具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺.pdf

本发明公开了一种具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺，该工艺包括毛胚锻造、退火、粗加工、渗碳加高温回火、半精加工、淬火加低温回火以及精加工步骤，所述渗碳加高温回火步骤中，凸轮工件渗碳完成后，降低炉温至890～910℃，然后保温30～45分钟后进行淬油，快速冷却凸轮工件，将冷却后的凸轮工件放入610～650℃的炉温内进行高温回火，高温回火的回火时间为2～4小时。采用本发明的生产工艺制造的凸轮工件表面硬度大大提高，耐磨性也大大提高。本发明的生产工艺还可以进一步包括硫、氧化合处理步骤，提高凸轮工件的润滑性，降低凸轮工件表面的摩擦系数。

1.  具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺，该工艺包括毛胚锻造、退火、粗加工、渗碳加高温回火、半精加工、淬火加低温回火以及精加工步骤，其特征在于：所述渗碳加高温回火具体步骤如下：
(1)当炉温达到890～910℃时开炉，将凸轮工件放入炉中，当炉温重新升到740～760℃时向炉内持续滴甲醇，当炉温继续上升至840～860℃时在保持滴甲醛的同时开始持续滴入异丙醇以提升炉内的碳势，当炉温升到920～940℃的渗碳温度时，保持碳势为1.38％～1.40％，保持炉压6～8mL水柱开始强渗与扩散，渗碳过程持续约20～22小时；
(2)凸轮工件渗碳完成后，降低炉温至890～910℃，然后保温30～45分钟后进行淬油，快速冷却凸轮工件，将冷却后的凸轮工件放入610～650℃的炉温内进行高温回火，高温回火的回火时间为2～4小时。

2.  根据权利要求1所述的具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺，其特征在于：所述淬火加低温回火具体步骤如下：
将半精加工后的凸轮工件放入790～810℃的炉内保温40～50分钟，立即放入质量百分含量为8～10％的NaCL溶液中淬火，然后将淬火后的凸轮工件放入190～200℃的回火炉内回火两次，回火时间为每次4小时。

3.  根据权利要求2所述的具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺，其特征在于：所述NaCL溶液的质量百分含量为10％。

4.  根据权利要求1至3任一项所述的具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺，其特征在于：该工艺还包括除油步骤，将精加工后的凸轮工件放入沸腾的除油剂中除油。

5.  根据权利要求4所述的具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺，其特征在于：所述除油剂为NaOH、NaCO₃和H₂O三者的混合物，各组分质量比NaOH∶NaCO₃∶H₂O为50～60∶80～85∶950～1000。

6.  根据权利要求5所述的具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺，其特征在于：所述NaOH∶NaCO₃∶H₂O的质量比为60∶80∶1000。

7.  根据权利要求6所述的具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺，其特征在于：该工艺还包括硫、氧化合处理步骤，将除油后的凸轮工件放入离子设备中，抽真空至离子设备内的压力降至100～350Pa，然后随炉升温，设备内的温度升至190～200℃时通入H₂S和O₂的混合气体，保持850～1000V的电压电离气体，气体流量控制在1.2～1.5L/min进行离子化，保温2～3小时，炉冷后出炉。

8.  根据权利要求7所述的具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺，其特征在于：所述H₂S和O₂气体的体积比为3.0～3.2∶0.8～1.0。

9.  根据权利要求8所述的具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺，其特征在于：所述H₂S和O₂气体的体积比为3∶1。

