1. Prefacio
El árbol de levas es un componente crucial en el tren de válvulas de un motor de combustión interna. Se encarga de regular la apertura y cierre de válvulas según una secuencia de trabajo y fase de válvula específica, asegurando que las válvulas tengan una elevación adecuada. Por ello desempeña un papel decisivo en el rendimiento general del tren de válvulas.
En un motor de cuatro tiempos, la velocidad de rotación del árbol de levas es la mitad que la del cigüeñal. En consecuencia, el árbol de levas gira a una velocidad muy alta y debe soportar un par importante.
Durante el funcionamiento, la superficie de la leva y el balancín o empujador experimentan una tensión de contacto elevada periódica y una velocidad de deslizamiento relativa rápida. Como resultado, el árbol de levas debe poseer suficiente tenacidad y rigidez, mientras que la superficie de la leva debe tener buena resistencia al desgaste y al impacto.
2. Contexto de la investigación
El producto Modelo M es un motor diésel de gran escala diseñado para uso marino. El árbol de levas de este producto está fabricado en acero Cf53.
Durante la prueba inicial de rendimiento de tracción del cuerpo del árbol de levas, el límite elástico fue bajo. Sin embargo, después de que el proveedor hizo ajustes al proceso de tratamiento térmico, el límite elástico cumplió con los estándares requeridos, mientras que la resistencia a la tracción se mantuvo baja (como se muestra en la Tabla 1).
Tabla 1 Prueba de propiedades mecánicas del árbol de levas de acero Cf53
| Proyecto | Ri /MPa | Rp0,2 /MPa |
| Valor estandar | 710~850 | ≥400 |
| Primer examen | 717 | 358 |
| Segunda prueba | 685 | 408 |
Además, durante la producción diaria, el árbol de levas fabricado en acero Cf53 (equivalente al acero 55) tiene el problema de su baja dureza, midiendo menos de 200 HBW.
Para resolver los problemas de calidad antes mencionados, realizamos una investigación y análisis del sitio de producción perteneciente a la empresa proveedora responsable de fabricar el árbol de levas tipo M en las primeras etapas. Presentamos medidas de mejora, que implican el ajuste de parámetros de proceso, incluyendo la normalización de equipos, normalización de temperatura y velocidad de enfriamiento.
Consulte la Tabla 2 para ver el esquema de ajuste del proceso.
Tabla 2 Esquema de ajuste para el proceso de tratamiento térmico del árbol de levas de acero Cf53
| Proyecto | Instalaciones de tratamiento térmico | Ruta del proceso | método de enfriamiento |
| Antes del ajuste | horno de carro | Normalización de 820 ℃ | Refrigeración por aire forzado |
| Despues del ajuste | Alambre de normalización de la placa de presión | Normalización de 840 ℃ | Viento fuerte y frio |
Esta publicación analiza las propiedades físicas y químicas del material mejorado del cuerpo del árbol de levas de acero Cf53 y estudia el efecto del proceso de normalización sobre las propiedades mecánicas del árbol de levas de acero Cf53. El objetivo es proporcionar un plan de proceso razonable para mejorar las propiedades integrales del árbol de levas.
3. Análisis de materiales
3.1 Composición química
Se inspeccionó la composición química del árbol de levas y los resultados se muestran en la Tabla 3, que cumplen con los requisitos de especificación del material: Árbol de levas de acero (estándar empresarial) Q/WCG 610.22.
Tabla 3 Composición química del árbol de levas de acero cf53 (fracción de masa) (%)
| Proyecto | W. | Sí | Minnesota | cr | No | PAG | s |
| Valor estandar | 0,52~0,57 | 0,15~0,35 | 0,60~0,80 | ≤0,35 | ≤0,30 | ≤0,025 | ≤0,035 |
| Valor de detección | 0.561 | 0.241 | 0,749 | 0.212 | 0.011 | 0.009 | 0.010 |
3.2 Propiedades mecánicas
Las propiedades de tracción a temperatura ambiente se probaron en la máquina de prueba de tracción en el laboratorio físico y químico (ver Fig. 1).
Fig. 1 Prueba de propiedad de tracción
Y detecta la dureza de la barra de prueba del árbol de levas.
Consulte la Tabla 4 para ver los resultados de las pruebas de propiedades mecánicas de la varilla de prueba del árbol de levas.
Tabla 4 resultados de las pruebas de las propiedades mecánicas del cuerpo del árbol de levas
| Proyecto | Tratamiento térmico | Ri /MPa | Rp0,2 /MPa | A(%) | Z(%) | Dureza HBW |
| Valor estandar | normalizando | 710~850 | ≥400 | ≥16 | ≥40 | 214~252 |
| 1 # muestra | normalizando | 791 | 429 | 18 | 42 | 222 |
| 2 # muestra | normalizando | 753 | 409 | 19 | 47 | 226 |
Las tasas de inspección cumplen con los requisitos de la Especificación de materiales de árboles de levas de acero (estándar empresarial) Q/WCG 610.22.
La Tabla 1 compara los resultados de las pruebas de propiedades mecánicas del árbol de levas de acero Cf53 antes y después del ajuste del proceso. Las propiedades mecánicas, especialmente la resistencia a la tracción (RM), muestran una mejora significativa después del ajuste del proceso.
