本發(fā)明涉及發(fā)動機(jī)零件熱處理領(lǐng)域，特別地，涉及一種深孔凸輪軸的滲碳方法。

背景技術(shù)：

某型發(fā)動機(jī)的重要部件選用小孔深長凸輪軸進(jìn)行動力傳遞，由于凸輪軸頸和兩端齒輪結(jié)構(gòu)的服役條件不同，因而齒輪型面和軸頸表面提出了不同的滲碳深度要求，來提高深長凸輪軸的整體服役能力。

如圖1所示，該凸輪軸材料牌號12CrNi3A，長度為600mm，軸向均勻分布9個Φ40mm直徑凸輪、4個直徑Φ30mm的軸頸，帶有Φ20mm的中心通孔，兩端為齒輪結(jié)構(gòu)，齒形外接圓直徑Φ90mm。凸輪軸的軸頸比達(dá)到20：1，為航空發(fā)動機(jī)典型的深孔長軸結(jié)構(gòu)，變形控制難度大。根據(jù)服役條件需要，齒輪齒形表面滲碳深度約為0.8～0.9mm，凸輪和軸頸部位滲碳深度約為1.4～1.5mm，滲碳后表面硬度需達(dá)到HRC60以上，軸頸外圓對中心孔的跳動控制在≤0.2mm。

采用傳統(tǒng)的一次滲碳、淬火工藝方法對深孔凸輪軸整體進(jìn)行滲碳1.4mm，滲碳后對齒形面滲碳層磨削加工至0.8滲碳深度，然而，該工藝下齒輪表面硬度大幅降低至HRC40，工作中齒輪磨損嚴(yán)重，不能滿足服役需求，降低了凸輪軸的使用壽命，如果發(fā)生齒輪斷裂，動力傳遞失效，就會有嚴(yán)重的安全隱患。此外，還存在滲碳的區(qū)域難以控制和滲碳過程中凸輪軸壁軸變形等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種深孔凸輪軸的滲碳方法，以解決現(xiàn)有滲碳工藝中的深孔凸輪軸使用壽命短、零件變形和滲碳的區(qū)域難以控制的技術(shù)問題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種深孔凸輪軸的滲碳方法，深孔凸輪軸包括設(shè)置在軸體上的凸輪和軸頸、設(shè)置在軸體兩端的齒輪以及設(shè)置軸體中心的中心孔，深孔凸輪軸的滲碳方法包括以下步驟：

在齒輪的齒面和中心孔的孔壁設(shè)置保護(hù)鍍層。

在中心孔內(nèi)套設(shè)一根與孔壁間隙配合的支撐軸，支撐軸兩端通過固定件與深孔凸輪軸固接并封閉中心孔，且在固定件上涂覆防滲涂料。

將深孔凸輪軸進(jìn)行一次預(yù)滲碳，在凸輪和軸頸上形成預(yù)滲層。

除去齒輪的保護(hù)鍍層，進(jìn)行二次終滲碳，齒面形成滲碳層并達(dá)到所需厚度，預(yù)滲層的厚度增加達(dá)到所需厚度，經(jīng)冷處理，回火，除去支撐軸即得。

進(jìn)一步地，在進(jìn)行一次預(yù)滲碳和/或二次終滲碳之前還包括預(yù)熱步驟：

將深孔凸輪軸裝入滲碳爐中，在700℃～720℃保溫10～20min預(yù)熱。

進(jìn)一步地，一次預(yù)滲碳包括以下步驟：

將深孔凸輪軸在800℃～820℃、碳勢為1.0～1.2C％的條件下開始滲碳，繼續(xù)升溫至880℃～920℃進(jìn)行強(qiáng)滲，保溫2～3小時后進(jìn)入擴(kuò)散階段。調(diào)整碳勢為0.9～1.0C％，繼續(xù)保溫1～2小時。隨爐冷卻到800℃～820℃，保溫1～2小時后進(jìn)行油冷。