具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺
技术领域
本发明涉及一种大型柴油机凸轮工件的生产工艺，具体是指一种具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件、滚轮工件的生产工艺。
背景技术
凸轮工件、滚轮工件是大型柴油机的重要部件，在柴油机设备中凸轮工件，滚轮工件的磨损失效状况经常发生，粘着磨损、接触疲劳磨损的失效在机械工程的失效中占很大比例。并且随着柴油机越来越大型化，强化程度越来越高，相应的凸轮工件、滚轮工件磨擦副的技术要求也更高。
现有技术中凸轮工件的生产工艺一般包括毛胚锻造、退火、粗加工、渗碳加高温回火、半精加工、淬火加低温回火以及精加工步骤，申请号为021450153的专利文献公开了低速柴油机凸轮的渗碳淬火方法，包括渗碳加高温回火、淬火加低温回火，其中渗碳加高温回火步骤中，渗碳条件是，渗碳剂为丙酮，稀释剂为甲醛，渗碳温度为930℃，在碳势为1.15％条件下保温，经24小时保温后，再在碳势为0.95％条件下保温7小时，然后在炉内冷却到850℃，最后出炉强风风冷；高温回火为渗碳后在650℃的炉内经过4.5小时的高温回火。
上述低速柴油机凸轮的渗碳淬火方法，由于碳势不高，使得凸轮工件表面渗碳层的含碳量不高，较低的含碳量无法保证凸轮工件在后序工艺中形成大量针状碳化物，而表面高含碳量与大量针状碳化物是保证凸轮工件的高硬度，高耐磨性的必要金相组织，上述专利申请中渗碳由于渗碳层的含碳不高，经淬火加低温回火后的渗碳层只能形成隐针马氏体+少量残余奥氏体的组织，不具有针状碳化物，凸轮工件的表面硬度只有58～62HRC，硬度不高、耐磨性不高，凸轮工件在使用过程中常常发生使用几小时便划伤或咬合，或经常在早期使用过程中快速磨损导致报废的现象发生。
如果常规工艺对凸轮工件也采用高碳势渗碳，又会出现新的问题，高碳势渗碳过程中由于碳化物的堆积，渗碳后冷却过程中会出现网状碳化物的析出，及渗碳层的含碳量降低，降低了凸轮工件的硬度和耐磨性，由此导致后续的淬火过程中将会产生过多的残余奥氏体，使得凸轮工件的硬度达不到要求，造成不合格产品或影响工件使用性能。
同时，现有技术中的凸轮工件润滑性能差，摩擦副的摩擦系数高，凸轮工件在跑合阶段和运行过程中发生滑动摩擦时没有自保护功能，导致凸轮工件的使用寿命降低，易损坏。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺，该工艺同样也适用于滚轮工件。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺，该工艺包括毛胚锻造、退火、粗加工、渗碳加高温回火、半精加工、淬火加低温回火以及精加工步骤，其特征在于：所述渗碳加高温回火具体步骤如下：
(1)当炉温达到890～910℃时开炉，将凸轮工件放入炉中，当炉温重新升到740～760℃时向炉内持续滴甲醇，当炉温继续上升至840～860℃时在保持滴甲醛的同时开始持续滴入异丙醇以提升炉内的碳势，当炉温升到920～940℃的渗碳温度时，保持碳势为1.38％～1.40％，保持炉压6～8mL水柱开始强渗与扩散，渗碳过程持续约20～22小时；
(2)凸轮工件渗碳完成后，降低炉温至890～910℃，然后保温30～45分钟后进行淬油，快速冷却凸轮工件，将冷却后的凸轮工件放入610～650℃的炉温内进行高温回火，高温回火的回火时间为2～4小时。
上述步骤(1)中甲醇作为稀释剂，异丙醇作为渗碳剂滴入炉内，使炉内碳势可以升高至1.38％～1.4％的高碳势，1.38％～1.4％的高碳势可以使得凸轮工件最终表面渗碳层的含碳量达到1.28～1.30％，渗碳深度达到2.45～2.50mm，高含碳量有利于凸轮工件在后序工艺中形成针状碳化物，针状碳化物是高硬度组织，可保证凸轮工件的高硬度与高耐磨性。
