渗碳件表面含碳量分析

1.3 表面含碳量与渗碳层压应力 σ-值 、变形的 关系 渗碳件经淬回火处理后 , 表层会产生残余压
应力 σ-(见图 9)。其最大值一般位于渗碳层深 50%～60%间 , 在渗碳层与心部交界处残余应力会 由压应力 σ-转变为拉应力 σ+。 渗碳层中的 σ值主要由渗碳层深度 、心部硬度 、表面组织等因素 决定 ;当渗碳层深度和心部硬度一定时 , 表层马氏 体转变愈充分 , 片状马氏体针叶愈细小 , 孪晶密度 愈低 , σ-值就愈大 。 σ-值最大值于渗碳 层深度 约一半处 , 就是因为此处含碳量低于最表面 , 淬火 时马氏体转变最充分 , 体积效应最明显 , 片状马氏 体的孪晶密度最低 。 实践证实 :σ-有助于提高渗 碳件的弯曲 、扭转疲劳强度 。因而 , 理想的含碳量 应使渗碳件表层获得最大的 σ-值[ 4] 。
图 9 钢中渗面层内的应力 分布
图 10 力学性能试样示意图
图 11 凸轮轴实 物示意图
2.2 原工艺 原工艺为常规工 艺 , 其 工艺流程 如图 12 所
示 , 试验数据列于表 1中 , 图 13为常规工艺处理 后有效硬化层的硬度推移曲线 , 图 14～16分别为
零件经过常规工艺处理后的渗碳层最表面和离表 面 0.1 mm处的金相组织 , 及其芯部基体的金相 组织 。
马氏体的性能除了受到渗碳层表面含碳量的 影响外 , 还与渗碳后的淬火方法有关 。当渗碳后 采用降温直接淬火法 , 考虑到组织相变的遗传等 因素 , 渗碳件表面的含碳量几乎完全是奥氏体中 的含碳量 , 淬火后便得到相等的马氏体含碳量。 所以采用该种 方法仍规 定渗碳件 表面 ω(C)在 0.8%～1.0%范围显然是不适宜的 , 而应该取下限 值或在 0.6%～0.8%范围内 。 当渗碳后采用缓冷 重新加热淬火法 , 由于表面含碳量大于共析成份 且加热速度快 , 保温时间短 , 有部分碳化物来不及 完全溶入奥氏体中 , 使得奥氏体中的实际含碳量 并不高 , 再加上奥氏体中成份来不及均匀 , 存在 ω(C)值的起伏 , 淬火后便容易得到隐晶马氏体 。 所以采用此 种方法的渗碳件表面 , ω(C)规定在 0.8%～1.0%是可以的 。考虑到 某些合金渗碳钢 中所含的合金元素会使相图的共析成份点左移 , 其表面 ω(C)范围也 需作相 应调 整 , 取 0.7%～ 0.9%比较适宜 。
2 生产实际的应用
上海电装燃油喷射有限公司于 2006年初开 始引进生产日本电装公司的 4NB型喷油泵 , 目前 产品全部返销日本三菱 、日野 。 针对 NB型喷油 泵中的重要零件凸轮轴的国产化生产 , 日方专家 提出了产品必须满足使用 10 ×105 km无故障的
目标要求 。 技术人员对凸轮轴的工作过程进行认 真分析后发现 , 零件除受一定的弯曲和扭转载荷 外 , 主要还受凸轮部分承受变化的挤压应力以及 挺杆的摩擦力 , 因此要求产品具有相应的强度和 刚度以及良好的耐接触疲劳和耐磨性能 。 为此 , 技术人员对凸轮轴的热处理生产工艺进行了设计
根据热处理理论 , 决定金属材料性能的内因 是成份 、组织 、结构 , 而成份是获得组织 、结构的首 要条件 。所以 , 确立零件渗碳表面含碳量的要求 并选择将其控制在合理的范围之内 , 对于提高汽 车零件的内在质量有着十分重要的意义 。
渗碳件经过渗碳以及随后的淬回火处理后 , 达到强度 、硬度 、韧性的最佳配合 , 以及表层较高 的压应力和整体最小的变形量 , 从而保证渗碳件 表层具有高的接触疲劳强度和良好的耐磨性 。 渗 碳件的性能主要取决于渗碳层的性能 , 而渗碳层 的性能则取决于表面含碳量 、碳浓度梯度 、渗碳层 深度以及淬回火后的组织结构 。 1.1 表面含碳量与碳浓度梯度和渗碳层深度的
ω(C)/% 规格 实测值 0.8 ±0.05 0.83
表 1 常规工艺的试验数据
