深孔凸轮轴的渗碳方法与流程

本发明涉及发动机零件热处理领域，特别地，涉及一种深孔凸轮轴的渗碳方法。

背景技术：

某型发动机的重要部件选用小孔深长凸轮轴进行动力传递，由于凸轮轴颈和两端齿轮结构的服役条件不同，因而齿轮型面和轴颈表面提出了不同的渗碳深度要求，来提高深长凸轮轴的整体服役能力。

如图1所示，该凸轮轴材料牌号12CrNi3A，长度为600mm，轴向均匀分布9个Φ40mm直径凸轮、4个直径Φ30mm的轴颈，带有Φ20mm的中心通孔，两端为齿轮结构，齿形外接圆直径Φ90mm。凸轮轴的轴颈比达到20：1，为航空发动机典型的深孔长轴结构，变形控制难度大。根据服役条件需要，齿轮齿形表面渗碳深度约为0.8～0.9mm，凸轮和轴颈部位渗碳深度约为1.4～1.5mm，渗碳后表面硬度需达到HRC60以上，轴颈外圆对中心孔的跳动控制在≤0.2mm。

采用传统的一次渗碳、淬火工艺方法对深孔凸轮轴整体进行渗碳1.4mm，渗碳后对齿形面渗碳层磨削加工至0.8渗碳深度，然而，该工艺下齿轮表面硬度大幅降低至HRC40，工作中齿轮磨损严重，不能满足服役需求，降低了凸轮轴的使用寿命，如果发生齿轮断裂，动力传递失效，就会有严重的安全隐患。此外，还存在渗碳的区域难以控制和渗碳过程中凸轮轴壁轴变形等问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种深孔凸轮轴的渗碳方法，以解决现有渗碳工艺中的深孔凸轮轴使用寿命短、零件变形和渗碳的区域难以控制的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种深孔凸轮轴的渗碳方法，深孔凸轮轴包括设置在轴体上的凸轮和轴颈、设置在轴体两端的齿轮以及设置轴体中心的中心孔，深孔凸轮轴的渗碳方法包括以下步骤：

在齿轮的齿面和中心孔的孔壁设置保护镀层。

在中心孔内套设一根与孔壁间隙配合的支撑轴，支撑轴两端通过固定件与深孔凸轮轴固接并封闭中心孔，且在固定件上涂覆防渗涂料。

将深孔凸轮轴进行一次预渗碳，在凸轮和轴颈上形成预渗层。

除去齿轮的保护镀层，进行二次终渗碳，齿面形成渗碳层并达到所需厚度，预渗层的厚度增加达到所需厚度，经冷处理，回火，除去支撑轴即得。

进一步地，在进行一次预渗碳和/或二次终渗碳之前还包括预热步骤：

将深孔凸轮轴装入渗碳炉中，在700℃～720℃保温10～20min预热。

进一步地，一次预渗碳包括以下步骤：

将深孔凸轮轴在800℃～820℃、碳势为1.0～1.2C％的条件下开始渗碳，继续升温至880℃～920℃进行强渗，保温2～3小时后进入扩散阶段。调整碳势为0.9～1.0C％，继续保温1～2小时。随炉冷却到800℃～820℃，保温1～2小时后进行油冷。

进一步地，一次预渗碳包括以下步骤：

将深孔凸轮轴在815℃、碳势为1.1C％的条件下开始渗碳，继续升温至900℃进行强渗，保温2.5时后进入扩散阶段。调整碳势为0.95C％，继续保温1.5小时。随炉冷却到810℃，保温1.5小时后进行油冷。

进一步地，二次终渗碳包括以下步骤：

将深孔凸轮轴在800℃～820℃、碳势为0.9～1.1C％的条件下开始渗碳，继续升温至880℃～920℃进行强渗，保温1.5～2小时后进入扩散阶段。调整碳势为0.8～0.9C％，继续保温0.5～1小时。随炉冷却到800℃～820℃，保温1～2小时后进行油冷。

进一步地，二次终渗碳包括以下步骤：

将深孔凸轮轴在815℃、碳势为1C％的条件下开始渗碳，继续升温至900℃进行强渗，保温2小时后进入扩散阶段。调整碳势为0.85C％，继续保温1小时。随炉冷却到810℃，保温1.5小时后进行油冷。

