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浅叙凸轮的材料选择和热处理

1.凸轮材料的选择

凸轮材料的选择及其热处理方法要根据凸轮的使用要求来

确定。一般情下凸轮材料选用45、45Mn2、40Cr等牌号的优质结

构碳素钢，表面淬火到50～55HRC。对于要求更高的情况，可选

用低碳钢，如15、20、20Mn2、20Cr等，进行渗碳处理后淬火到

58～63HRC，渗碳层厚度大约为0.8～1.2mm，此外，还可采用

GCr15轴承钢淬硬到60～64HRC。实践经验证明，比较重要的凸

轮采用球墨铸铁QT600-3经过等温淬火到45～50HRC，也可得到

良好的耐磨性。当凸轮是形状复杂的弧面时，通常采用38CrMoAl

进行氮化处理。

根据凸轮用途和使用条件不同，选择凸轮材质也不同。在任

何条件下，持续保证凸轮机构的功能和动作是不可缺少的条件。

一般来说，表面越硬，磨损越少，提高凸轮表面硬度对增强凸轮

高耐磨性是最重要的，提高凸轮表面硬度最有效的方法是表面硬

化处理。

在热处理方法中，硬化方法可分为两个大类，即渗碳淬火、

氮化处理、渗硫处理等化学热处理方法和高频感应加热淬火、火

焰淬火等物理热处理方法。工件表面硬化处理后最好需在

150-200℃条件下进行回火处理，低温回火可以保持硬度不变，

与只进行淬火处理相比，耐磨性要好很多。

大家都知道，钢的淬火硬度取决于钢的含碳量。当钢的含碳

量超过0.6%时，淬火硬度基本相同，回火后的硬度也几乎一样。

但是，含碳越多，耐磨性会越好，因为在高碳钢条件下有过剩的

球状渗碳体呈均匀状分布。当需要耐磨时，尽量使用高碳钢，并

进行淬火和回火处理。但是，使用含碳量越高的高碳钢，将越易

产生淬裂和弯曲变形等缺陷。对此如何选择，这就要根据热处理

和凸轮机构的使用环境，最好选择含碳量适当的钢材。在钢材中

增加Cr和V等合金元素，能产生具有特殊硬度的碳化物，显著

提高工件的耐磨性。这些含有特殊元素的钢材，耐磨性很好，应

用也较广。

2.凸轮磨损的形式及应对措施

凸轮磨损形式很多，其最主要的形式有：刮痕磨损，粘合磨

损，滚动磨损，冲击磨损，腐蚀磨损等。

刮痕磨损是由于在凸轮和滚子接触表面间渗入了一些硬颗

粒杂物，进而刮伤工件的接触表面。零件的耐磨性与其硬度成正

比，工件硬度越大，耐磨性越好。

零件相互接触表面不可避免会有微小突起部分，突起部分在

工作接触挤压过程中相互粘合。由于相互运动粘合，脱离物附着

在对方表面形成了粘合磨损。两种相接触的金属易形成合金或固

溶体。载荷过大时，摩擦温度升高，更易形成合金，促进粘合磨

损。因此，通过不同金属的组合使之不容易形成合金或固溶体是

很重要的。

滚动磨损是在凸轮或滚动轴承轨道面上的点状磨损，属疲劳

破坏。在凸轮节线上的点状凹坑，与在滚动轴承道上的点状凹坑

是一样的。前者叫点状腐蚀，后者叫表面脱落。点状腐蚀和表面

脱落发生在全体接触面上，当产生很大的剥离时，叫做剥落。防

止这种磨损的措施是通过热处理（淬火，回火）提高弹性极限值，

表面抛光以及使表面产生压缩残留应力那样地特殊热处理（如碳

氮共渗淬火后冷处理）。此外，使用润滑油，减少滑动也是极为

重要的。

冲击磨损是指某种大载荷或冲击力引起的磨损。对于这种磨

损，除了要求表面硬度之外，还要求整个工件具有较高的韧性。

因此，能冷加工硬化的奥氏体高锰钢应用较广泛。

腐蚀磨损有气体介质磨损和润滑油磨损两种。腐蚀产生的氧

化物的剥离和脱落即是腐蚀磨损的原因。高温、高湿、强酸和强

盐的环境加速了腐蚀磨损。对此，除了要改善腐蚀环境，还应采

用3Cr13或9Cr18等不锈钢。通过低温回火可得到耐腐蚀的马氏

体，用正火可得到耐腐蚀性较好的微细珠光体组织，此外，当零

件内部存在内应力时，最容易被腐蚀。因此，消除内应力及采用

防腐润滑油，也是防止腐蚀的有效措施。

3.提高耐磨性的热处理方法

高频感应加热淬火主要是对中碳钢凸轮表面进行淬火硬化，

提高表面耐磨性。是通过短时间处理容易得到高的硬度，而且变

形很小的常用热处理方法。作为凸轮的表面硬化法，高频感应加

热淬火的性能价格比较好。但是，在移动淬火时，轨道表面上将

产生淬火痕迹。对沟槽凸轮进行高频感应加热淬火时，轨道面底

部的淬火硬化较为困难。

氮化处理相对渗碳淬火、高频感应加热淬火等相比是低温处

理，不产生相变，工件变形很小。其优点在于表面硬度很高，疲

劳温度高，具有很高的