表面硬度 /HRC 有效硬化层 / mm 渗碳层金相组织
试样力学性能
规格 57～ 65
实测值 规格 59.5～ 60.5 2.5～ 3.0
实测值
规格
实测值
σ/ MPa 规格 实测值
σ-1 / MPa 规格 实测值
20 ≥ 600
改进 , 并对新旧两种工艺进行了试验对比 , 结果表 明 :对于 16MnCr5材料的凸轮轴表面 , ω(C)选择 0.80% ±0.05%是适宜的 。 2.1 试验条件
力学试验所用的试样如图 10所示 , 渗碳淬回 火采 用 凸轮 轴 实 物, 如 图 11 所 示 , 材 料 为 1 6MnCr5。
众所周知 , 马氏体是渗碳层淬火组织的基体 相 , 它的性能在很大程度上决定了渗碳层的性能 。 马氏体的形态主要决定于奥氏体中的化学成份和 马氏体的形成温度 TS, 碳是强烈降低 TS的元素 。 因此 , 碳是影响马氏体形态 的最重要元素 (见图 3), 马氏体的强度 、硬度均随马氏体中的 含碳量 增加而增强 (见图 4)。同时 , 随着马氏体含碳量 增加 , 晶格畸变增加 , 铁原子的化合力减弱 , 促使 塑性 、韧性下降 ;当马氏体中的含碳量增加至一定 值时 , 在马氏体片之间会产生微裂纹 , 使韧性和断 裂强度进一步恶化 。 马氏体的性能决定于它的形 态 、含碳量及显微结构 (见图 5、图 6)。
渗碳件经淬火后 , 受热应力和组织应力的综 合作用 , 均存在着不同程度的变形 , 在不考虑其它
48
现 代 车 用 动 力 2008年 第 1期
条件对零件变形的前提下表面含碳量愈高 , 淬火 后得到马氏体中的含碳量也就愈高 , 晶格畸变也 就愈大 、淬火时的组织应力相应也就愈大 , 随之渗 碳件的变形量也就愈大 。 因而理想的表面含碳量 应使渗碳件在淬火时变形量最小 。
图 1 中 , CS 代表 第 1 点 的 碳 的质 量 分 数 ω(C), 其数值受到零件渗碳过程中的渗碳温度 、 时间 、渗剂中碳势的影响而变化 ;第 2点的控制深 度和 ω(C)分别为 XR =0.4X, CR =CS -0.1;第 3 点的深度和 ω(C)由有效硬化层深度 DC值来确 定 (DC值的测定参照 GB9450— 88), X=DC, 第 3点的 ω(C)用 CA 来表示 ;CO 表示材料基体的 ω (C)。从图 1可知 , 当渗碳层深度一定时 , 表面 含碳量愈高 、其浓度梯度愈陡 , 反之亦然 。 而当渗 碳层很薄时 , 提高表面含碳量就十分困难 。 如层 深 ≤0.3 mm时 , ω(C)一般在 0.45%～0.65% 之 间 , 即便如此表面也能得到 750～800HV的高硬度 (见图 2)。
第 1期 (总第 129期 ) 现 代 车 用 动 力 No.1(serialNo.129) 2008年 2月 MODERNVEHICLEPOWER Feb.2008
文章编号 :1671 -5446(2008)01 -0045 -05
文献 [ 1]证实 :当渗碳件表面 ω(C)>1.0%,
并采用渗碳 -缓冷 -再加热淬火 法时 , 极易 形成块 状或网状碳化物及粗叶针状马氏体组织 , 所以要 获得渗碳件的正常组织 , 无论采用何种淬火方法 , 其渗碳件的表面 ω(C)不能大于 1.0% 。 1.2.2 表面含碳量与马氏体形态及性能的关系
图 4 含碳量与淬火硬度之间的关系
图 7 渗碳层中大量残余奥氏体 (600 ×)
图 5 碳 含量对马氏体屈服强度的影响
图 8 钢中 ω(C)与比容的关系
图 6 高碳马氏体中的微裂纹情况
1.2.3 表面含碳量与残余奥氏体的关系 零件渗碳淬回火后 , 均存在一定数量的残余
