计，其化学成本包括：

4、c：0.5-0.57％；s i：0.15-0.35％、mn：0.4-0.7％；p：≤0.025％；s：≤0.035％；

5、n i：≤0.25％；cr：≤0.25％；cu：cu≤0.30％；余量为fe和不可避免的杂质元素。

6、2.根据权利要求1所述的一种内燃机凸轮轴用锻制圆钢，其特征在于，所述s i元素与所述mn元素的百分比含量与cf53钢的s i元素与mn元素百分比含量相同。

7、作为进一步的实现方式，所述s i元素与所述mn元素的百分比含量与cf53钢的s i元素与mn元素百分比含量相同。

8、作为进一步的实现方式，所述cu元素的百分比含量≤0.25％。

9、第二方面，一种内燃机凸轮轴用锻制圆钢的热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

10、退火工艺：钢材经840℃-880℃退火保温2.5-3h后，随炉冷却至200℃以下出炉空冷；

11、淬火工艺：钢材经粗加工形成凸轮轴毛坯后加热至830℃-850℃后保温2.5-3h，出炉水冷至300℃以下；

12、回火工艺：凸轮轴毛坯淬火冷却后，回火加热至650℃-660℃后保温2.5-3h，出炉水冷至200℃以下；

13、中频工艺：凸轮轴经过精加工后再进行中频淬火，选用仿形感应器并采取预冷淬火的方式，加热时对前一个凸轮进行冷却保护，避免退火，淬火加热后等待3-5s，再喷淋冷却。

14、作为进一步的实现方式，退火工艺：钢材经840℃退火保温150min后，随炉冷却至200℃以下出炉空冷，表面硬度196hbw；

15、淬火工艺：钢材经粗加工形成凸轮轴毛坯后加热至830℃后保温150min，出炉水冷至300℃以下；

16、回火工艺：凸轮轴毛坯淬火冷却后，回火加热至650℃后保温150min，出炉水冷至200℃以下；

17、中频工艺：凸轮轴经过精加工后再进行中频淬火，选用仿形感应器并采取预冷淬火的方式，加热时对前一个凸轮进行冷却保护，避免退火，淬火加热至表面温度大约880℃左右，凸轮呈现亮橘黄色时，等待3秒，然后喷淋冷却。

18、作为进一步的实现方式，退火工艺：钢材经860℃退火保温165min后，随炉冷却至200℃以下出炉空冷，表面硬度188hbw；

19、淬火工艺：钢材经粗加工后形成凸轮轴毛坯后加热至840℃后保温165min，出炉水冷至300℃以下；

20、回火工艺：凸轮轴毛坯淬火冷却后，回火加热至655℃后保温165min，出炉水冷至200℃以下；

21、中频工艺：凸轮轴经过精加工后再进行中频淬火，选用仿形感应器并采取预冷淬火的方式，加热时对前一个凸轮进行冷却保护，避免退火，淬火加热至表面温度大约880℃左右，凸轮呈现亮橘黄色时，等待4秒，然后喷淋冷却。

22、作为进一步的实现方式，退火工艺：钢材经880℃退火保温180min后，随炉冷却至200℃以下出炉空冷，表面硬度187hbw；

23、淬火工艺：钢材经粗加工形成凸轮轴毛坯后加热至850℃后保温180min，出炉水冷至300℃以；

24、回火工艺：凸轮轴毛坯淬火冷却后，回火加热至660℃后保温180min，出炉水冷至200℃以下；

25、中频工艺：凸轮轴经过精加工后再进行中频淬火，选用仿形感应器并采取预冷淬火的方式，加热时对前一个凸轮进行冷却保护，避免退火，淬火加热至表面温度大约880℃左右，凸轮呈现亮橘黄色时，等待5秒，然后喷淋冷却。

26、作为进一步的实现方式，所述钢材采用电炉+真空精炼方法冶炼。

27、作为进一步的实现方式，所述退火、淬火和回火工艺中将加热速度控制在60℃-90℃/h，保温时间根据钢材直径确定。

28、作为进一步的实现方式，钢材需先检验钢材奥氏体晶粒度，同一炉次任抽一支从帽口端取样，晶粒度≥5级合格。

29、上述本发明的有益效果如下：

30、1.本发明凸轮轴用锻制圆钢为满足中频工艺要求，从而适当提高淬透性，在cf53钢的基础上适当增加了提高淬透性的元素的含量，不仅能满足图纸要求，还能降低淬裂倾向，提高表面疲劳强度。

31、2.本发明选用仿形感应器并采取预冷淬火的方式，经过预冷后，凸轮表面热量经过扩散传导和向空气释放，温度差更小，内层的温度几乎不受影响，因而磨削后表面硬度依然满足图纸要求，且淬硬层分布也会更均匀。由于表面形成压应力，也有利于提高疲劳强度。