进一步地，冷处理步骤包括：

将深孔凸轮轴在-75℃～-73℃的条件下，保温2～2.5小时，取出空冷。

进一步地，回火步骤包括：

在保护气氛炉中将深孔凸轮轴加热到160℃～180℃，保温2～3小时后出炉空冷。

进一步地，固定件为螺母，保护镀层为镀铜层。

进一步地，深孔凸轮轴沿自身轴向垂直吊挂在渗碳炉中进行一次预渗碳和二次终渗碳。

本发明具有以下有益效果：上述深孔凸轮轴的渗碳方法，在中心孔内设置了保护镀层，同时在中心孔内套设了支撑轴，两端采用固定件封闭中心孔，既提高了中心孔的防渗碳效果，又减少了深孔凸轮轴的变形。此外，对深孔凸轮轴进行两次渗碳处理，凸轮和轴颈经过一次预渗碳和二次终渗碳形成深层渗碳达到目标厚度，齿轮表面经过二次终渗碳形成浅层渗碳达到目标厚度。该渗碳方法提高了齿轮、凸轮和轴颈渗碳层的深度均匀性，使其表面硬度高，强韧性好，耐磨性高，进而提高深孔凸轮轴的抗磨损能力，从而提高了使用寿命。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的深孔凸轮轴的示意图；

图2是本发明优选实施例的深孔凸轮轴渗碳后的齿轮表面渗碳层显微组织SEM照片(400×)的示意图。

附图标记说明：100、凸轮；200、轴颈；300、齿轮；400、中心孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种深孔凸轮轴的渗碳方法，深孔凸轮轴包括设置在轴体上的凸轮100和轴颈200、设置在轴体两端的齿轮300以及设置轴体中心的中心孔400，深孔凸轮轴的渗碳方法包括以下步骤：

在齿轮300的齿面和中心孔400的孔壁设置保护镀层。

在中心孔400内套设一根与孔壁间隙配合的支撑轴，支撑轴两端通过固定件与深孔凸轮轴固接并封闭中心孔400，且在固定件上涂覆防渗涂料。

将深孔凸轮轴进行一次预渗碳，在凸轮100和轴颈200上形成预渗层。

除去齿轮300的保护镀层，进行二次终渗碳，齿面形成渗碳层并达到所需厚度，预渗层的厚度增加达到所需厚度，经冷处理，回火，除去支撑轴即得。

凸轮100和轴颈200所需的渗碳层较厚为深层渗碳，齿轮300的齿面所需渗碳层较薄为浅层渗碳。为使各区域均达到所需的渗碳厚度，进行两次渗碳。在齿轮300的齿面和中心孔400的孔壁设置保护镀层，对其进行保护防止一次预渗碳时齿轮300上形成渗碳以及所有渗碳过程中中心孔400内形成渗碳。

同时在中心孔400内套入支撑轴，该支持轴与中心孔400为间隙配合，两端通过固定件固定在深孔凸轮轴两端。固定件遮盖了中心孔400两端的开口，并且固定件上涂覆防渗涂料，进一步的防止中心孔400内形成渗碳，防护效果更好。同时支撑轴可为中心孔400的内壁提供支撑，使得深孔凸轮轴近似为实心轮轴，增强了强度，从而减少了其在渗碳过程中发生变形的可能性。

在完成上述步骤之后还可采用水剂清洗剂对轴颈200和凸轮100表面进行清洗，以去除表面有污物、油渍残留。可以理解的是当其本身较为洁净时，也可不进行清洗。一次预渗碳和二次终渗碳均在渗碳炉中进行，渗碳炉可优选为井式渗碳炉，深孔凸轮轴可借助专用工装吊挂在其中进行渗碳。一次预渗碳可采用常规的渗碳方式在凸轮100和轴颈200上形成深层渗碳和浅层渗碳差值厚度的渗碳层，即0.6mm左右厚度的渗碳层。

除去齿轮300的保护镀层，进行二次终渗碳，齿面形成渗碳层并达到所需厚度0.8mm左右，而预渗层的厚度在0.6mm左右的基础上增加达到所需厚度1.4mm左右。最后经冷处理，回火，再通过操作固定件除去支撑轴即得。

本发明具有以下有益效果：上述深孔凸轮轴的渗碳方法，在中心孔400内设置了保护镀层，同时在中心孔400内套设了支撑轴，两端采用固定件封闭中心孔400，既提高了中心孔400的防渗碳效果，又减少了深孔凸轮轴的变形。此外，对深孔凸轮轴进行两次渗碳处理，凸轮100和轴颈200经过一次预渗碳和二次终渗碳形成深层渗碳达到目标厚度，齿轮300表面经过二次终渗碳形成浅层渗碳达到目标厚度。该渗碳方法提高了齿轮300、凸轮100和轴颈200渗碳层的深度均匀性，使其表面硬度高，强韧性好，耐磨性高，进而提高深孔凸轮轴的抗磨损能力，从而提高了使用寿命。