上述步骤(2)在高温回火时需要先保温30～45分钟，待整个工件温度均匀后淬油，由于凸轮工件渗碳后渗碳层的含碳量较高，如果采用空冷的方法将会导致渗碳层内网状碳化物的析出，为了防止网状碳化物的析出，本发明采用保温30～45分钟然后淬油，通过淬油快速冷却凸轮工件，防止网状碳化物析出，保证渗碳层的碳化物均匀析出，保证渗碳层的高含碳量，为后续工艺中形成含有针状碳化物的高硬度组织打好基础。
步骤(2)高温回火后消除了渗碳层中的残余奥氏体与淬火马氏体，获得索氏体+均匀的针状碳化物的组织，为后序的淬火加低温回火做好准备。
本发明中，所述渗碳加高温回火步骤(1)中甲醇的滴入量为排气阶段时15～16ml/min，强渗时2～3ml/min，扩散时4～6ml/min；异丙醇的滴入量为强渗时15～16ml/min，扩散时2～3ml/min。整个过程通过氧探头控制甲醛和异丙醇的滴量，维持1.40％的碳势。
本发明中，所述淬火加低温回火具体步骤如下：
将半精加工后的凸轮工件放入790～810℃的炉内保温40～50分钟，立即放入质量百分含量为8～10％的NaCL溶液中淬火，然后将淬火后的凸轮工件放入190～200℃的回火炉内回火两次，回火时间为每次4小时。
低温回火后凸轮工件的金相组织为针状碳化物+隐针马氏体+少量残余奥氏体，表面获得62～65HRC的硬度，这种含有高硬度组织针状碳化物的渗碳层为凸轮工件的耐磨性提供了保证。
本发明可以做如下改进：该工艺还包括除油步骤，将精加工后的凸轮工件放入沸腾的除油剂中除油。
所述除油剂为NaOH、NaCO₃和H₂O三者的混合物，各组分质量比NaOH∶NaCO₃∶H₂O为50～60∶80～85∶950～1000。
本发明的目的之二是在上述发明目的的基础上进一步提高凸轮工件的润滑性，降低凸轮工件表面的摩擦系数。
该工艺还包括硫、氧化合处理步骤，将除油后的凸轮工件放入离子设备中，抽真空至离子设备内的压力降至100～350Pa，然后随炉升温，设备内的温度升至190～200℃时通入H₂S和O₂的混合气体，保持850～1000V的电压电离气体，气体流量控制在1.2～1.5L/min进行离子化，保温2～3小时，炉冷后出炉。
该步骤使得凸轮工件表面形成一层5～8μm的硫化物—氧化物层，其中氧化物为硫化亚铁(FeS)和氧化亚铁(FeO)，硫化物—氧化物层的浓度呈梯度自外向内逐渐降低。这些硫化亚铁(FeS)和氧化亚铁(FeO)形成的硫化物—氧化物层呈疏松的多孔状，可起到储油的作用，使凸轮工件达到有效润滑，并且这些硫化物、氧化物的晶格呈层状结构，可以减小凸轮工件表面的摩擦系数，使得凸轮工件在跑合阶段和运行过程中发生滑动摩擦时具有较好的保护作用。
所述H₂S和O₂气体的体积比为3.0～3.2∶0.8～1.0。
与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：
(1)本发明在渗碳环节升高碳势，保证凸轮工件在高碳势下渗碳，高碳势可以使得凸轮工件最终表面渗碳层的含碳量升高，高含碳量有利于凸轮工件在后序工艺中形成高硬度组织的针状碳化物，保证凸轮工件的高硬度。
(2)本发明在高温回火环节采用先保温再快速油淬冷却的方式，其目的为了防止网状碳化物的析出，保证渗碳层的碳组分不会析出，保证渗碳层的高碳量，并且经本发明高温回火后，消除渗碳层的残余奥氏体与网状碳化物，获得索氏体+均匀的针状碳化物的组织，为后序的淬火加低温回火做好准备。
(3)由于上述高碳势及高温回火的共同作用，渗碳层含碳量高，经低温回火后凸轮工件的金相组织为针状碳化物+隐针马氏体+少量残余奥氏体，表面获得62～65HRC的硬度，与现有技术生产的凸轮工件58～62HRC的表面硬度相比，本发明凸轮工件的表面硬度大大提高，耐磨性也大大提高。
(4)本发明硫、氧化合处理步骤使得凸轮工件表面形成一层5～8μm的硫化物—氧化物层，这些硫化物、氧化物呈疏松的多孔状，可起到储油的作用，使凸轮工件达到有效润滑，并且这些硫化物、氧化物的晶格呈层状结构，可以减小凸轮工件表面的摩擦系数。
具体实施方式
实施例一