進(jìn)一步地，一次預(yù)滲碳包括以下步驟：

將深孔凸輪軸在815℃、碳勢為1.1C％的條件下開始滲碳，繼續(xù)升溫至900℃進(jìn)行強(qiáng)滲，保溫2.5時后進(jìn)入擴(kuò)散階段。調(diào)整碳勢為0.95C％，繼續(xù)保溫1.5小時。隨爐冷卻到810℃，保溫1.5小時后進(jìn)行油冷。

進(jìn)一步地，二次終滲碳包括以下步驟：

將深孔凸輪軸在800℃～820℃、碳勢為0.9～1.1C％的條件下開始滲碳，繼續(xù)升溫至880℃～920℃進(jìn)行強(qiáng)滲，保溫1.5～2小時后進(jìn)入擴(kuò)散階段。調(diào)整碳勢為0.8～0.9C％，繼續(xù)保溫0.5～1小時。隨爐冷卻到800℃～820℃，保溫1～2小時后進(jìn)行油冷。

進(jìn)一步地，二次終滲碳包括以下步驟：

將深孔凸輪軸在815℃、碳勢為1C％的條件下開始滲碳，繼續(xù)升溫至900℃進(jìn)行強(qiáng)滲，保溫2小時后進(jìn)入擴(kuò)散階段。調(diào)整碳勢為0.85C％，繼續(xù)保溫1小時。隨爐冷卻到810℃，保溫1.5小時后進(jìn)行油冷。

進(jìn)一步地，冷處理步驟包括：

將深孔凸輪軸在-75℃～-73℃的條件下，保溫2～2.5小時，取出空冷。

進(jìn)一步地，回火步驟包括：

在保護(hù)氣氛爐中將深孔凸輪軸加熱到160℃～180℃，保溫2～3小時后出爐空冷。

進(jìn)一步地，固定件為螺母，保護(hù)鍍層為鍍銅層。

進(jìn)一步地，深孔凸輪軸沿自身軸向垂直吊掛在滲碳爐中進(jìn)行一次預(yù)滲碳和二次終滲碳。

本發(fā)明具有以下有益效果：上述深孔凸輪軸的滲碳方法，在中心孔內(nèi)設(shè)置了保護(hù)鍍層，同時在中心孔內(nèi)套設(shè)了支撐軸，兩端采用固定件封閉中心孔，既提高了中心孔的防滲碳效果，又減少了深孔凸輪軸的變形。此外，對深孔凸輪軸進(jìn)行兩次滲碳處理，凸輪和軸頸經(jīng)過一次預(yù)滲碳和二次終滲碳形成深層滲碳達(dá)到目標(biāo)厚度，齒輪表面經(jīng)過二次終滲碳形成淺層滲碳達(dá)到目標(biāo)厚度。該滲碳方法提高了齒輪、凸輪和軸頸滲碳層的深度均勻性，使其表面硬度高，強(qiáng)韌性好，耐磨性高，進(jìn)而提高深孔凸輪軸的抗磨損能力，從而提高了使用壽命。

除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點。下面將參照圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例的深孔凸輪軸的示意圖；

圖2是本發(fā)明優(yōu)選實施例的深孔凸輪軸滲碳后的齒輪表面滲碳層顯微組織SEM照片(400×)的示意圖。

附圖標(biāo)記說明：100、凸輪；200、軸頸；300、齒輪；400、中心孔。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。

參照圖1，本發(fā)明的優(yōu)選實施例提供了一種深孔凸輪軸的滲碳方法，深孔凸輪軸包括設(shè)置在軸體上的凸輪100和軸頸200、設(shè)置在軸體兩端的齒輪300以及設(shè)置軸體中心的中心孔400，深孔凸輪軸的滲碳方法包括以下步驟：

