Efeitos do processo de normalização na árvore de cames de aço Cf53

1. Prefácio

A árvore de cames é um componente crucial no trem de válvulas de um motor de combustão interna. É responsável por regular a abertura e o fechamento das válvulas de acordo com uma sequência de trabalho e fase da válvula específicas, garantindo que as válvulas tenham elevação adequada. Como resultado, desempenha um papel decisivo no desempenho geral do trem de válvulas.

Num motor de quatro tempos, a velocidade de rotação da árvore de cames é metade da velocidade da cambota. Conseqüentemente, a árvore de cames gira a uma velocidade muito alta e deve suportar um torque significativo.

Durante a operação, a superfície do came e o balancim ou tucho sofrem alta tensão de contato periódica e rápida velocidade de deslizamento relativa. Como resultado, a árvore de cames deve possuir tenacidade e rigidez suficientes, enquanto a superfície do came deve ter boa resistência ao desgaste e ao impacto.

2. Contexto da investigação

O produto Modelo M é um motor diesel de grande escala projetado para uso marítimo. A árvore de cames deste produto é feita de aço Cf53.

Durante o teste inicial de desempenho de tração do corpo da árvore de comando, o limite de escoamento foi baixo. No entanto, após o fornecedor ter feito ajustes no processo de tratamento térmico, o limite de escoamento atendeu aos padrões exigidos, enquanto a resistência à tração permaneceu baixa (conforme mostrado na Tabela 1).

Tabela 1 teste de propriedades mecânicas da árvore de cames de aço Cf53

Projeto Reu/MPa Rp0.2/MPa
Valor padrão 710~850 ≥400
Primeiro teste 717 358
Segundo teste 685 408

Além disso, durante a produção diária, o eixo de comando feito de aço Cf53 (equivalente ao aço 55) apresenta o problema de baixa dureza, medindo abaixo de 200 HBW.

Para resolver os problemas de qualidade acima mencionados, conduzimos uma investigação e análise do local de produção pertencente à empresa fornecedora responsável pela fabricação da árvore de cames tipo M nas fases iniciais. Apresentamos medidas de melhoria, que envolvem o ajuste de parâmetros de processo, incluindo normalização de equipamentos, normalização de temperatura e velocidade de resfriamento.

Consulte a Tabela 2 para o esquema de ajuste do processo.

Tabela 2 Esquema de ajuste para processo de tratamento térmico da árvore de cames de aço Cf53

Projeto Instalações de tratamento térmico Rota do processo Método de resfriamento
Antes do ajuste Forno de carrinho Normalização de 820 ℃ Resfriamento por ar forçado
Após ajuste Fio de normalização da placa de pressão Normalização de 840 ℃ Vento forte frio

Este post analisa as propriedades físicas e químicas do material do corpo da árvore de cames de aço Cf53 melhorada e estuda o efeito do processo de normalização nas propriedades mecânicas da árvore de cames de aço Cf53. O objetivo é fornecer um plano de processo razoável para aprimorar as propriedades abrangentes do eixo de comando.

3. Análise de materiais

3.1 Composição química

A composição química da árvore de cames foi inspecionada e os resultados são mostrados na Tabela 3, que atendem aos requisitos de especificação do material: Árvore de cames de aço (padrão empresarial) Q/WCG 610.22.

Tabela 3 Composição química da árvore de cames de aço cf53 (fração de massa) (%)

Projeto C Si Mn Cr Não P S
Valor padrão 0,52~0,57 0,15~0,35 0,60~0,80 ≤0,35 ≤0,30 ≤0,025 ≤0,035
Valor de detecção 0,561 0,241 0,749 0,212 0,011 0,009 0,010

3.2 Propriedades mecânicas

As propriedades de tração à temperatura ambiente foram testadas na máquina de teste de tração no laboratório físico e químico (ver Fig. 1).

Fig. 1 Teste de propriedade de tração

E detecta a dureza da barra de teste da árvore de cames.

Consulte a Tabela 4 para obter os resultados dos testes de propriedades mecânicas da haste de teste do eixo de comando.

Tabela 4 resultados dos testes de propriedades mecânicas do corpo da árvore de cames

Projeto Tratamento térmico Reu/MPa Rp0.2/MPa A(%) Z(%) DurezaHBW
Valor padrão normalizando 710~850 ≥400 ≥16 ≥40 214~252
1 # amostra normalizando 791 429 18 42 222
2 # amostra normalizando 753 409 19 47 226

Os índices de inspeção atendem aos requisitos da especificação de material para eixo de comando de aço (padrão empresarial) Q/WCG 610.22.

A Tabela 1 compara os resultados dos testes de propriedades mecânicas da árvore de cames de aço Cf53 antes e depois do ajuste do processo. As propriedades mecânicas, principalmente a resistência à tração (RM), apresentam melhora significativa após o ajuste do processo.