材料为20CRMnTi的具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺，该工艺包括毛胚锻造、退火、粗加工、渗碳加高温回火、半精加工、淬火加低温回火以、精加工步骤、除油步骤和硫、氧化合处理步骤，其中，所述渗碳加高温回火具体步骤如下：
(1)当炉温达到900℃时开炉，将凸轮工件放入炉中，在开炉和放凸轮工件入炉过程中炉内温度下降，将凸轮工件入炉后要重新升高炉温，当炉温重新升到750℃时开始向炉内持续滴甲醇，当炉温继续上升至850℃时在保持滴甲醛的同时开始持续滴入异丙醇以提升炉内的碳势，当炉温升到930℃的渗碳温度时，通过氧探头控制甲醛和异丙醇的滴量，其中，甲醇的滴入量为排气阶段时15ml/min，强渗时2ml/min，扩散时5ml/min；异丙醇的滴入量为强渗时16ml/min，扩散时2ml/min保持碳势为1.40％，保持炉压7mL水柱开始强渗与扩散，渗碳过程持续约20小时。上述的排气过程是使炉内空气排出，利于提升炉内的碳势；强渗和扩散过程是提高凸轮工件表面渗碳层的含碳量，并且使得渗碳层均匀，达到所需的渗碳深度。经上述强渗与扩散后的凸轮工件最终表面渗碳层的含碳量达到1.30％，渗碳深度达到2.45mm，高含碳量有利于凸轮工件在后序工艺中形成针状碳化物。
(2)凸轮工件渗碳完成后，为了防止渗碳层内网状碳化物的析出，降低炉温至900℃，然后保温40分钟后进行淬油，快速冷却凸轮工件，将冷却后的凸轮工件放入630℃的炉温内进行高温回火，高温回火的回火时间为3小时。通过淬油快速冷却凸轮工件，不但可以防止网状碳化物析出，而且保证渗碳层的碳化物均匀析出，保证渗碳层的高含碳量，为后续工艺中形成含有针状碳化物的高硬度组织打好基础。
所述淬火加低温回火具体步骤如下：
将半精加工后的凸轮工件放入800℃的炉内保温45分钟，立即放入质量百分含量为10％的NaCL溶液中淬火，然后将淬火后的凸轮工件放入195℃的回火炉内回火两次，回火时间为每次4小时。低温回火后凸轮工件的金相组织为针状碳化物+隐针马氏体+少量残余奥氏体，表面获得62～65HRC的硬度，这种含有高硬度组织针状碳化物的渗碳层为凸轮工件的耐磨性提供了保证。
除油步骤为将精加工后的凸轮工件放入沸腾的除油剂中除油，除油剂为NaOH、NaCO₃和H₂O三者的混合物，各组分质量比NaOH∶NaCO₃∶H₂O为55∶80∶950。
所述硫、氧化合处理步骤的具体步骤为：将除油后的凸轮工件放入离子设备中，抽真空至离子设备内的压力降至200Pa，然后随炉升温，设备内的温度升至195℃时通入H₂S和O₂的混合气体，H₂S和O₂气体的体积比为3.0～3.2∶0.8～1.0，保持850～1000V的电压电离气体，气体流量控制在1.4L/min进行离子化，保温2.5小时，炉冷后出炉。
硫、氧化合处理使得凸轮工件表面形成一层8μm的硫化物—氧化物层，其中氧化物为硫化亚铁(FeS)和氧化亚铁(FeO)，硫化物—氧化物层的浓度呈梯度自外向内逐渐降低。这些硫化物、氧化物呈疏松的多孔状，可起到储油的作用，使凸轮工件达到有效润滑，并且这些硫化物、氧化物的晶格呈层状结构，可以减小凸轮工件表面的摩擦系数。
本实施例在930℃渗碳，一直采用1.40％的碳势渗碳，最终使表面含碳量达到1.30％，渗碳深度达到要求降温到900℃快速冷却，630℃高温回火，得到含有大量针状碳化物的金相组织。本发明渗碳过程一直采用高碳势，渗碳速度快，碳层碳含量高，在淬硬，回火后的凸轮工件表面硬度达62～64HRC，并且可形成一层硫化物—氧化物层，可起到储油的作用，使凸轮工件达到有效润滑。
实施例二
材料为20CRMnTi的具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺，该工艺包括毛胚锻造、退火、粗加工、渗碳加高温回火、半精加工、淬火加低温回火以、精加工步骤、除油步骤和硫、氧化合处理步骤，其中，所述渗碳加高温回火具体步骤如下：