在齒輪300的齒面和中心孔400的孔壁設(shè)置保護(hù)鍍層。

在中心孔400內(nèi)套設(shè)一根與孔壁間隙配合的支撐軸，支撐軸兩端通過固定件與深孔凸輪軸固接并封閉中心孔400，且在固定件上涂覆防滲涂料。

將深孔凸輪軸進(jìn)行一次預(yù)滲碳，在凸輪100和軸頸200上形成預(yù)滲層。

除去齒輪300的保護(hù)鍍層，進(jìn)行二次終滲碳，齒面形成滲碳層并達(dá)到所需厚度，預(yù)滲層的厚度增加達(dá)到所需厚度，經(jīng)冷處理，回火，除去支撐軸即得。

凸輪100和軸頸200所需的滲碳層較厚為深層滲碳，齒輪300的齒面所需滲碳層較薄為淺層滲碳。為使各區(qū)域均達(dá)到所需的滲碳厚度，進(jìn)行兩次滲碳。在齒輪300的齒面和中心孔400的孔壁設(shè)置保護(hù)鍍層，對其進(jìn)行保護(hù)防止一次預(yù)滲碳時齒輪300上形成滲碳以及所有滲碳過程中中心孔400內(nèi)形成滲碳。

同時在中心孔400內(nèi)套入支撐軸，該支持軸與中心孔400為間隙配合，兩端通過固定件固定在深孔凸輪軸兩端。固定件遮蓋了中心孔400兩端的開口，并且固定件上涂覆防滲涂料，進(jìn)一步的防止中心孔400內(nèi)形成滲碳，防護(hù)效果更好。同時支撐軸可為中心孔400的內(nèi)壁提供支撐，使得深孔凸輪軸近似為實心輪軸，增強(qiáng)了強(qiáng)度，從而減少了其在滲碳過程中發(fā)生變形的可能性。

在完成上述步驟之后還可采用水劑清洗劑對軸頸200和凸輪100表面進(jìn)行清洗，以去除表面有污物、油漬殘留?？梢岳斫獾氖钱?dāng)其本身較為潔凈時，也可不進(jìn)行清洗。一次預(yù)滲碳和二次終滲碳均在滲碳爐中進(jìn)行，滲碳爐可優(yōu)選為井式滲碳爐，深孔凸輪軸可借助專用工裝吊掛在其中進(jìn)行滲碳。一次預(yù)滲碳可采用常規(guī)的滲碳方式在凸輪100和軸頸200上形成深層滲碳和淺層滲碳差值厚度的滲碳層，即0.6mm左右厚度的滲碳層。

除去齒輪300的保護(hù)鍍層，進(jìn)行二次終滲碳，齒面形成滲碳層并達(dá)到所需厚度0.8mm左右，而預(yù)滲層的厚度在0.6mm左右的基礎(chǔ)上增加達(dá)到所需厚度1.4mm左右。最后經(jīng)冷處理，回火，再通過操作固定件除去支撐軸即得。

本發(fā)明具有以下有益效果：上述深孔凸輪軸的滲碳方法，在中心孔400內(nèi)設(shè)置了保護(hù)鍍層，同時在中心孔400內(nèi)套設(shè)了支撐軸，兩端采用固定件封閉中心孔400，既提高了中心孔400的防滲碳效果，又減少了深孔凸輪軸的變形。此外，對深孔凸輪軸進(jìn)行兩次滲碳處理，凸輪100和軸頸200經(jīng)過一次預(yù)滲碳和二次終滲碳形成深層滲碳達(dá)到目標(biāo)厚度，齒輪300表面經(jīng)過二次終滲碳形成淺層滲碳達(dá)到目標(biāo)厚度。該滲碳方法提高了齒輪300、凸輪100和軸頸200滲碳層的深度均勻性，使其表面硬度高，強(qiáng)韌性好，耐磨性高，進(jìn)而提高深孔凸輪軸的抗磨損能力，從而提高了使用壽命。

可選地，在進(jìn)行一次預(yù)滲碳和/或二次終滲碳之前還包括預(yù)熱步驟：

將深孔凸輪軸裝入滲碳爐中，在700℃～720℃保溫10～20min預(yù)熱。

將深孔凸輪軸裝入滲碳爐中預(yù)熱之后，緊接著進(jìn)行一次預(yù)滲碳和/或二次終滲碳。預(yù)熱采用臺階升溫，降低升溫速率，可減少凸輪軸整體加熱過程中熱應(yīng)力引起的變形。

