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2 实验材料及方法
2.1 实验材料
凸轮轴D09-101-30e+C；50Mn凸轮轴加工过程：下料-锻造-楔横轧-机加工-感应淬硬-低温回火-机加工-检验-入库。20Cr凸轮轴加工过程：下料-锻造-楔横轧-机加工-渗碳-感应淬硬-低温回火-机加工-检验-入库。试验样品由上海柴油机有限公司提供。
图2.1 凸轮轴研究样品
图2.2 凸轮轴结构示意图
2.2感应加热淬火工艺分析
渗碳：为了提高工作表层的含碳量，并在其中形成一定的含碳量梯度，将工件置于渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺，称为钢的渗碳。渗碳的作用：使工件增碳表面层经淬火和低温回火后，能获得高硬度、耐磨性和疲劳强度，而工件心部仍有高的塑性和韧性。表面渗碳是表面热处理的一种,热处理还有调质,淬火,回火,渗氮等. 简单来说,一般工件,比如说轴承,要表面耐磨,但心部必须韧性好.大家又知道,对同一工件说,韧性和硬度<或耐磨度>是此消彼长的.调质可以使整体的韧性和硬度达到一个相对平衡的水平.对一般用途的工件来说,这就够了.但对精密仪器比如航空航天类的器件,要求更高. 所以将金属件淬火又回火后,即调质后,整体韧性就很好了,而且表面硬度也达到一定水平.这时再经过渗碳,会在表面形成很薄的一层渗炭层,即马氏体组织,具有相当好的硬度.这样处理后,工件心部韧性很好,表面硬度又很好,是外硬内韧的好工件. 其实另一种表面热处理工艺:渗氮的原理和渗碳差不多,但工艺操作难度较大,故而成本较大,一般也只应用于航天航空工业中.
低碳钢[15]经渗碳并淬火、回火后可使其表面具有较高硬度及耐磨性，同时，保持其心部具有高的韧性等特点。因此，渗碳是当今热处理领域应用最广泛的一种化学热处理工艺。目前，国内采用的渗碳工艺普遍存在渗碳时间长这一问题，因而寻找短时间内可获得较深渗层的高效节能的渗碳新工艺引起广大热处理研究者的关注。由于碳在高温时的活性较大，且铸铁的碳浓度较低碳钢的碳浓度大，利用铸铁的碳浓度与低碳刚的碳浓度差这一现象，对低碳钢在铸铁液中进行中温短时渗碳是一个值得研究的课题。有关用铸铁液渗碳的方法虽已有文献报道，但仍处于试验阶段。
凸轮轴的技术要求是各轴承档、凸轮淬硬层深度≥1.4mm，硬度58-62HRC。
中频感应加热淬火工艺：专用感应圈；频率：10kHz；功率：轴承档、小凸轮85±5KW，大凸轮80±5KW；加热时间(s)：小凸轮7±0.5，大凸轮5±0.5；加热方法：轴承档以转速F500旋转连续加热，凸轮扫描加热；冷却：介质AQ251，温度10-40(℃)，时间5(s)，浓度10-15%。
回火（2次）：烘箱、风道式回火炉或铝合金炉，200±20(℃)、3h，空气冷却。
将工件放入感应器(线圈)内，当感应器中通入一定频率的交变电流时，周围即产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流──涡流。感应电流在工件截面上的分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小，这种现象称为集肤效应。工件表层高密度电流的电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却，即可实现表面淬火。
由于工件具有不规则的形状，不是均称的圆柱体，若将带有凸尖的工件置于圆形感应器中，若工件不旋转，则其尖角部位加热速度比其他部位要快，易出现过热，这种现象称为尖角效应，因此，为了克服这种现象，采用了特殊的仿形感应器。