可选地，在进行一次预渗碳和/或二次终渗碳之前还包括预热步骤：

将深孔凸轮轴装入渗碳炉中，在700℃～720℃保温10～20min预热。

将深孔凸轮轴装入渗碳炉中预热之后，紧接着进行一次预渗碳和/或二次终渗碳。预热采用台阶升温，降低升温速率，可减少凸轮轴整体加热过程中热应力引起的变形。

可选地，一次预渗碳包括以下步骤：

将深孔凸轮轴在800℃～820℃、碳势为1.0～1.2C％的条件下开始渗碳，继续升温至880℃～920℃进行强渗，保温2～3小时后进入扩散阶段。调整碳势为0.9～1.0C％，继续保温1～2小时。随炉冷却到800℃～820℃，保温1～2小时后进行油冷。

一次预渗碳，先对深层渗碳区(轴颈200和凸轮100表面)渗碳，采用气体渗碳法通过程序控制在高碳势、高温度下实现自动渗碳，使轴颈200和凸轮100表面获得约0.6mm的渗碳深度。800℃左右开始进行碳浓度控制，在升温中连续渗碳，可缩短渗碳时间；采用800℃台阶冷却，降低冷却速率，可大幅减少凸轮轴整体冷却中组织应力引起的变形。

可选地，一次预渗碳包括以下步骤：

将深孔凸轮轴在815℃、碳势为1.1C％的条件下开始渗碳，继续升温至900℃进行强渗，保温2.5时后进入扩散阶段。调整碳势为0.95C％，继续保温1.5小时。随炉冷却到810℃，保温1.5小时后进行油冷。

可选地，二次终渗碳包括以下步骤：

将深孔凸轮轴在800℃～820℃、碳势为0.9～1.1C％的条件下开始渗碳，继续升温至880℃～920℃进行强渗，保温1.5～2小时后进入扩散阶段。调整碳势为0.8～0.9C％，继续保温0.5～1小时。随炉冷却到800℃～820℃，保温1～2小时后进行油冷。

二次终渗碳，再对浅层渗碳区齿轮300表面进行渗碳，无需保护保护轴颈200和凸轮100，同时对三个区域进行渗碳处理。通过程序控制实现齿轮300表面0.8mm的渗碳层，此时凸轮100和轴颈200部分经过两次渗碳即获得约1.4mm的渗碳层。该操作可达到控制变形、缩短渗碳周期的效果；另外，对比一次预渗碳，碳浓度略低，主要是防止凸轮100和轴颈200最终渗碳层偏厚。

可选地，二次终渗碳包括以下步骤：

将深孔凸轮轴在815℃、碳势为1C％的条件下开始渗碳，继续升温至900℃进行强渗，保温2小时后进入扩散阶段。调整碳势为0.85C％，继续保温1小时。随炉冷却到810℃，保温1.5小时后进行油冷。

可选地，冷处理步骤包括：

将深孔凸轮轴在-75℃～-73℃的条件下，保温2～2.5小时，取出空冷。

该操作可促进合金中残余奥氏体转变为马氏体，增加马氏体含量，提高合金强度。

可选地，回火步骤包括：

在保护气氛炉中将深孔凸轮轴加热到160℃～180℃，保温2～3小时后出炉空冷。

低温回火，析出一定强化相，消除组织转变产生的较大组织应力与淬火应力，同时获得回火马氏体，使合金内部的组织状态与应力状态分布均匀，从而使凸轮100轴获得较高的表面强度，提高耐磨性和硬度分布均匀性，进一步提高凸轮100轴的使用寿命。

可选地，固定件为螺母，保护镀层为镀铜层。固定件为螺母，支撑轴拆卸方便。镀铜层保护效果好。

可选地，深孔凸轮轴沿自身轴向垂直吊挂在渗碳炉中进行一次预渗碳和二次终渗碳。装炉时采用垂直吊挂方式，确保在零件加热过程中组织应力和热应力变化分布均匀，减少尺寸影响效应，控制小变形量。

实施1：一种用于深长凸轮100轴两次渗碳工艺方法，包括以下步骤：

步骤1：防渗处理：对中心孔400、齿形表面进行镀铜保护。再在内孔装一根间隙配合的细长实心轴，两端采用螺帽连接，再在螺帽上涂上防渗涂料。

步骤2：清洗：采用水剂清洗剂对轴颈200和凸轮100表面进行清洗，表面不允许有污物、油渍残留。

步骤3：一次预渗碳：先渗轴颈200和凸轮100表面，零件采用专用工装垂直吊挂装炉，在井式渗碳炉中加热到700℃，保温10min后升至800℃开始渗碳，碳势为1.0C％，继续升温至880℃进行强渗，保温2小时后进入扩散阶段，调整碳势为0.9C％，继续保温1小时。随炉冷却到800℃，保温1小时后进行油冷。

步骤4：局部除铜：仅将齿轮300齿形表面的镀铜层去除，并清洗。

步骤5：二次终渗碳：轴颈200、凸轮100连同齿轮300一起渗碳，零件垂直吊挂装炉，在井式渗碳炉中加热到700℃，保温10min后升至800℃开始渗碳，碳势为0.9C％，继续升温至880℃进行强渗，保温1.5小时后进入扩散阶段，调整碳势为0.8C％，继续保温0.5小时。随炉冷却到800℃，保温1小时后进行油冷。

