凸輪軸用16MnCr5滲碳鋼熱處理組織及性能研究

胡保全，王延忠，牛晉川

（中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030051）

凸輪軸用16MnCr5滲碳鋼熱處理組織及性能研究

胡保全，王延忠，牛晉川

（中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030051）

分析研究了凸輪軸用16MnCr5滲碳鋼熱處理工藝及其組織與性能。結(jié)果表明，16MnCr5鋼按設(shè)計(jì)的滲碳，淬火回火工藝處理后，表面至心部碳濃度及硬度呈現(xiàn)平緩下降的趨勢，未出現(xiàn)突變的狀況，滲層和心部組織、滲碳層深度、表面硬度及沖擊功值達(dá)到了某型號凸輪軸的技術(shù)要求。

凸輪軸；16MnCr5；滲碳；組織及性能

凸輪軸是各類發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵零件之一，承受一定的載荷和經(jīng)受長時(shí)間的磨損，其性能好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和使用壽命。因此，要求凸輪軸材料具有高的表面硬度和良好的淬透性及優(yōu)良的強(qiáng)韌性，以提高凸輪軸的耐磨性、彎曲強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及耐腐蝕能力[1，2]。針對某型號凸輪軸的工作條件和性能要求，我們選擇了16MnCr5滲碳鋼作為凸輪軸用材，確保高背壓大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用凸輪軸的技術(shù)要求，本文對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用凸輪軸16MnCr5鋼滲碳熱處理組織及性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為16MnCr5鋼，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為：0.16%C，1.35%Mn，1.17%Cr，0.08%Si，0.04%Ni，0.01%V，0.028%S，0.018%P.在30 kW井式氣體滲碳爐中進(jìn)行滲碳，爐內(nèi)碳勢由紅外線CO2分析儀測定調(diào)節(jié)，爐內(nèi)碳勢為1.0，滲碳溫度為930℃，滲碳采用煤油和稀釋劑甲醇作為滲碳劑[3-6]，根據(jù)凸輪軸技術(shù)要求（滲層深度1.0 mm～1.2 mm），滲碳時(shí)間選定為8 h，滲碳結(jié)束后緩冷到室溫出爐，淬火、回火加熱在中溫電阻爐中進(jìn)行，淬火冷卻方式采用油冷。

采用CS-244型硫碳分析儀進(jìn)行剝層成分分析，滲碳層顯微硬度用HV-1000Z顯微硬度計(jì)測量，Olympus金相顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀察，XL-20型掃描電鏡觀察斷口形貌，采用JBDW-300B沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm.

2 結(jié)果與分析

2.1 滲層組織、深度及碳濃度分布

采用25 mm×100 mm的試樣進(jìn)行930℃×8 h滲碳工藝處理，并對滲層組織、滲層深度及滲層碳濃度分布進(jìn)行分析測定。

1）滲層組織及深度

滲碳層組織形貌如圖1所示。

根據(jù)金相法[7]滲碳層深度為過共析層+共析層+（1/2）過渡層，很容易從圖1得出，滲碳層厚度在1.0 mm～1.2 mm范圍，符合某型號凸輪軸的技術(shù)要求。

圖1 滲碳層組織形貌

表116 MnCr5鋼滲碳層碳濃度分布數(shù)據(jù)

圖2 滲碳層濃度分布曲線

2.2 淬火回火組織及性能

1）淬火回火組織

為了使淬火加熱過程中奧氏體晶粒進(jìn)一步細(xì)化，以獲得更好的力學(xué)性能，滲碳后采用一次加熱淬火，而不是直接淬火。淬火溫度的選擇兼顧了高碳的滲層和低碳的心部兩方面的性能要求，因此，根據(jù)16MnCr5鋼臨界溫度值（Ac1：730℃，Ac3：850℃），滲碳件淬火溫度選定為820℃，淬火后，既可以保證滲碳層獲得隱晶馬氏體+細(xì)小碳化物+殘余奧氏體組織，也可使心部得到低碳馬氏體+鐵素體（塊狀）組織。為了避免滲碳淬火零件表面硬度因回火溫度過高而過多降低，根據(jù)凸輪軸技術(shù)要求，回火溫度取180℃，保溫時(shí)間3 h.這樣經(jīng)淬火回火后，滲碳層可獲得高的硬度和好的耐磨性，而心部也可具有足夠的韌性。16MnCr5鋼淬火回火后金相組織見圖3，滲碳層組織為回火馬氏體+細(xì)小碳化物，心部組織為回火低碳馬氏體+鐵素體（塊狀）。

圖3 淬火回火后金相組織

2）滲層碳濃度分布

表1為碳勢為1.0條件下測定的表面至心部碳濃度分布數(shù)據(jù)，圖2為表面至心部碳濃度分布曲線。從圖2可以看出，滲碳層碳濃度分布呈現(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)下降的趨勢，這樣不會帶來力學(xué)性能的突變，對于提高凸輪軸使用壽命有極大的益處[8]。

2）滲碳層硬度分布和沖擊韌性

16MnCr5鋼經(jīng)滲碳、淬火及回火后，滲碳層顯微硬度用HV-1000Z顯微硬度計(jì)測量，測量時(shí)第一點(diǎn)距表面0.2 mm，兩點(diǎn)間距0.1 mm，測量結(jié)果見圖4.從圖4可以看出，從表面至心部硬度呈逐漸下降的趨勢，最表層硬度下降較快，當(dāng)至表面距離超過2 mm時(shí)，硬度下降趨緩，這種變化與表面至心部含碳量的變化基本相符。

圖4 滲碳層硬度分布曲線

根據(jù)國標(biāo)GB/T12778-91，對16MnCr5鋼滲碳熱處理試樣進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)（室溫），斷口形貌見圖5，滲碳層斷口形貌為準(zhǔn)解理斷口，具有脆性斷裂特征（見圖5a），而心部斷口是典型的韌窩狀斷口，屬于韌性斷裂（見圖5b）.本試驗(yàn)對5個(gè)試樣進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)測得沖擊功Ak平均值為16.8 J，達(dá)到了某型號凸輪軸技術(shù)要求。

3 結(jié)論

1）16MnCr5鋼930℃×8 h滲碳，可獲得1.0 mm～1.2 mm厚度的滲碳層，且表面至心部碳濃度呈現(xiàn)平緩降低，過渡區(qū)碳濃度未出現(xiàn)斷崖式下降。這種碳分布狀況對提高凸輪軸使用壽命大有益處。

Study on Microstructure and Properties of Heat Treatment Camshaft Carburizing Steel 16MnCr5

HU Bao-quan，WANG Yan-Zhong，NIU Jin-Chuan
（College of Material Science and Engineering，North University of China，Taiyuan，Shanxi 030051，China）

After carburizing，quenching and tempering，the carbon concentration and hardness of 16MnCr5 steel present gentle decreasing from the surface to the center without sudden change.The microstructure of carburized layer and center，depth of carburized layer，surface hardness and impact energy satisfy the technique requirements of some type camshaft.

camshaft，16MnCr5，carburizing，microstructure and property

TG142.1

A

1674-6694（2015）05-0032-02

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.05.010

2015-06-01

胡保全（1964-），男，山西人，副教授，從事金屬基復(fù)合材料研究。E-mail：baoquan-hu@nuc.edu.cn