一种防止渗碳凸轮轴磨削裂纹的工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种防止渗碳凸轮轴磨削裂纹的工艺。所述工艺在渗碳中改变原有渗碳完成出炉空冷的冷却方式、并改变淬火方式和磨削参数及工艺，改进后的工艺发生裂纹的概率不超过1%，收到了显著的效果。
【专利说明】一种防止渗碳凸轮轴磨削裂纹的工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及磨削工艺，具体涉及一种防止渗碳凸轮轴磨削裂纹的工艺。
【背景技术】
[0002]渗碳凸轮轴磨，为经渗碳淬火处理后的钢件，其制造主要工艺过程为:粗车一铣凸轮一渗碳一精车一淬火一磨凸轮一探伤。
[0003]在磨削的过程中经常出现会磨削裂纹。其磨削裂纹属于典型的表面裂纹，其裂纹形式主要是横向裂纹、网状裂纹，裂纹的垂直深度约0.4_横向裂纹沿凸轮轴向裂开，多发生在凸轮升程段，即凸轮曲率半径较小的地方；网状裂纹则在整个凸轮表面毫无规律的分布，其网格大小与裂纹的深浅有关，裂纹越浅，网格越小。磨削裂纹的存在将极大的影响凸轮轴的使用。
[0004]因此找出裂纹原因及采取相应的预防措施是及其重要的。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种防止渗碳凸轮轴磨削裂纹的工艺。所述工艺在渗碳中改变原有渗碳完成出炉空冷的冷却方式、并改变淬火方式和磨削参数及工艺，改进后的工艺发生裂纹的概率不超过1%，收到了显著的效果。
[0006]为了解决以上技术问题，本发明采用了以下技术方案
[0007]—种防止渗碳凸轮轴磨削裂纹的工艺，其工艺流程包括:粗车一铣凸轮一渗碳一精车一淬火一磨凸轮一探伤，其特征在于:
[0008](I)渗碳完成后，先进行660-700 °C高温回火3.5-4.5h，然后炉内冷却到480-520°C以下，再出炉空冷；
[0009](2)淬火时快速加热至810-850°C，再通过75_85°C油淬，保持1.5-2.5h，在低温160-2000C 回火，一次回火 3.5-4.5h ；
[0010](3)在磨削中，磨削参数的选择如下:砂轮磨料为立方氮化硼，线速度65-75m/s，径向进给量0.0045-0.0055mm/r，冷却液Aquatex3380，修整频率5-7根/次；砂轮与工件的转向采取相背而行；
[0011](4)在磨削工艺上依次采用了粗磨、低温回火、精磨、低温回火。
[0012]其中:优选(I)渗碳完成后，先进行680°C高温回火4h，然后炉内冷却到500°C以下，再出炉空冷；
[0013](2)淬火时快速加热至830°C，再通过80°C油淬，保持2h，在低温180°C回火，一次回火4h ；
[0014](3)在磨削中，磨削参数的选择如下:砂轮磨料为立方氮化硼，线速度70m/s，径向进给量0.005mm/r,冷却液AquateX3380，修整频率6根/次；砂轮与工件的转向采取相背而行。
[0015]以下对本发明进行详细说明:
[0016]本发明经过大量的研究发现，凸轮磨削裂纹产生的原因分析
[0017](I)热处理因素
[0018]在热处理过程中，渗碳和淬火在冷却时都有可能造成裂纹，或是得到了裂纹所必须的金相组织，而在后面磨削时暴露出来。
[0019]磨削中发现的网状裂纹，主要来自于工件渗碳后的冷却过程中产生了层带状组织其渗碳层在一定速度冷却下，会出现局部过冷奥氏体不分解，而在Ms点以下形成马氏体现象经解剖分析发现，凸轮轴在渗碳的过程中，渗层内都具有相同而复杂的层带状显微组织，由表及里依次出现两个厚度不等的组织层次，它们分别是珠光体+网状碳化物层马氏体层。如果防止产生这种层带状组织时，产生网状裂纹的机会就会小很多。
[0020]在淬火过程中，容易产生裂纹的原因主要来自于在冷却时产生的内应力而导致的变形或开裂。内应力包括由表层和心部的温差导致比体积变化所引起的热引力，以及由温差造成马氏体转变的时间差而引发的组织应力。
[0021]同时在淬火冷却中还值得注意的是，如何保持残留奥氏体量的稳定化和尽量减少不稳定残留奥氏体量，以避免在低温回火冷却过程中，由于组织应力被大大消除(约能消除30%以上的组织应力)而促使部分残余奥氏体在低温回火冷却过程中向马氏体转变，形成二次淬火马氏体。该二次淬火马氏体的正断抗力为600?700MPa，并且韧性极差由于淬火马氏体与残留奥氏体的比体积相差很大，即马氏体的膨胀系数约是奥氏体膨胀系数的2/3。正是由于这种脆性大强度低的相存在，导致在磨削过程中产生了磨裂现象
[0022](2)磨削因素
