凸轮轴用16MnCr5渗碳钢热处理组织及性能研究

胡保全，王延忠，牛晋川

（中北大学材料科学与工程学院，山西太原030051）

凸轮轴用16MnCr5渗碳钢热处理组织及性能研究

胡保全，王延忠，牛晋川

（中北大学材料科学与工程学院，山西太原030051）

分析研究了凸轮轴用16MnCr5渗碳钢热处理工艺及其组织与性能。结果表明，16MnCr5钢按设计的渗碳，淬火回火工艺处理后，表面至心部碳浓度及硬度呈现平缓下降的趋势，未出现突变的状况，渗层和心部组织、渗碳层深度、表面硬度及冲击功值达到了某型号凸轮轴的技术要求。

凸轮轴；16MnCr5；渗碳；组织及性能

凸轮轴是各类发动机上的关键零件之一，承受一定的载荷和经受长时间的磨损，其性能好坏直接影响发动机的质量和使用寿命。因此，要求凸轮轴材料具有高的表面硬度和良好的淬透性及优良的强韧性，以提高凸轮轴的耐磨性、弯曲强度、扭转强度及耐腐蚀能力[1，2]。针对某型号凸轮轴的工作条件和性能要求，我们选择了16MnCr5渗碳钢作为凸轮轴用材，确保高背压大功率柴油发动机用凸轮轴的技术要求，本文对柴油发动机用凸轮轴16MnCr5钢渗碳热处理组织及性能进行了研究。

1 试验材料及方法

试验材料为16MnCr5钢，其化学成分（质量分数，%）为：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井式气体渗碳炉中进行渗碳，炉内碳势由红外线CO2分析仪测定调节，炉内碳势为1.0，渗碳温度为930℃，渗碳采用煤油和稀释剂甲醇作为渗碳剂[3-6]，根据凸轮轴技术要求（渗层深度1.0 mm～1.2 mm），渗碳时间选定为8 h，渗碳结束后缓冷到室温出炉，淬火、回火加热在中温电阻炉中进行，淬火冷却方式采用油冷。

采用CS-244型硫碳分析仪进行剥层成分分析，渗碳层显微硬度用HV-1000Z显微硬度计测量，Olympus金相显微镜上进行显微组织观察，XL-20型扫描电镜观察断口形貌，采用JBDW-300B冲击试验机进行冲击试验，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm.

2 结果与分析

2.1 渗层组织、深度及碳浓度分布

采用25 mm×100 mm的试样进行930℃×8 h渗碳工艺处理，并对渗层组织、渗层深度及渗层碳浓度分布进行分析测定。

1）渗层组织及深度

渗碳层组织形貌如图1所示。

根据金相法[7]渗碳层深度为过共析层+共析层+（1/2）过渡层，很容易从图1得出，渗碳层厚度在1.0 mm～1.2 mm范围，符合某型号凸轮轴的技术要求。

图1 渗碳层组织形貌

表116 MnCr5钢渗碳层碳浓度分布数据

图2 渗碳层浓度分布曲线

2.2 淬火回火组织及性能

1）淬火回火组织

为了使淬火加热过程中奥氏体晶粒进一步细化，以获得更好的力学性能，渗碳后采用一次加热淬火，而不是直接淬火。淬火温度的选择兼顾了高碳的渗层和低碳的心部两方面的性能要求，因此，根据16MnCr5钢临界温度值（Ac1：730℃，Ac3：850℃），渗碳件淬火温度选定为820℃，淬火后，既可以保证渗碳层获得隐晶马氏体+细小碳化物+残余奥氏体组织，也可使心部得到低碳马氏体+铁素体（块状）组织。为了避免渗碳淬火零件表面硬度因回火温度过高而过多降低，根据凸轮轴技术要求，回火温度取180℃，保温时间3 h.这样经淬火回火后，渗碳层可获得高的硬度和好的耐磨性，而心部也可具有足够的韧性。16MnCr5钢淬火回火后金相组织见图3，渗碳层组织为回火马氏体+细小碳化物，心部组织为回火低碳马氏体+铁素体（块状）。

图3 淬火回火后金相组织

2）渗层碳浓度分布

表1为碳势为1.0条件下测定的表面至心部碳浓度分布数据，图2为表面至心部碳浓度分布曲线。从图2可以看出，渗碳层碳浓度分布呈现连续平稳下降的趋势，这样不会带来力学性能的突变，对于提高凸轮轴使用寿命有极大的益处[8]。

2）渗碳层硬度分布和冲击韧性

16MnCr5钢经渗碳、淬火及回火后，渗碳层显微硬度用HV-1000Z显微硬度计测量，测量时第一点距表面0.2 mm，两点间距0.1 mm，测量结果见图4.从图4可以看出，从表面至心部硬度呈逐渐下降的趋势，最表层硬度下降较快，当至表面距离超过2 mm时，硬度下降趋缓，这种变化与表面至心部含碳量的变化基本相符。

图4 渗碳层硬度分布曲线

根据国标GB/T12778-91，对16MnCr5钢渗碳热处理试样进行了冲击试验（室温），断口形貌见图5，渗碳层断口形貌为准解理断口，具有脆性断裂特征（见图5a），而心部断口是典型的韧窝状断口，属于韧性断裂（见图5b）.本试验对5个试样进行室温冲击试验，试验测得冲击功Ak平均值为16.8 J，达到了某型号凸轮轴技术要求。

3 结论

1）16MnCr5钢930℃×8 h渗碳，可获得1.0 mm～1.2 mm厚度的渗碳层，且表面至心部碳浓度呈现平缓降低，过渡区碳浓度未出现断崖式下降。这种碳分布状况对提高凸轮轴使用寿命大有益处。

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，从事金属基复合材料研究。E-mail：baoquan-hu@nuc.edu.cn