3.3 Estrutura metalográfica do corpo

A Figura 2a mostra a estrutura do centro do eixo de comando do modelo M após corrosão com álcool de ácido nítrico a 4%. Uma área distinta e alongada com diâmetro de 1,5 mm pode ser observada na posição B, que apresenta cores completamente diferentes das áreas circundantes. A estrutura metalográfica desta área é apresentada na Figura 2b.

As características estruturais da área B são marcadamente diferentes daquelas da área A, indicando a formação de segregação regional.

Fig. 2 macroestrutura e estrutura metalográfica do eixo do came após corrosão

A Figura 3 mostra a estrutura metalográfica da área A no centro da árvore de cames para o modelo M.

A microestrutura metalográfica é avaliada usando o diagrama de classificação da estrutura metalográfica e o método de avaliação para moldes de aço forjados de acordo com GB/T 13320-2007.

A estrutura do núcleo consiste em perlita e ferrita, com granulometria uniforme.

A classificação da estrutura é grau 2.

De acordo com o método GB/T 6394-2002 para determinar o tamanho médio de grão de metais, o tamanho real de grão da austenita é grau 8, o que atende aos requisitos técnicos.

A Figura 4 apresenta a estrutura metalográfica da área B no centro do eixo comando de válvulas para o modelo M.

A estrutura do núcleo é principalmente perlita com uma pequena quantidade de ferrita distribuída e o grão de perlita é relativamente uniforme.

Fig. 3 estrutura metalográfica da área 4 do centro do eixo de comando

Fig. 4 estrutura metalográfica da área B do centro do eixo de comando

A região central da barra do eixo de comando é a posição final para a cristalização e contém grandes quantidades de C, S, P e outros elementos. O teor de WC do aço Cf53 varia de 0,52% a 0,57%, e a área de segregação do componente central está próxima do componente do ponto eutetóide. Assim, a estrutura perlita se forma principalmente e apenas uma pequena quantidade de estrutura de ferrita é formada.

De acordo com o diagrama de classificação de defeitos de macroestrutura de aço estrutural GB/T 1979-2001, a segregação central é classificada como grau 1, que está dentro da faixa permitida de requisitos técnicos.

Portanto, é crucial controlar a área de segregação do centro do eixo de comando, melhorar a pureza do aço fundido, adotar um processo de vazamento razoável e usar uma grande taxa de forjamento durante o forjamento e laminação da barra bruta.

Como a segregação severa pode impactar significativamente a qualidade do aço, as inspeções de defeitos de segregação devem ser razoavelmente controladas durante a inspeção do material da barra de entrada para garantir a qualidade do tarugo.

3.4 Estrutura metalográfica da camada de endurecimento superficial por indução

Consulte a Tabela 5 para obter os resultados do teste de profundidade e dureza da camada de endurecimento por indução de superfície da ponta pêssego do came, do círculo de base e do diário de suporte (consulte a Fig. 5).

Tabela 5 resultados de detecção da camada de fogo de tinta de indução da árvore de cames

Dica de pêssego Círculo base Diário de rolamento
Caixa temperada/mm DurezaHRC Caixa temperada/mm DurezaHRC Caixa temperada/mm DurezaHRC
Critério 1,5~5,5 59~63 1,5~3,5 ≥55 1,5~3,5 ≥55
Teste 5,0 61,2 3.5 63,4 3.5 63,2

Atenda aos requisitos padrão.

A estrutura metalográfica da camada de endurecimento por indução é mostrada na Figura 6.

A avaliação desta estrutura é realizada de acordo com QC/T 502-1999, que é a norma para inspeção metalográfica de peças automotivas endurecidas por indução.

A estrutura observada é identificada como martensita de agulha fina, classificada como grau 4, e atende aos requisitos da norma 20200718.

Fig. 6 estrutura metalográfica da camada de endurecimento por indução

3.5 Conclusão

Depois de analisar a árvore de cames tipo M feita de aço Cf53 após o ajuste do processo, as seguintes conclusões podem ser tiradas:

  1. A composição química da árvore de cames modelo M atende aos padrões exigidos.
  2. Ao aumentar a velocidade de resfriamento de normalização, as propriedades mecânicas (resistência à tração, resistência ao escoamento, alongamento, redução de área e dureza) da árvore de cames podem ser melhoradas.
  3. A estrutura metalográfica do corpo da árvore de cames do modelo M também atende aos padrões necessários. Existe uma área de segregação central de nível 1 no centro do corpo da árvore de cames com um diâmetro de 1,5 mm, distribuída ao longo da linha central da árvore de cames.
  4. A estrutura metalográfica da camada de endurecimento por indução da árvore de cames tipo M também está dentro das especificações exigidas.

4. Sugestões de melhoria

  1. O fornecedor é obrigado a aderir ao processo de normalização da árvore de cames tipo M em aço Cf53, de acordo com as orientações fornecidas durante as fases de ajuste e produção experimental. Além disso, devem aprimorar a documentação relevante do processo.
  2. A inspeção de defeitos de segregação deve ser gerenciada de forma adequada para garantir a qualidade do tarugo durante o recebimento do material da barra na fábrica.

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