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徐显卉 张晓燕 王云红(齐齐哈尔第二机床厂)
摘 要：7D201B 号凸轮是齐齐哈尔第二机床厂生产的自动锻压机上的一个重要零部件，在中频感应淬火时，凸轮过渡区出现开裂，裂纹指向凸轮的几何中心,对此进行了多方而的检验与分析，查找出造成凸轮开裂的真正原因是该凸轮在中频淬火前预备热处理组织不合格，并提出了改进措施。
关键词： 凸轮，中频淬火，预备热处理
1 工作凸轮的自然概况
70201 B号工作凸轮是Z47-12C型自动锻压机上的重要部件，其外观形貌以及开裂位置如图1所示，该凸轮材质为T10，要求外圆淬火(中频)硬度HRC 61，正常工艺流程为锻造→退火→机加→中频加热淬火→回火→检查。
估计裂纹可能形成原因有以下几个方面：
(1)化学成分对淬火裂纹敏感性的影响；
(2)原材料有缺陷存在着应力集中(包括冶金缺陷等)；
(3)凸轮结构特点可能对裂纹形成有影响；
(4)工艺操作不当，过大的热应力促使裂纹形成；
(5)淬火前原始组织和应力状态促使裂纹生成。
图1 凸轮外观尺寸示意图
2 常规检验
2.1 化学成分
2.2 硬度检测
断口附近取样，做硬度俭测，外圆HRC 61，心部硬度HB 207，按国家标准，心部硬度偏高(退火交货状态硬度应不大于HB197)。
2.3 断口宏观检验
断口呈灰亮光泽，具有粗人粒状结构，断口处未发现明显的冶金缺陷，另外断裂是在淬火时爆裂。由此可以初步断定凸轮是巨大的内应力作用下的沿晶脆性断裂。
3 金相检验
3.1 在外圆淬火面取样、磨制、抛光，再用4%的硝酸酒精浸蚀，其显微组织为针状马氏体，加少量碳化物和残余奥氏体，见图2 。500倍下按JB2406-79评定，马氏体4级(合格级别1-4.5级)。
3.2 凸轮心部取样，磨削抛光,4%硝酸酒精浸蚀，在500倍下，金相组织为粗大片状珠光体，如图3，按国家标准评定，珠光体大于6级(合格级别2-4级)，在100倍下观察存在粗大网状碳化物，如图4所示。网状碳化物级别大于5级(合格级别不大于3级)。
图2 显微组织
图3 凸轮心部显微组织 图4 凸轮心部粗大网状碳化物
4 分析与结论
4.1 T10钢在锻造时，由于终锻温度高或冷却速度小造成的原始组织粗大，二次碳化物沿晶界析出，粗大的片状珠光体淬火加热时奥氏体晶粒迅速长大，使钢件过热，从而导致淬火开裂。粗片状珠光体组织周围存在的过剩的二次网状碳化物，增加了钢的脆性。更加提高了凸轮的淬火开裂倾向。因此淬火前的原始组织不良是造成凸轮开裂的主要原因。
在实际生产中球状珠光体是希望获得的组织，因为球状珠光体比较稳定，在奥氏体转变时碳化物溶入缓慢，可阻碍奥氏体晶粒长大，淬火后获得细密的马氏体组织减少其内应力。另外球状珠光体的比容较片状珠光体大些，所以淬火后球状珠光体比容变化小。因此原始组织为均匀的珠状珠光体的钢对减少淬火裂纹来说，是淬火前较理想的组织状态。
4.2 从凸轮结构上看，其采用中频淬火，由淬硬层厚度与零件截面尺寸(直径)之比很小，淬火后获得3型残余应力,3型应力作用方式和大件淬裂产生的力学模型如图5所示。
图5 3型应力作用方式及大件淬裂力学模型
在 3型应力作用下大型零件只能产生纵劈和横断两种形式，从而凸轮纵向几何尺寸相对很小，只能形成径向开裂一种淬裂形式。它的起裂点通常在凸轮的横断面的几何中心处，并且沿垂直于凸轮径向面，由里向外沿凸轮过渡区(应力集中区)扩展直至开裂，这也是凸轮淬裂的又一直接原因。
4.3 凸轮淬火采用的是盐水淬火介质，冷速很大，马氏体转变区间冷速很大，也增加了钢件淬裂倾向。
粗大的原始组织和二次网状碳化物的存在，是凸轮在3型应力作用下，中频感应淬火开裂的主要原因。
图6 球化退火工艺曲线
5 改进措施及合理化建议
(1)工具钢在锻造时控制好压缩比、终锻温度，采用锻造后迅速冷却至600-700℃缓冷，以免析出网状碳化物，球化退火后再机加工及淬火。球化退火工艺曲线如图6所示。
(2)由于T10钢锻造时压缩比、终锻温度很难控制，产生网状碳化物的可能性很大，因此若网状碳化物已经存在，必须高温(810-840℃)正火(空冷) 消除，正火同时也细化了晶粒。在正火之后，为了降低硬度，改善切削加工性，粗片状珠光体球化，减少淬火加热敏感性，还必须进行球化退火，其工艺曲线如图 6，这样得到的原始组织再中频淬火。
(3)降低冷却温度，可减少淬火应力。很多工厂采用水油双液、分级、等温淬火，也可以在原始组织合格的情况下，减少淬裂倾向。
(4)考虑到凸轮质量安全性问题，将为开裂的凸轮作报废处理避免同类事故再次发生，建议有关部门严格控制工艺流程，工具钢的预备热处理必须进行，大型非淬透性零件，最好在淬火前做一下金相检验。
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