3.3 Estructura metalográfica del cuerpo.
La Figura 2a muestra la estructura del centro del árbol de levas del modelo M después de la corrosión con alcohol de ácido nítrico al 4%. En la posición B se puede observar una zona distinta y alargada con un diámetro de 1,5 mm, que tiene colores completamente diferentes a los de las zonas circundantes. La estructura metalográfica de esta área se muestra en la Figura 2b.
Las características estructurales del área B son marcadamente diferentes de las del área A, lo que indica la formación de segregación regional.
Fig. 2 macroestructura y estructura metalográfica del árbol de levas después de la corrosión.
La figura 3 muestra la estructura metalográfica del área A en el centro del árbol de levas para el modelo M.
La microestructura metalográfica se evalúa utilizando el diagrama de clasificación de estructuras metalográficas y el método de evaluación para moldes de acero forjado de acuerdo con GB/T 13320-2007.
La estructura central está formada por perlita y ferrita, con un tamaño de grano uniforme.
La clasificación de la estructura es de grado 2.
Según el método GB/T 6394-2002 para determinar el tamaño de grano medio de los metales, el tamaño de grano real de la austenita es grado 8, que cumple con los requisitos técnicos.
La figura 4 muestra la estructura metalográfica del área B en el centro del árbol de levas para el modelo M.
La estructura del núcleo es principalmente perlita con una pequeña cantidad de ferrita distribuida y el grano de perlita es relativamente uniforme.
Fig. 3 estructura metalográfica de la zona 4 del centro del árbol de levas
Fig. 4 estructura metalográfica de la zona B del centro del árbol de levas
La región central de la barra del árbol de levas es la posición final para la cristalización y contiene grandes cantidades de C, S, P y otros elementos. El contenido de WC del acero Cf53 oscila entre 0,52% y 0,57%, y el área de segregación del componente central está cerca del componente del punto eutectoide. Por tanto, se forma principalmente la estructura de perlita y sólo una pequeña cantidad de estructura de ferrita.
Según el diagrama de clasificación de defectos de macroestructura de acero estructural GB/T 1979-2001, la segregación central se clasifica como grado 1, que se encuentra dentro del rango permitido de requisitos técnicos.
Por lo tanto, es crucial controlar el área de segregación del centro del árbol de levas, mejorar la pureza del acero fundido, adoptar un proceso de fundición razonable y utilizar una tasa de forjado alta durante el forjado y laminación de la barra en bruto.
Debido a que una segregación severa puede afectar significativamente la calidad del acero, las inspecciones de defectos de segregación deben controlarse razonablemente durante la inspección del material de la barra del bebedero para garantizar la calidad de la palanquilla.
3.4 Estructura metalográfica de la capa de endurecimiento superficial por inducción.
Consulte la Tabla 5 para conocer la profundidad de la capa de endurecimiento por inducción de la superficie y los resultados de las pruebas de dureza de la punta del melocotón de la leva, el círculo base y el muñón de soporte (consulte la Fig. 5).
Tabla 5 Resultados de la detección de la capa de fuego de pintura por inducción del árbol de levas
| Punta de melocotón | círculo base | diario rodante | ||||
| Caja templada/mm | DurezaHRC | Caja templada/mm | DurezaHRC | Caja templada/mm | DurezaHRC | |
| Criterio | 1,5 ~ 5,5 | 59~63 | 1,5~3,5 | ≥55 | 1,5~3,5 | ≥55 |
| Prueba | 5.0 | 61.2 | 3.5 | 63.4 | 3.5 | 63.2 |
Cumplir con los requisitos estándar.
La estructura metalográfica de la capa de endurecimiento por inducción se muestra en la Figura 6.
La evaluación de esta estructura se lleva a cabo de acuerdo con QC/T 502-1999, que es el estándar para la inspección metalográfica de piezas automotrices endurecidas por inducción.
La estructura observada se identifica como martensita de aguja fina, clasificada como grado 4, y cumple con los requisitos de la norma 20200718.
Fig.6 estructura metalográfica de la capa de endurecimiento por inducción.
3.5 Conclusión
Luego de analizar el árbol de levas tipo M fabricado en acero Cf53 luego del ajuste del proceso, se pueden sacar las siguientes conclusiones:
- La composición química del árbol de levas modelo M cumple con los estándares requeridos.
- Al aumentar la velocidad de enfriamiento de normalización, se pueden mejorar las propiedades mecánicas (resistencia a la tracción, límite elástico, alargamiento, reducción de área y dureza) del árbol de levas.
- La estructura metalográfica del cuerpo del árbol de levas del modelo M también cumple con los estándares necesarios. En el centro del cuerpo del árbol de levas existe una zona de segregación central de nivel 1 con un diámetro de 1,5 mm, distribuida a lo largo de la línea central del árbol de levas.
- La estructura metalográfica de la capa de endurecimiento por inducción del árbol de levas tipo M también se encuentra dentro de las especificaciones requeridas.
4. Sugerencias de mejora
- El proveedor está obligado a seguir el proceso de estandarización del árbol de levas tipo M de acero Cf53 de acuerdo con las directrices proporcionadas durante las fases de puesta a punto y producción de prueba. Además, deben mejorar la documentación relevante del proceso.
- La inspección de los defectos de segregación debe gestionarse adecuadamente para garantizar la calidad de la palanquilla durante la recepción del material en barras en la fábrica.