(1)当炉温达到890℃时开炉，将凸轮工件放入炉中，在开炉和放凸轮工件入炉过程中炉内温度下降，将凸轮工件入炉后要重新升高炉温，当炉温重新升到740℃时向炉内持续滴甲醇，当炉温继续上升至840℃时在保持滴甲醛的同时开始持续滴入异丙醇以提升炉内的碳势，当炉温升到920℃的渗碳温度时，通过氧探头控制甲醛和异丙醇的滴量，其中，甲醇的滴入量为排气阶段时16ml/min，强渗时3ml/min，扩散时6ml/min；异丙醇的滴入量为强渗时16ml/min，扩散时3ml/min保持碳势为1.38％％，保持炉压8mL水柱开始强渗与扩散，渗碳过程持续约22小时。渗碳后凸轮工件最终表面渗碳层的含碳量达到1.30％，渗碳深度达到2.50mm。
(2)凸轮工件渗碳完成后，为了防止渗碳层内网状碳化物的析出，降低炉温至890℃，然后保温45分钟后进行淬油，快速冷却凸轮工件，将冷却后的凸轮工件放入610℃的炉温内进行高温回火，高温回火的回火时间为4小时。
所述淬火加低温回火具体步骤如下：
将半精加工后的凸轮工件放入790℃的炉内保温50分钟，立即放入质量百分含量为10％的NaCL溶液中淬火，然后将淬火后的凸轮工件放入200℃的回火炉内回火两次，回火时间为每次4小时。
除油步骤为将精加工后的凸轮工件放入沸腾的除油剂中除油，除油剂为NaOH、NaCO₃和H₂O三者的混合物，各组分质量比NaOH∶NaCO₃∶H₂O为50∶85∶1000。
所述硫、氧化合处理步骤的具体步骤为：将除油后的凸轮工件放入离子设备中，抽真空至离子设备内的压力降至350Pa，然后随炉升温，设备内的温度升至190℃时通入H₂S和O₂的混合气体，H₂S和O₂气体的体积比为3.2∶1.0，保持1000V的电压电离气体，气体流量控制在1.5L/min进行离子化，保温3小时，炉冷后出炉。
硫、氧化合处理后，凸轮工件表面形成一层5μm的硫化物—氧化物层。
实施例三
材料为20CRMnTi的具有高硬度高耐磨性的大型柴油机凸轮工件的生产工艺，该工艺包括毛胚锻造、退火、粗加工、渗碳加高温回火、半精加工、淬火加低温回火以、精加工步骤、除油步骤和硫、氧化合处理步骤，其中，所述渗碳加高温回火具体步骤如下：
(1)当炉温达到910℃时开炉，将凸轮工件放入炉中，在开炉和放凸轮工件入炉过程中炉内温度下降，将凸轮工件入炉后要重新升高炉温，当炉温重新升到760℃时向炉内持续滴甲醇，当炉温继续上升至860℃时在保持滴甲醛的同时开始持续滴入异丙醇以提升炉内的碳势，当炉温升到940℃的渗碳温度时，通过氧探头控制甲醛和异丙醇的滴量，其中，甲醇的滴入量为排气阶段时15ml/min，强渗时2ml/min，扩散时4ml/min；异丙醇的滴入量为强渗时15ml/min，扩散时2ml/min保持碳势为1.38％％，保持炉压6mL水柱开始强渗与扩散，渗碳过程持续约20小时。渗碳后凸轮工件最终表面渗碳层的含碳量达到1.28％％，渗碳深度达到2.45mm。
(2)凸轮工件渗碳完成后，为了防止渗碳层内网状碳化物的析出，降低炉温至910℃，然后保温30分钟后进行淬油，快速冷却凸轮工件，将冷却后的凸轮工件放入650℃的炉温内进行高温回火，高温回火的回火时间为2小时。
所述淬火加低温回火具体步骤如下：
将半精加工后的凸轮工件放入810℃的炉内保温40分钟，立即放入质量百分含量为8％的NaCL溶液中淬火，然后将淬火后的凸轮工件放入190℃的回火炉内回火两次，回火时间为每次4小时。
除油步骤为将精加工后的凸轮工件放入沸腾的除油剂中除油，除油剂为NaOH、NaCO₃和H₂O三者的混合物，各组分质量比NaOH∶NaCO₃∶H₂O为60∶85∶1000。
所述硫、氧化合处理步骤的具体步骤为：将除油后的凸轮工件放入离子设备中，抽真空至离子设备内的压力降至100Pa，然后随炉升温，设备内的温度升至200℃时通入H₂S和O₂的混合气体，H₂S和O₂气体的体积比为3.0∶0.8，保持850V的电压电离气体，气体流量控制在1.2/min进行离子化，保温2小时，炉冷后出炉。
硫、氧化合处理后，凸轮工件表面形成一层6μm的硫化物—氧化物层。