16MnCr5鋼大馬力柴油機凸輪軸滲碳淬火組織演變

房國梁， 王茂林

(中國重汽集團 濟南動力有限公司， 山東 濟南 250220)

凸輪軸是內燃機的核心零部件之一，控制著內燃機氣門的開啟和閉合。凸輪軸在內燃機運行過程中保持高轉速，承受著磨損、交變接觸應力和彎曲應力，因此對凸輪軸的疲勞強度等力學性能的要求很高，尤其是重載大馬力柴油機用凸輪軸。滲碳淬火可使工件具有高的表面硬度、耐磨性以及高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度，且心部具有足夠的強度和韌性，能夠滿足凸輪軸的服役條件[1]。某大馬力柴油機凸輪軸采用低碳合金鋼16MnCr5制造，通過滲碳淬火工藝進行強化，經過多年的市場實踐驗證，可靠性極高，無不良售后反饋。本文對16MnCr5鋼凸輪軸滲碳淬火后的顯微組織和硬度進行了分析，以期為制定凸輪軸的實際生產工藝提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

某大馬力柴油機凸輪軸采用16MnCr5鋼制造，該牌號為德國引進的滲碳專用鋼，化學成分為0.14～0.19C、0.15～0.4Si、1.0～1.3Mn、<0.035P、<0.035S、0.8～1.1Cr。鋼中Cr和Mn的加入使材料具有較好的淬透性，滲碳速度較快[2]，適用于直徑較大且有效滲層較深的工件。與國內傳統的滲碳用鋼20Cr及20CrMnTi相比，16MnCr5鋼制凸輪軸獲得的組織性能更好[3]。

1.2 滲碳淬火工藝

16MnCr5鋼凸輪軸的滲碳淬火工藝技術要求為：滲碳淬火后的表面硬度為57～63 HRC，滲層深度≥1.5 mm，滲層馬氏體、碳化物≤3級，殘留奧氏體≤4 級。

采用可控氣氛滲碳淬火多用爐對凸輪軸進行滲碳淬火，該設備可實現滲碳過程中的介質流量、壓力、滲碳氣氛等的自動控制，溫控精度±5 ℃，碳勢精度±0.05%。為滿足技術要求，在綜合考慮生產成本、生產效率的基礎上，根據材料特性制定滲碳淬火工藝，如圖1所示，其中滲碳氣氛為氮甲醇-丙烷吸熱式氣氛，采用較快的淬火油進行冷卻。淬火后使用低溫箱式回火爐進行160 ℃×4 h低溫回火。

圖1 16MnCr5鋼凸輪軸的滲碳淬火工藝Fig.1 Carburizing and quenching processes of the 16MnCr5 steel camshaft

由于滲碳過程中碳的擴散速度隨溫度的升高呈指數增加，溫度略有升高即可顯著縮短滲碳時間[4]，考慮16MnCr5鋼本質細晶粒的特性，在保證奧氏體化后的晶粒不異常長大的前提下，盡量選取較高的滲碳溫度，以提升生產效率。經工藝驗證，強滲溫度為940 ℃ 時的滲碳效率相比930 ℃提升約20%。根據相關研究結果[5]和工藝驗證，零件表面含碳量控制在0.7%左右時的淬火硬度最高，同時在該碳勢下細長軸的變形量較小，因此將擴散階段碳勢設定為0.7%。

1.3 檢測方法

通過線切割從滲碳淬火+低溫回火后的凸輪軸切取試樣，經打磨、拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕后，利用蔡司Axio Imager A2m光學顯微鏡和JEOL/EOJSM-6610場發射掃描電鏡觀察滲碳層沿縱截面不同深度處的顯微組織。使用Tukon2500全自動顯微維氏硬度計對滲碳層的硬度梯度進行測量，加載載荷1 kg。用DMAX-2500X射線衍射儀測定試驗鋼板中殘留奧氏體含量。得到衍射圖譜后，利用X射線衍射分析軟件進行尋峰處理，并計算衍射峰高度、半高寬及積分強度，選擇奧氏體的(111)、(200)、(220)衍射線以及鐵素體的(110)、(200)、(211)衍射線，利用式(1)計算殘留奧氏體含量：

Vr=1.4Ir/(Ia+1.4Ir)

(1)

式中：Vr是殘留奧氏體的體積分數；Ir是奧氏體(111)、(200)、(220)衍射峰的平均積分強度；Ia是鐵素體(110)、(200)、(211)衍射峰的平均積分強度。

