材料改性实验答辩论文

浅析15号钢能否代替45号钢用作凸轮轴

班级：姓名：学号：字数：

摘要：凸轮轴是发动机的关键零件之一，要求凸轮轴具有相应的强度和硬度外，还应具有良好的抗擦性、抗接触疲劳能力和耐磨性。还要有一定的抗弯强度和足够的韧性，能承受一定的抗扭转载荷，保证受力后无明显变形。凸轮轴的材料选项主要取决于在发动机中的工作条件、使用工况，目前制造凸轮的材料、工艺种类较多，可分为钢和铸铁两大类。根据凸轮轴的服役条件、受力和失效情况。一般的凸轮轴选用渗碳钢和中碳钢。

关键字：45钢 15钢凸轮轴调质处理高频淬火表面渗碳低温回火

一、45钢的简介

45钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。45钢主要成分为 Fe（铁元素），且含有以下少量元素：

元素 C Si Mn Cr Ni Cu S P

含量/%0.42～

0.5%

0.17～

0.37%

0.50～

0.80%

≤

0.25%

≤

0.30%

≤

0.25%

≤

0.045%

≤

0.040%

45钢的密度7.85g/cm3，弹性模量210GPa，泊松比0.269。

二、45钢用作凸轮轴的工艺

1、45钢的调质处理

45钢淬火温度在A3+(30～50)℃，在实际操作中，一般是取上限的，约为840～860℃。偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少，且能提高工效。为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间，一般为1-2h。如果实际装炉量大，就需适当延长保温时间。不然，可能会出现因加热不均匀造成硬度不足的现象。但保温时间过长，也会也出现晶粒粗大，氧化脱碳严重的弊病，影响淬火质量。如装炉量大于工艺文件的规定，加热保温时间需延长1/5。

因为45钢淬透性低，故应采用冷却速度大的10%盐水溶液。工件入水后，应该淬透，但不是冷透，如果工件在盐水中冷透，就有可能使工件开裂，这是因为当工件冷却到180℃左右时，奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。因此，当淬火工件快冷到该温度区域，就应采取缓冷的方法。由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止，即可出水空冷（如能油冷更好）。另外，工件入水宜动不宜静，应按照工件的几何形状，作规则运动。静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂45钢调质件淬火后的硬度应该达到HRC56～59，截面大的可能性低些，但不能低于HRC48，不然，就说明工件未得到完全淬火，组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织，这种组织通过回火，仍然保留在基体中，达不到调质的目的。 45钢淬火后的高温回火，加热温度通常为560～600℃，硬度要求为HRC22～34。因为调质的目的是得到综合机械性能，所以硬度范围比较宽。关于回火保温

时间，视硬度要求和工件大小而定，我认为，回火后的硬度取决于回火温度，与回火时间关系不大，但必须回透，一般工件回火保温时间总在一小时以上。经过高温回火后的组织为回火索氏体。

2、45钢调质处理后表面高频淬火

经感应加热淬火的零件比炉中加热淬火件的硬度高2～5HRC。

2.1 表面高频淬火的简介

表面淬火的目的在于获得高硬度，高耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韧性，常用于机床主轴，齿轮，发动机的曲轴等。表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。表面淬火时通过快速加热，使钢件表面很快到淬火的温度，在热量来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。

高频淬火是感应加热淬火的一种且多数用于工业金属零件表面淬火，是使工件表面产生一定的感应电流，迅速加热零件表面，然后迅速淬火的一种金属热处理方法。感应加热设备，即对工件进行感应加热，以进行表面淬火的设备。感应加热的原理：工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电 (1000～300000Hz或更高)的空心铜管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800～1000℃，而心部温度升高很小。

2.2 高频感应淬火硬化层深度

感应加热淬火硬化层深度应根据零件的服役条件确定，表1列出了几种典型服役条件下的硬化层深度要求。为了获得表层残余应力，一般要求过度层深度小于硬化层的1/4。

表1 典型服役条件下的零件表层硬化层深度要求

失效原因工作条件硬化层深度及硬度值要求

磨损互动磨损且负荷磨损较小以尺寸公差为限，一般1～2mm，硬度

HRC55～63，可取上限

负荷较大或承受冲击负荷一般在2.0～6.5mm之间，硬度HRC55～

63，可取下限

疲劳周期性弯曲或扭转负荷一般为2.0～12mm，中小型轴类可取半径的10%～20%，直径小于40mm的取下限；过渡层为硬化层的25%～30%

凸轮轴在工作过程中承受一定的弯曲和扭转载荷外，主要是凸轮部分承受周期变化的挤压应力，其失效原因多为疲劳损伤。根据凸轮轴的服役条件和表1可以判断45钢凸轮轴的硬化层在0.5～2.0mm之间。

2.3 高频感应加热电源的选择

根据工件尺寸和要求的淬硬层深度选择合理的电流频率，以保证最佳的电效率。感应加热频率的选择：根据热处理及加热深度的要求选择频率，频率越高加热的深度越浅。高频(10KHZ以上)加热的深度为0.5～2.5mm,通过上面得知45

钢凸轮轴的硬化层在0.5～2.0mm 之间，要想通过高频感应加热对

45

钢表面淬火，则应选择的电源频率为200～300kHz 。

2.4 高频感应加热淬火温度 当对45钢进行过调质处理后进行表面高频感应加热淬火时，一定要注意感

应淬火的温度。由于感应加热速度快，为使组织充分转变，淬火温度应比一般热

处理的淬火温度高30～50℃，即达到830～870℃左右。

凸轮轴进行感应淬火硬化处理后，其奥氏体晶粒得到了细化，使表面硬度高，

耐磨性以及疲劳性得到改善，另外具有变形小、效率高、节能、自动化和机械化

操作程度高。

图1 45钢高频感应加热淬火 温度-硬度-组织分布 图2 45钢高频感应加热淬火后 的切应力分布 1-硬化层深度为1.5mm;

2-硬化层深度为0.2mm;

3-硬化层深度为3.0mm

由于感应加热工艺是瞬间的高温、冷却过程，金属表面不仅会因迅速淬火而

形成马氏体，而且在经过狭窄的淬硬区后还会得到感应淬火前的预处理基体组

织。高频感应淬火后有表层到芯部的组织:马氏体、马氏体+铁素体、珠光体+铁

素体。