[0023]影响磨裂的磨削因素主要是其工艺参数的选择是否合理，能否有效地降低磨削热。凸轮表面在磨削前硬度是58?62HRC，其组织主要是回火马氏体和少量的残留奥氏体。在磨削时产生大量的磨削热会使工件表层金属超过相变温度，砂轮离开后瞬间又迅速冷却，就产生二次淬火，最外层的残留奥氏体组织转变成淬火马氏体，比体积增大，促使最外层膨胀，但受到内层金属的牵制，因此最外层受到压应力；内层金属温度略低，二次淬火后的淬火马氏体转变成回火马氏体或索氏体，比体积减小，受到拉应力因此，影响凸轮表面质量的是残余拉应力。同时，在磨削过程中，凸轮表面在大量的磨削热作用下，可使外层完全处于没有内应力的塑性状态，体积膨胀。
[0024]随着磨削过程的结束，外层金属将由完全的塑性状态。过渡到弹性状态随着温度的降低，塑性减小，弹性增大，体积缩小，这层金属迅速冷却时体积缩小得更快些，这样便受到内层金属的牵制，同时也受到了不能恢复弹性状态的外层金属的牵制，结果使外层金属中产生相当大的残余拉应力，甚至能超过材料的强度极限而产生磨削裂纹。
[0025]通过分析，组织转变产生的拉应力和热变形产生的拉应力的综合作用是磨削过程中产生裂纹的主要原因，但这两者又都是磨削时产生的瞬间高温所引起的。这也不难解释在磨削中产生的凸轮表面裂纹一般出现在曲率半径较小的部位，因为该地方产生的磨削热量大，散热条件差预防裂纹的措施。
[0026]在此基础上，本发明研究了相应的处理方法。
[0027](I)热处理工艺
[0028]①降低渗碳时的冷却速度。在渗碳中，主要导致裂纹是由于冷却速度的不同而产生冷却后组织不同，控制好冷却速度，防止层带状渗层组织的产生，能够有效地避免由于渗碳导致的磨削裂纹。同时渗碳件表面碳浓度不宜过高，否则会引起残留奥氏体量过多，二次淬火马氏体量也会过多，所以最好控制碳势在0.9%?1.0%。②增加回火程度。在不改变其他工艺条件的情况下，通常采用增加回火程度(包括适当提高回火温度、延长回火时间或增加回火次数)的办法，来预防消除和磨除磨削裂纹。
[0029](2)磨削工艺
[0030]在磨削工艺上所做的一切主要是为了有效地减少磨削热的产生或降低，各工艺参数与磨削热的变化关系如下:
[0031]砂轮转速。砂轮转速(主要是线速度)越高，会导致挤压和摩擦作用加大，产生的磨削热也增大。
[0032]工件转速。工件转速越高，其热源移动速度快，但增加了单位时间内的切削量，产生磨削热的大小靠两者之间的平衡。
[0033]砂轮硬度。一个总的原则为:磨削较硬的表面时，应该用软砂轮，磨削比较软的材料时选用硬砂轮，这样能降低磨削热。
[0034]工件材料。主要与工件的导热性有关，对普通钢件而言，含碳量越高，则导热性越差，磨削时温度就高。
[0035]工件表面硬度。工件表面硬度主要与表面材料组织有关，对同一种材料，其金相组织不同，导热性也不同，按奥氏体淬火和回火马氏体珠光体的顺序依次变好进给量进给量越大，其产生的磨削变形力和摩擦力越大，导致磨削热增加。
[0036]砂轮修整度。在砂轮出现钝化现象时，其磨削热显著增加，不但会影响工件表面质量，并且很容易产生烧伤
[0037]工件形状。凸轮轮廓外形的曲率半径越小，不仅会导致产生的磨削热大，同时其散热也比较困难。
[0038]切削液。在加工中除了保证大流量的切削液外，还应该选择浸透性润滑性和冷却性都相对较好的切削液才能有效地降低切削热。
[0039]在针对具体工件磨削中，只有根据工件材料形状表面硬度及其加工要求正确地制定磨削工艺参数和选择合适的切削液，才能在磨削过程中降低裂纹的产生。
[0040]因此，本发明采用了以下方法解决磨削裂纹的产生
[0041](I)在渗碳中改变原有渗碳完成出炉空冷的冷却方式，改为先进行680°C高温回火4h，然后炉内冷却到500°C以下，再出炉空冷经过检测，网状碳化物等级由原来的3?4级降为I?2级。
[0042](2)淬火时快速加热至830°C，再通过80°C油淬，保持2h，在低温180°C回火，一次回火4h经检测，凸轮表面淬硬层组织为:回火细针马氏体+残留奥氏体+。粒状和少量小条块状碳化物
[0043](3)在磨削中，磨削参数的选择如下:砂轮磨料为立方氮化硼，线速度70m/s，径向进给量0.005mm/r,冷却液Aquatex3380，修整频率6根/次
[0044](4)除此之外还采用砂轮与工件的转向采取相背而行在工艺上依次采用了粗磨低温回火精磨低温回火和包装入库的工艺
[0045]本发明具有以下优点:改进工艺后发生裂纹的概率不超过1%，收到了显著的效果O
【具体实施方式】
