球墨铸铁材料内燃机车柴油机凸轮轴激光固态相变的研究0制氮机

球墨铸铁材料内燃机车柴油机凸轮轴激光固态相变的研究

球墨铸铁材料内燃机车柴油机凸轮轴激光固态相变的研究 2011年12月09日 来源： 分类号：TH16　文献标识码：A文章编号：1001-3997(2000)01-0039-02Abstract：This paper first proposes a technology which successfully solves the problem of substituting the cast nodular-iron for the forged alloy-steel of the camshaft in a large diesel locomotive. After the nodular-iron camshaft is treated by laser surface hardening, its cost of material and manufacture will be decreased; at the same time its many physical and mechanical properties will be increased.▲　　大型内燃机车所用柴油机中的凸轮轴，为了适应野外的恶劣环境，以及承受巨大而复杂的应力，所使用的材料一般都应用优质合金钢如20Cr等经模锻——粗加工——渗碳——表面感应淬火——机械精加工而成，材料及制造成本均很高。即使如此，由于凸轮轴与阀门挺杆滚轮摩擦时，除受巨大的扭力外，还要受到阀门挺杆的挤压应力和磨损作用，致使凸轮轴经不长时间的使用后，其表面则开始出现如图1所示的严重磨损、擦伤、蚀点和疲劳剥落等早期损伤。图1　50X凸轮轴材质磨损情况　　经分析证明，造成凸轮轴上述早期磨损的根本原因是由于凸轮轴在渗碳炉中渗碳时在不同的部位不可避免地出现碳势(即渗碳浓度)不均匀、加之后来的感应淬火时，感应圈对凸轮外形的仿形精度不可能十分精确、以及喷水冷却时，不同部位冷却不均等因素，造成凸轮表面硬度不均，甚至出现微裂纹等缺陷所致。　　为了降低凸轮轴的材料和制造成本，也为了克服采用上述热处理时的缺陷，经研究，决定采用铸造球墨铸铁——机械粗加工——激光固态相变——机械精加工的工艺。现就其激光固态相变的有关研究阐述如下。1　数控导光装置的设计　　为了克服感应淬火时，感应圈制作中的仿形精度不可能很高，存在渗碳、加热、冷却不均匀等各方面的困难，在激光固态相变中，我们设计了如图2所示的数控导光装置。图2　数控导光装置　　在该装置中，由激光功率控制装置调节所需要输出激光功率的大小，导光镜调节激光的方位角，使激光束始终垂直照射到工件所需的表面位置上。该装置的机械部分由支撑激光头的水平支架和垂直支架，以及装夹凸轮轴工件的支架三部分组成。水平支架和垂直支架装有滚动丝杆，分别由步进电机1、2带动，实现激光头的水平和垂直移动。支承凸轮轴工件的支架装有步进电机3，可以实现工件凸轮的旋转。根据不同的凸轮的形状，在不同的旋转角度下的升程，编制出数控程序，输入数控程序，输入数控装置，控制三个步进电机的协调运动，步进电机1和2分别使激光束在水平和垂直方向按需要移动，从而实现激光对凸轮轴表面固态相变改性时的均匀加热和冷却，保证凸轮轴表面硬度和硬化层深度的均匀一致。2　硬化层深度与激光工艺参数的确定　　激光固态相变的硬化层深度H与激光输出功率P、光斑下径D、扫描进给速度F的关系如下：　　HP.(D.F)-1　　本研究在光斑直径一定时，不同的输出功率P及不同扫描速度F与硬化层深度H的关系如图3所示。产生图示情况的原因，是因为当光斑直径及扫描速度一定时，随着激光输出功率的增大，光斑内平均功率密度增大，同一时间内金属表面吸收的能量增加；经过金属基体的热传递，金属表面下介于相变温度AC1以上的区域也增大，从而导致硬化层深度增加。当功率有光斑直径一定时，随着扫描速度的增加，加热时间减少，金属表面吸收能量减少，导致硬化层深度减少。图3　不同的功率下扫描速度F和显微硬度(HV)的关系　　试验表明，除了激光工艺参数对工件硬化层深度的影响外，材料的含碳量对硬化层深度也有重要的影响。这是由于激光表面改性硬化与材料的相变温度和材料内部的温度分布有关。就铸铁类材料而言，共晶反应对生成的奥氏体的含碳量是相同的，材料含碳量不同只反映在石墨数量上的不同。所以，此时影响硬化层深度的因素是材料内部的温度分布。材料内部的温度分布与材料热学性能有关。热扩散系数α=k/ρ.Cp是反映热学性能的综合指标。热扩散系数α=k/ρ.Cp是反映热学性能的综合指标。式中，k为导热系数，ρ为密度，Cp

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