奥氏体 。适宜的残余奥氏体量可以使内应力得到 松弛 , 可以减缓裂纹的扩展速率 , 但过量的残余奥 氏体会降低表面硬度 , 同时残余奥氏体还存在着 稳定性的问题 (见图 7)。 特别是对于渗碳件热处 理后需磨削加工的零件 , 由于磨削加工过程中产 生的磨削热 , 会使部分残余奥氏体分解成回火马 氏体 +ε-碳化物 , 而残余奥氏体和回火马氏体之 间存在较大的比容差 (见图 8), 促使新旧回火马 氏体间产生压力差 。 因旧回火马氏体的高强度 、
图 2 日本电装零件实测图片 (500 ×)
由此可见 , ω(C)≥ 0.8%的规定 , 不适宜薄 层渗碳 。理想的表面含碳量应使渗碳层获得平缓 的碳浓度梯度 , 其值应根据理想的碳浓度分布曲 线和渗碳层深度确定 。 1.2 表面含碳量与渗碳层组织和性能的关系 1.2.1 渗碳件的正常淬火组织
渗碳件的正常淬火组织分为两类 :一类是渗 碳件经渗碳采用降温直接淬火法获得的组织 , 其 组织形态为 :由表层的马氏体 +残留奥氏体 ※ 逐 渐过渡到低碳条状马氏体 +可能存在的少量铁素 体 ;另一类是渗碳件经渗碳缓冷再加热淬火获得 的组织 , 其组织形态为 :由表层的隐晶或针状马氏 体 +少量残余奥氏体 +少量碳化物 ※ 过渡到马 氏体 +残留奥氏体 ※ 再逐渐过渡到里层的低碳 条状马氏体 +可能存在的少量铁素体 。 显然 , 渗 碳件淬火后表层组织出现大块状或大网状碳化物 以及粗针状马氏体 , 均不是技术人员所希望得到 的 。它的存在会明显降低渗碳件的表面强度和增 加其表层脆性, 有时还会显著降低其表面耐磨 性 [ 1 ～ 4] 。
图 3 含碳量与马氏体形态的关系
2008年第 1期 金华 , 等 :汽车零件渗碳表面含碳量分析
47
不能吸收新回火马氏体所产生的压力 , 导致在旧 回火马氏体间产生拉应力 , 过高的拉应力是产生 磨削裂纹的根源 。 相关资料证实 :此类零件的残 余奥氏体应控制在 15%以下较适宜 , 其相应的渗 碳件表面 ω(C)不应超过 1.0%[ 2, 3] 。
关系 零件渗碳后均希望获得平缓的碳浓度梯度 , 目前大多采用 3点法对其控制 (见图 1)。
图 1 理想的碳浓度分布曲线
＊ 收稿日期 :2007 -11 -03 作者简介 :金华 (1973 -), 女 , 上海人 , 工程师 , 副主任 , 目前主要从事燃油喷射系统热处理研究工作 。
46
现 代 车 用 动 力 2008年 第 1期
引 言
1 表面含碳量与渗碳层性能的关系
目前 , 在国内汽车零件的生产中渗碳仍然是 最为广泛 、最为普及的化学热处理方法之一 , 渗碳 层表面的含碳量 , 即碳的质量分数 ω(C)一般要 求在 0.80%～1.05% 之间 。 其选择原则是 :通常 情况下低 碳钢取 上限 , 富 Cr-Ni合 金钢 取下 限 。 但近几年来 , 随着热处理行业对汽车零件性能研 究的深入 , 对渗碳层表面含碳量的要求有下降趋 势 。上海电装燃油喷射有限公司在与日本电装公 司的合作过程中发现 , 其内燃机喷油泵中的重要 零件凸轮轴 (材料为 16MnCr5), 渗碳层深度要求 为 2.5～3.0 mm, ω(C)要求为 0.8%。 国内汽车行 业对汽车齿轮的热处理要 求一般是材料 选择富 Cr-Ni合金钢 (如 20CrNi3A), 渗碳层深度要求在 0.7～1.0 mm之 间 , ω(C)的范围 控制在 0.7%～ 0.9%之间 。
汽车零件渗碳表面含碳量分析 ＊
金华 1 , 沈建军1 , 许文瑞 2
(1.上海电装燃油喷射有限公司 , 上海 200136;2.上海伊捷燃油喷射有限公司 , 上海 200136)
摘要 :研究了汽车零件渗碳热处理后渗碳层表面含碳量与碳浓度分布梯度 、渗碳层深度 、表面 正常淬火组织 、表面应力状 态及渗碳件淬火变形量之间的 关系 , 为了满足 NB喷油泵中的重要零件凸轮轴使用 10×105 km无故障的目标要求 , 对原 热处理加工工艺进行 了设计改进 , 并作了新旧两种工艺的对比试验 。 关键词 :凸轮轴 ;渗碳层 ;表面含碳量 中图分类号 :TK421.5 文献标识码 :B