[0046]为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
[0047]实施例一
[0048]一种防止渗碳凸轮轴磨削裂纹的工艺，所述凸轮轴材料为20CrMnTi，其工艺流程包括:粗车一统凸轮一渗碳一精车一淬火一磨凸轮一探伤，其特征在于:
[0049](I)渗碳完成后，先进行660°C高温回火3.5h，然后炉内冷却到480°C以下，再出炉空冷；
[0050](2)淬火时快速加热至810°C，再通过75°C油淬，保持1.5h，在低温160°C回火，一次回火3.5h ；
[0051](3)在磨削中，磨削参数的选择如下:砂轮磨料为立方氮化硼，线速度65m/s，径向进给量0.0045mm/r,冷却液AquateX3380，修整频率5根/次；砂轮与工件的转向采取相背而行；
[0052](4)在磨削工艺上依次采用了粗磨、低温回火、精磨、低温回火。
[0053]实施例二
[0054]一种防止渗碳凸轮轴磨削裂纹的工艺，所述凸轮轴材料为20CrMnTi，其工艺流程包括:粗车一统凸轮一渗碳一精车一淬火一磨凸轮一探伤，其特征在于:
[0055](I)渗碳完成后，先进行700°C高温回火4.5h，然后炉内冷却到520°C以下，再出炉空冷；
[0056](2)淬火时快速加热至850°C，再通过85°C油淬，保持2.5h，在低温200°C回火，一次回火4.5h ；
[0057](3)在磨削中，磨削参数的选择如下:砂轮磨料为立方氮化硼，线速度75m/s，径向进给量0.0055mm/r,冷却液AquateX3380，修整频率7根/次；砂轮与工件的转向采取相背而行；
[0058](4)在磨削工艺上依次采用了粗磨、低温回火、精磨、低温回火。
[0059]实施例三
[0060]一种防止渗碳凸轮轴磨削裂纹的工艺，所述凸轮轴材料为20CrMnTi，其工艺流程包括:粗车一统凸轮一渗碳一精车一淬火一磨凸轮一探伤，其特征在于:
[0061](I)渗碳完成后，先进行680°C高温回火4h，然后炉内冷却到500°C以下，再出炉空冷;
[0062](2)淬火时快速加热至830°C，再通过80°C油淬，保持2h，在低温180°C回火，一次回火4h ；
[0063](3)在磨削中，磨削参数的选择如下:砂轮磨料为立方氮化硼，线速度70m/s，径向进给量0.005mm/r,冷却液AquateX3380，修整频率6根/次；砂轮与工件的转向采取相背而行；
[0064](4)在磨削工艺上依次采用了粗磨、低温回火、精磨、低温回火。
[0065] 申请人:声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属【技术领域】的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
【权利要求】
1.一种防止渗碳凸轮轴磨削裂纹的工艺，其工艺流程包括:粗车一铣凸轮一渗碳一精车一淬火一磨凸轮一探伤，其特征在于: (1)渗碳完成后，先进行660-700°C高温回火3.5-4.5h，然后炉内冷却到480_520°C以下，再出炉空冷； (2)淬火时快速加热至810-850°C，再通过75-85 °C油淬，保持1.5-2.5h，在低温160-2000C 回火，一次回火 3.5-4.5h ； (3)在磨削中，磨削参数的选择如下:砂轮磨料为立方氮化硼，线速度65-75m/s，径向进给量0.0045-0.0055mm/r,冷却液Aquatex3380，修整频率5-7根/次。
2.根据权利要求1所述的工艺，其中，砂轮与工件的转向采取相背而行。
3.根据权利要求1所述的工艺，其中，在磨削工艺上依次采用了粗磨、低温回火、精磨、低温回火。
4.根据权利要求1所述的工艺，优选渗碳完成后，先进行680°C高温回火4h，然后炉内冷却到500°C以下，再出炉空冷。
5.根据权利要求1所述的工艺，优选淬火时快速加热至830°C，再通过80°C油淬，保持2h，在低温180°C回火，一次回火4h。
6.根据权利要求1所述的工艺，优选在磨削中，磨削参数的选择如下:砂轮磨料为立方氮化硼，线速度70m/s,径向进给量0.005mm/r,冷却液Aquatex3380,修整频率6根/次；砂轮与工件的转向采取相背而行。
【文档编号】C23F17/00GK104233315SQ201310236222
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年6月14日 优先权日:2013年6月14日
【发明者】华兆红 申请人:无锡市森信精密机械厂