可選地，一次預(yù)滲碳包括以下步驟：

將深孔凸輪軸在800℃～820℃、碳勢為1.0～1.2C％的條件下開始滲碳，繼續(xù)升溫至880℃～920℃進(jìn)行強(qiáng)滲，保溫2～3小時后進(jìn)入擴(kuò)散階段。調(diào)整碳勢為0.9～1.0C％，繼續(xù)保溫1～2小時。隨爐冷卻到800℃～820℃，保溫1～2小時后進(jìn)行油冷。

一次預(yù)滲碳，先對深層滲碳區(qū)(軸頸200和凸輪100表面)滲碳，采用氣體滲碳法通過程序控制在高碳勢、高溫度下實現(xiàn)自動滲碳，使軸頸200和凸輪100表面獲得約0.6mm的滲碳深度。800℃左右開始進(jìn)行碳濃度控制，在升溫中連續(xù)滲碳，可縮短滲碳時間；采用800℃臺階冷卻，降低冷卻速率，可大幅減少凸輪軸整體冷卻中組織應(yīng)力引起的變形。

可選地，一次預(yù)滲碳包括以下步驟：

將深孔凸輪軸在815℃、碳勢為1.1C％的條件下開始滲碳，繼續(xù)升溫至900℃進(jìn)行強(qiáng)滲，保溫2.5時后進(jìn)入擴(kuò)散階段。調(diào)整碳勢為0.95C％，繼續(xù)保溫1.5小時。隨爐冷卻到810℃，保溫1.5小時后進(jìn)行油冷。

可選地，二次終滲碳包括以下步驟：

將深孔凸輪軸在800℃～820℃、碳勢為0.9～1.1C％的條件下開始滲碳，繼續(xù)升溫至880℃～920℃進(jìn)行強(qiáng)滲，保溫1.5～2小時后進(jìn)入擴(kuò)散階段。調(diào)整碳勢為0.8～0.9C％，繼續(xù)保溫0.5～1小時。隨爐冷卻到800℃～820℃，保溫1～2小時后進(jìn)行油冷。

二次終滲碳，再對淺層滲碳區(qū)齒輪300表面進(jìn)行滲碳，無需保護(hù)保護(hù)軸頸200和凸輪100，同時對三個區(qū)域進(jìn)行滲碳處理。通過程序控制實現(xiàn)齒輪300表面0.8mm的滲碳層，此時凸輪100和軸頸200部分經(jīng)過兩次滲碳即獲得約1.4mm的滲碳層。該操作可達(dá)到控制變形、縮短滲碳周期的效果；另外，對比一次預(yù)滲碳，碳濃度略低，主要是防止凸輪100和軸頸200最終滲碳層偏厚。

可選地，二次終滲碳包括以下步驟：

將深孔凸輪軸在815℃、碳勢為1C％的條件下開始滲碳，繼續(xù)升溫至900℃進(jìn)行強(qiáng)滲，保溫2小時后進(jìn)入擴(kuò)散階段。調(diào)整碳勢為0.85C％，繼續(xù)保溫1小時。隨爐冷卻到810℃，保溫1.5小時后進(jìn)行油冷。

可選地，冷處理步驟包括：

將深孔凸輪軸在-75℃～-73℃的條件下，保溫2～2.5小時，取出空冷。

該操作可促進(jìn)合金中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，增加馬氏體含量，提高合金強(qiáng)度。

可選地，回火步驟包括：

在保護(hù)氣氛爐中將深孔凸輪軸加熱到160℃～180℃，保溫2～3小時后出爐空冷。

低溫回火，析出一定強(qiáng)化相，消除組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的較大組織應(yīng)力與淬火應(yīng)力，同時獲得回火馬氏體，使合金內(nèi)部的組織狀態(tài)與應(yīng)力狀態(tài)分布均勻，從而使凸輪100軸獲得較高的表面強(qiáng)度，提高耐磨性和硬度分布均勻性，進(jìn)一步提高凸輪100軸的使用壽命。

