El árbol de levas es un componente crucial en el tren de válvulas de un motor de combustión interna. Es responsable de regular la apertura y el cierre de las válvulas de acuerdo con una secuencia de trabajo y una fase de válvulas específicas, garantizando que las válvulas tengan una elevación adecuada. En consecuencia, desempeña un papel decisivo en el rendimiento global del tren de válvulas.
En un motor de cuatro tiempos, la velocidad de giro 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 motor considerable.
Durante el funcionamiento, la superficie de la leva y el balancín o el taqué experimentan una elevada tensión periódica de contacto y una rápida velocidad relativa de deslizamiento. Como resultado, el árbol de levas debe poseer suficiente dureza y rigidez, mientras que la superficie de la leva debe tener una buena resistencia al desgaste y al impacto.
El producto Modelo M es un motor diesel a gran escala diseñado para uso marino. El árbol de levas de este producto está hecho de acero Cf53.
Durante las pruebas iniciales de resistencia a la tracción del cuerpo del árbol de levas, el límite elástico resultó ser bajo. Sin embargo, después de que el proveedor hiciera ajustes en el proceso de tratamiento térmico, la límite elástico cumplían las normas exigidas, mientras que la resistencia a la tracción seguía siendo baja (como se muestra en la Tabla 1).
Tabla 1 ensayo de las propiedades mecánicas del árbol de levas de acero Cf53
| Proyecto | Rm/MPa | Rp0.2/MPa |
| Valor estándar | 710~850 | ≥400 |
| Primera prueba | 717 | 358 |
| Segunda prueba | 685 | 408 |
Además, durante la producción diaria, el árbol de levas fabricado con acero Cf53 (equivalente al acero 55) presenta el problema de su baja dureza, inferior a 200 HBW.
Para solucionar los problemas de calidad mencionados, hemos llevado a cabo una investigación y un análisis del centro de producción perteneciente a la empresa proveedora responsable de la fabricación del árbol de levas tipo M en las primeras fases. Hemos propuesto medidas de mejora, que implican el ajuste de los parámetros del proceso, incluidos el equipo de normalización, la temperatura de normalización y la velocidad de enfriamiento.
Véase el cuadro 2 para el esquema de ajuste del proceso.
Tabla 2 esquema de ajuste del proceso de tratamiento térmico del árbol de levas de acero Cf53
| Proyecto | Instalaciones de tratamiento térmico | Ruta del proceso | Método de refrigeración |
| Antes del ajuste | Horno de vagoneta | 820 ℃ normalización | Refrigeración por aire forzado |
| Después del ajuste | Placa de empuje alambre normalizador | 840 ℃ normalización | Fuerte viento frío |
En este post se analizan las propiedades físicas y químicas del material del cuerpo del árbol de levas de acero Cf53 mejorado y se estudia el efecto de la 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.
Se inspeccionó la composición química del árbol de levas, y los resultados se muestran en la Tabla 3, que cumplen los requisitos de especificación de materiales: Árbol de levas de acero (norma de la empresa) Q / WCG 610.22.
Tabla 3 composición química del árbol de levas de acero cf53 (fracción másica) (%)
| Proyecto | C | Si | Mn | Cr | Ni | P | S |
| Valor estándar | 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 |
Las propiedades de tracción a temperatura ambiente se ensayaron en la máquina de ensayos de tracción del laboratorio físico y químico (véase la Fig. 1).
Fig. 1 Ensayo de tracción
Y detecta la dureza de la barra de prueba del árbol de levas.
Véanse en la Tabla 4 los resultados de las pruebas de propiedades mecánicas de la varilla de prueba del árbol de levas.
Tabla 4 resultados de las pruebas de propiedades mecánicas del cuerpo del árbol de levas
| Proyecto | Tratamiento térmico | Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A(%) | Z(%) | DurezaHBW |
| Valor estándar | normalizando | 710~850 | ≥400 | ≥16 | ≥40 | 214~252 |
| 1 # muestra | normalizando | 791 | 429 | 18 | 42 | 222 |
| 2 # muestra | normalizando | 753 | 409 | 19 | 47 | 226 |
Los índices de inspección cumplen los requisitos de la especificación de materiales para Árbol de levas de acero (norma de empresa) Q/WCG 610.22.
En la Tabla 1 se comparan 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 tras el ajuste del proceso.
La figura 2a muestra la estructura del centro del árbol de levas del modelo M tras la corrosión con alcohol ácido nítrico 4%. En la posición B puede observarse una zona alargada con un diámetro de 1,5 mm, que presenta colores completamente diferentes a los de las zonas circundantes. La estructura metalográfica de esta zona se presenta en la figura 2b.
Las características estructurales de la zona B son notablemente diferentes de las de la zona A, lo que indica la formación de una segregación regional.
Fig. 2 macroestructura y estructura metalográfica del eje de leva tras la corrosión
La Fig. 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 la estructura metalográfica y el método de evaluación para piezas forjadas de acero según GB/T 13320-2007.
La estructura del núcleo está formada por perlita y ferrita, con un tamaño de grano uniforme.
La calificación de la estructura es de grado 2.
Según el método GB/T 6394-2002 para determinar la granulometría media de los metales, la granulometría real de austenita es de grado 8, que cumple los requisitos técnicos.
La Fig. 4 presenta 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 altas cantidades de C, S, P y otros elementos. El contenido de WC del acero Cf53 oscila entre 0,52% y 0,57%, y la zona de segregación del componente central está cerca del componente del punto eutectoide. Por lo tanto, se forma principalmente la estructura de perlita, y sólo se forma una pequeña cantidad de estructura de ferrita.
Según el diagrama de clasificación de defectos de la macroestructura del acero estructural GB/T 1979-2001, la segregación central se clasifica como grado 1, que entra dentro del rango admisible de los 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 vertido razonable y utilizar una relación de forja grande durante la forja y laminación de la barra en bruto.
Dado que la segregación severa puede afectar significativamente a la calidad del acero, las inspecciones de defectos de segregación deben controlarse razonablemente durante la inspección de entrada de material en barras para garantizar la calidad del tocho.
Véase en la Tabla 5 la profundidad de la capa de endurecimiento superficial por inducción y los resultados de los ensayos de dureza de la punta de melocotón de leva, el círculo de base y el soporte Journal (véase la Fig. 5).
Tabla 5 resultados de detección de la capa de fuego de la pintura de inducción del árbol de levas
| Punta de melocotón | Círculo de base | Gorrón del cojinete | ||||
| 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 los requisitos estándar.
La estructura metalográfica de la capa endurecida por inducción se muestra en la figura 6.
La evaluación de esta estructura se realiza de acuerdo con QC/T 502-1999, que es la norma para la inspección metalográfica de piezas de automoción endurecidas por inducción.
La estructura observada se identifica como aguja fina martensita, clasificado como grado 4, y satisface los requisitos de la norma 20200718.
Fig. 6 estructura metalográfica de la capa de temple por inducción
Tras analizar el árbol de levas tipo M fabricado con acero Cf53 después del ajuste del proceso, se pueden extraer las siguientes conclusiones:
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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