步骤6：冷处理：将凸轮100轴装入冷处理设备，降温至-75℃，保温2小时出炉空冷。

步骤7：回火：在保护气氛炉中将凸轮100轴加热到160℃，保温2小时后出炉空冷。

试验结果：渗碳层分布均匀，齿轮300齿形表面渗碳层深度0.85mm，轴颈200和凸轮100表面渗碳深度1.41mm，渗碳表面硬度分布HRC61～62，深孔轴变形小，跳动0.1mm。其中采用金相法检测渗碳层，跳动采用千分表检测。

取实施例1的深孔凸轮轴的齿轮300齿形表面渗碳层进行渗碳层显微组织扫描，扫描结果如图2所示，从图2中可看出渗碳层分布均匀，组织良好，无网状碳化物。

实施2：一种用于深长凸轮100轴两次渗碳工艺方法，包括以下步骤：

步骤1：防渗处理：对中心孔400、齿形表面进行镀铜保护。再在内孔装一根间隙配合的细长实心轴，两端采用螺帽连接，再在螺帽上涂上防渗涂料。

步骤2：清洗：采用水剂清洗剂对轴颈200和凸轮100表面进行清洗，表面不允许有污物、油渍残留。

步骤3：一次预渗碳：先渗轴颈200和凸轮100表面，零件采用专用工装垂直吊挂装炉，在井式渗碳炉中加热到710℃，保温15min后升至815℃开始渗碳，碳势为1.1C％，继续升温至900℃进行强渗，保温2.5小时后进入扩散阶段，调整碳势为0.95C％，继续保温1.5小时。随炉冷却到810℃，保温1.5小时后进行油冷。

步骤4：局部除铜：仅将齿轮300齿形表面的镀铜层去除，并清洗。

步骤5：二次终渗碳：轴颈200、凸轮100连同齿轮300一起渗碳，零件垂直吊挂装炉，在井式渗碳炉中加热到710℃，保温15min后升至815℃开始渗碳，碳势为1.0C％，继续升温至900℃进行强渗，保温2小时后进入扩散阶段，调整碳势为0.85C％，继续保温1小时。随炉冷却到810℃，保温1.5小时后进行油冷。

步骤6：冷处理：将凸轮100轴装入冷处理设备，降温至-74℃，保温2.5小时出炉空冷。

步骤7：回火：在保护气氛炉中将凸轮100轴加热到170℃，保温2.5小时后出炉空冷。

试验结果：渗碳层分布均匀，齿轮300齿形表面渗碳层深度0.88mm，轴颈200和凸轮100表面渗碳深度1.45mm，渗碳表面硬度分布HRC62～63，深孔轴变形小，跳动0.15mm。

实施3：一种用于深长凸轮100轴两次渗碳工艺方法，包括以下步骤：

步骤1：防渗处理：对中心孔400、齿形表面进行镀铜保护。再在内孔装一根间隙配合的细长实心轴，两端采用螺帽连接，再在螺帽上涂上防渗涂料。

步骤2：清洗：采用水剂清洗剂对轴颈200和凸轮100表面进行清洗，表面不允许有污物、油渍残留。

步骤3：一次预渗碳：先渗轴颈200和凸轮100表面，零件采用专用工装垂直吊挂装炉，在井式渗碳炉中加热到720℃，保温20min后升至820℃开始渗碳，碳势为1.2C％，继续升温至920℃进行强渗，保温3小时后进入扩散阶段，调整碳势为1.0C％，继续保温2小时。随炉冷却到820℃，保温2小时后进行油冷。

步骤4：局部除铜：仅将齿轮300齿形表面的镀铜层去除，并清洗。

步骤5：二次终渗碳：轴颈200、凸轮100连同齿轮300一起渗碳，零件垂直吊挂装炉，在井式渗碳炉中加热到720℃，保温20min后升至820℃开始渗碳，碳势为1.1C％，继续升温至920℃进行强渗，保温2小时后进入扩散阶段，调整碳势为0.9C％，继续保温1小时。随炉冷却到820℃，保温2小时后进行油冷。

步骤6：冷处理：将凸轮100轴装入冷处理设备，降温至-75℃，保温2.5小时出炉空冷。

步骤7：回火：在保护气氛炉中将凸轮100轴加热到180℃，保温3小时后出炉空冷。

试验结果：渗碳层分布均匀，齿轮300齿形表面渗碳层深度0.9mm，轴颈200和凸轮100表面渗碳深度1.5mm，渗碳表面硬度分布HRC62～64，深孔轴变形小，跳动0.16mm。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。