可選地，固定件為螺母，保護(hù)鍍層為鍍銅層。固定件為螺母，支撐軸拆卸方便。鍍銅層保護(hù)效果好。

可選地，深孔凸輪軸沿自身軸向垂直吊掛在滲碳爐中進(jìn)行一次預(yù)滲碳和二次終滲碳。裝爐時采用垂直吊掛方式，確保在零件加熱過程中組織應(yīng)力和熱應(yīng)力變化分布均勻，減少尺寸影響效應(yīng)，控制小變形量。

實施1：一種用于深長凸輪100軸兩次滲碳工藝方法，包括以下步驟：

步驟1：防滲處理：對中心孔400、齒形表面進(jìn)行鍍銅保護(hù)。再在內(nèi)孔裝一根間隙配合的細(xì)長實心軸，兩端采用螺帽連接，再在螺帽上涂上防滲涂料。

步驟2：清洗：采用水劑清洗劑對軸頸200和凸輪100表面進(jìn)行清洗，表面不允許有污物、油漬殘留。

步驟3：一次預(yù)滲碳：先滲軸頸200和凸輪100表面，零件采用專用工裝垂直吊掛裝爐，在井式滲碳爐中加熱到700℃，保溫10min后升至800℃開始滲碳，碳勢為1.0C％，繼續(xù)升溫至880℃進(jìn)行強(qiáng)滲，保溫2小時后進(jìn)入擴(kuò)散階段，調(diào)整碳勢為0.9C％，繼續(xù)保溫1小時。隨爐冷卻到800℃，保溫1小時后進(jìn)行油冷。

步驟4：局部除銅：僅將齒輪300齒形表面的鍍銅層去除，并清洗。

步驟5：二次終滲碳：軸頸200、凸輪100連同齒輪300一起滲碳，零件垂直吊掛裝爐，在井式滲碳爐中加熱到700℃，保溫10min后升至800℃開始滲碳，碳勢為0.9C％，繼續(xù)升溫至880℃進(jìn)行強(qiáng)滲，保溫1.5小時后進(jìn)入擴(kuò)散階段，調(diào)整碳勢為0.8C％，繼續(xù)保溫0.5小時。隨爐冷卻到800℃，保溫1小時后進(jìn)行油冷。

步驟6：冷處理：將凸輪100軸裝入冷處理設(shè)備，降溫至-75℃，保溫2小時出爐空冷。

步驟7：回火：在保護(hù)氣氛爐中將凸輪100軸加熱到160℃，保溫2小時后出爐空冷。

試驗結(jié)果：滲碳層分布均勻，齒輪300齒形表面滲碳層深度0.85mm，軸頸200和凸輪100表面滲碳深度1.41mm，滲碳表面硬度分布HRC61～62，深孔軸變形小，跳動0.1mm。其中采用金相法檢測滲碳層，跳動采用千分表檢測。

取實施例1的深孔凸輪軸的齒輪300齒形表面滲碳層進(jìn)行滲碳層顯微組織掃描，掃描結(jié)果如圖2所示，從圖2中可看出滲碳層分布均勻，組織良好，無網(wǎng)狀碳化物。

實施2：一種用于深長凸輪100軸兩次滲碳工藝方法，包括以下步驟：

步驟1：防滲處理：對中心孔400、齒形表面進(jìn)行鍍銅保護(hù)。再在內(nèi)孔裝一根間隙配合的細(xì)長實心軸，兩端采用螺帽連接，再在螺帽上涂上防滲涂料。

