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:
- A composição química da árvore de cames modelo M atende aos padrões exigidos.
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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.
