S195球墨铸铁凸轮轴采用高频感应退火机进行热处理，产生裂纹缺陷的原因分析及其工艺改进

农用S195柴油机QT600一3球墨铸铁凸轮轴是柴油机的重要零件，常采用高频感应退火机进行热处理。生产中发现，在凸轮轴排、进气表面产生裂纹，造成平均12%工件报废，初步分析认为，形成裂纹关键是由于热处理工艺不当，形成了粗大高碳片状马氏体，以及残留奥氏体过多，回火不足等原因造成的。

宏观检查发现，在凸轮弧线和切面处发现微细龟状裂纹，而在工件基圆处出现条状裂纹，裂纹深约0.005-3.5mm,裂纹走向与砂轮磨削方向平行或呈一定角度。微观形貌分析发现，表面裂纹大多起始于石墨球部位，形成穿晶或晶界裂纹，裂纹根部较宽，至尾端则呈尖细状。残留奥氏体测量表明，凸轮排气部分残留奥氏体过高，体积分数达20.38%。金相组织观察发现，工件进、排气部位淬火马氏体粗大，部分区域马氏体针间产生显微裂纹，残留奥氏体量高，同时工件中出现回火马氏体、珠光体、回火索氏体和回火托氏体等回火不均匀组织，并且在失效工件中发现大块磷共晶及碳化物缺陷组织。

分析认为，工件由于加热温度过高导致奥氏体晶粒粗大，淬火后形成粗大高碳马氏体。高碳粗大马氏体脆性大，在马氏体生长中相互碰撞易产生显微裂纹。工件在淬火中产生的组织应力、热应力和和磨削中产生的磨削应力等叠加。当叠加应力大于工件抗拉强度时，裂纹产生并扩展。另一方面，凸轮轴残留奥氏体过多，如回火不足，残留奥氏体在磨削热和磨削应力作用下发生相变转变为马氏体，因马氏体体积胀大产生组织应力，这种附加应力也易引起磨削裂纹。回火不足或回火不及时，工件裂纹将增多。工件放置时间从5min延长至24h，裂纹增加约10%-30%；凸轮轴材料为球墨铸铁，球墨铸铁中近石墨球处Si含量高，C含量低，远离石墨处P、Mn含量高。Si含量高的区域Ms点高，因而马氏体转变先发生，P、Mn含量高的区域Ms点低，则后发生马氏体转变，形成两微区域间复杂的应力场。此外，在冷却时，在100-200℃时球墨铸铁塑性低，在复杂应力下，当叠加应力超过材料抗拉强度时，引起工件开裂，裂纹从石墨处开始，沿石墨边界扩展。因此，高频感应加热表面淬火冷却时间应控制在工件表面层完成马氏体转变又不产生开裂的时刻，即不应淬透。当表面温度达250-300℃时，应停止喷水冷却，此时工件利用淬火余热进行自回火，又不会使工件产生裂纹和开裂。

综上所述，防止工件产生裂纹的改进工艺如下：

(1)改进感应器尺寸。感应圈内径由直径53mm改为直径50.5mm，利用改变磁通量控制工件3个凸轮处加热温度，使三者接近均温，以获得细小马氏体针和少量残留奥氏体组织；同时适当降低感应圈高度，由28mm降至23mm，以提高感应器效率，节约电能。

(2)控制加热功率。高频感应加热机的输出功率由78kW、加热13s改为62kW、加热9s，淬火后3个凸轮处马氏体针细小，残留奥氏体少。

(3)控制喷水时间。试验选定喷水时间为3.8-4.Os，使停喷温度在300℃，保持1min，工件淬火后性能合格。

(4)改进回火工艺。采用高频感应加热机进行回火热处理，温度为395-420℃，回火后组织为回火托氏体、回火索氏体和石墨。

本文简单介绍了S195球墨铸铁凸轮轴的高频改进工艺，许多厂家采用上述改进工艺进行热处理，生产出来的工件质量良好，满足了工作需要，废品率降至1.5%以下，经济效益十分显著。