步驟2：清洗：采用水劑清洗劑對軸頸200和凸輪100表面進(jìn)行清洗，表面不允許有污物、油漬殘留。

步驟3：一次預(yù)滲碳：先滲軸頸200和凸輪100表面，零件采用專用工裝垂直吊掛裝爐，在井式滲碳爐中加熱到710℃，保溫15min后升至815℃開始滲碳，碳勢為1.1C％，繼續(xù)升溫至900℃進(jìn)行強(qiáng)滲，保溫2.5小時后進(jìn)入擴(kuò)散階段，調(diào)整碳勢為0.95C％，繼續(xù)保溫1.5小時。隨爐冷卻到810℃，保溫1.5小時后進(jìn)行油冷。

步驟4：局部除銅：僅將齒輪300齒形表面的鍍銅層去除，并清洗。

步驟5：二次終滲碳：軸頸200、凸輪100連同齒輪300一起滲碳，零件垂直吊掛裝爐，在井式滲碳爐中加熱到710℃，保溫15min后升至815℃開始滲碳，碳勢為1.0C％，繼續(xù)升溫至900℃進(jìn)行強(qiáng)滲，保溫2小時后進(jìn)入擴(kuò)散階段，調(diào)整碳勢為0.85C％，繼續(xù)保溫1小時。隨爐冷卻到810℃，保溫1.5小時后進(jìn)行油冷。

步驟6：冷處理：將凸輪100軸裝入冷處理設(shè)備，降溫至-74℃，保溫2.5小時出爐空冷。

步驟7：回火：在保護(hù)氣氛爐中將凸輪100軸加熱到170℃，保溫2.5小時后出爐空冷。

試驗結(jié)果：滲碳層分布均勻，齒輪300齒形表面滲碳層深度0.88mm，軸頸200和凸輪100表面滲碳深度1.45mm，滲碳表面硬度分布HRC62～63，深孔軸變形小，跳動0.15mm。

實施3：一種用于深長凸輪100軸兩次滲碳工藝方法，包括以下步驟：

步驟1：防滲處理：對中心孔400、齒形表面進(jìn)行鍍銅保護(hù)。再在內(nèi)孔裝一根間隙配合的細(xì)長實心軸，兩端采用螺帽連接，再在螺帽上涂上防滲涂料。

步驟2：清洗：采用水劑清洗劑對軸頸200和凸輪100表面進(jìn)行清洗，表面不允許有污物、油漬殘留。

步驟3：一次預(yù)滲碳：先滲軸頸200和凸輪100表面，零件采用專用工裝垂直吊掛裝爐，在井式滲碳爐中加熱到720℃，保溫20min后升至820℃開始滲碳，碳勢為1.2C％，繼續(xù)升溫至920℃進(jìn)行強(qiáng)滲，保溫3小時后進(jìn)入擴(kuò)散階段，調(diào)整碳勢為1.0C％，繼續(xù)保溫2小時。隨爐冷卻到820℃，保溫2小時后進(jìn)行油冷。

步驟4：局部除銅：僅將齒輪300齒形表面的鍍銅層去除，并清洗。

步驟5：二次終滲碳：軸頸200、凸輪100連同齒輪300一起滲碳，零件垂直吊掛裝爐，在井式滲碳爐中加熱到720℃，保溫20min后升至820℃開始滲碳，碳勢為1.1C％，繼續(xù)升溫至920℃進(jìn)行強(qiáng)滲，保溫2小時后進(jìn)入擴(kuò)散階段，調(diào)整碳勢為0.9C％，繼續(xù)保溫1小時。隨爐冷卻到820℃，保溫2小時后進(jìn)行油冷。

步驟6：冷處理：將凸輪100軸裝入冷處理設(shè)備，降溫至-75℃，保溫2.5小時出爐空冷。

步驟7：回火：在保護(hù)氣氛爐中將凸輪100軸加熱到180℃，保溫3小時后出爐空冷。

試驗結(jié)果：滲碳層分布均勻，齒輪300齒形表面滲碳層深度0.9mm，軸頸200和凸輪100表面滲碳深度1.5mm，滲碳表面硬度分布HRC62～64，深孔軸變形小，跳動0.16mm。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。