2 滲碳組織分析

2.1 滲碳層表面的顯微組織

圖2所示為16MnCr5鋼凸輪軸滲碳層表層(深度≤0.5 mm)的光學顯微組織和XRD檢測結果，可以看出，凸輪軸的滲層組織為細針狀馬氏體+殘留奧氏體，馬氏體針長度約10 μm，馬氏體等級2級，殘留奧氏體等級2級。由定量金相法測得殘留奧氏體體積分數約為10.3%如圖2(a)所示，根據GB/T 8362—1987《鋼中殘余奧氏體定量測定 X射線衍射儀法》，由XRD方法測得殘留奧氏體體積分數為9.5%左右(如圖2(b) 所示)，兩種測試方法結果略有差異，但都證明了回火后的組織符合殘留奧氏體等級≤4級的要求。殘留奧氏體的產生是由于Mn、Cr、C等元素溶入奧氏體中，提高了奧氏體的穩定性和硬度。

圖2 16MnCr5鋼凸輪軸滲碳層的顯微組織(a)和XRD圖譜(b)Fig.2 Microstructure (a) and XRD pattern (b) of the carburized layer surface of the 16MnCr5 steel camshaft

2.2 滲碳層不同深度的顯微組織

圖3和圖4分別為16MnCr5鋼凸輪軸滲碳層不同深度處的光學顯微組織和硬度分布曲線。可以看出，在距表面約1.0 mm的范圍內，組織為細小的針狀馬氏體+殘留奧氏體，如圖3(a, b)所示，其硬度大于700 HV。在距表面1.5 mm之內時，自表面向里，馬氏體逐漸粗化，殘留奧氏體含量增加，開始出現貝氏體組織，如圖3(c, d)所示，該深度范圍的硬度略有降低，為600～700 HV。在距離表面>1.5 mm的區域為有效滲碳層和基體之間的過渡區，存在一層貝氏體和馬氏體的復合組織，如圖3(e～g)所示，該區域的顯微硬度降為450～600 HV，但仍高于基體硬度。過渡層出現的貝氏體為韌性相，可協調后續馬氏體轉變時體積增大的效應，對改變內應力分布、減少淬火裂紋有重要意義。基體組織為貝氏體和低碳馬氏體的復合組織，如圖3(h)所示。總體來看，隨著滲碳層深度的增加，組織中馬氏體形態和尺寸發生明顯變化，并伴隨有貝氏體的出現，顯微硬度逐漸降低。

圖3 16MnCr5鋼凸輪軸滲碳層不同深度處的顯微組織Fig.3 Microstructure at different depth of the carburized layer of the 16MnCr5 steel camshaft(a,b) 1.0 mm; (c,d) 1.0-1.5 mm; (e-h) >1.5 mm

圖4 16MnCr5鋼凸輪軸滲碳層的硬度分布曲線Fig.4 Hardness distribution curves of the carburized layer of the 16MnCr5 steel camshaft

圖4為凸輪軸桃尖、一側凹弧和基圓部位的硬度分布曲線。可以看出，3個部位的滲碳層表面的硬度為726～754 HV，換算為洛氏硬度為61.2～62.3 HRC，符合標準要求。根據GB/T 9450—2005《鋼件滲碳淬火硬化層深度的測定和校核》，從零件表面到硬度值為550 HV處的垂直距離為有效硬化層深度。據此得出桃尖、凹弧和基圓部位的有效硬化層深度(CHD)分別為1.76、1.62和1.64 mm。由于尖角效應，桃尖處曲率小，此處有效硬化層深度略深。

圖5為16MnCr5鋼凸輪軸滲碳層不同深度處的SEM圖。可以看出，距表面0.5 mm的表層處為細針狀馬氏體組織，馬氏體為尺寸均勻的針狀(片狀)狀，尺寸為5～10 μm，如圖5(a)所示。距表面1.8 mm處的過渡區組織出現了沿奧氏體晶界或貫穿晶粒的貝氏體組織，貝氏體成長條狀，馬氏體仍為針狀(片狀)狀，且由于先轉變貝氏體對奧氏體晶粒的分割作用，使部分馬氏體尺寸變小，如圖5(b)所示。據表面2.5 mm處的基體組織為貝氏體和低碳馬氏體的復合組織，貝氏體和馬氏體區均為發育充分的多邊形形貌，這是由于基體在相對較低的冷速下發生轉變。

圖5 16MnCr5鋼凸輪軸滲碳層不同深度處的SEM圖Fig.5 SEM images at different depth of the carburized layer of the 16MnCr5 steel camshaft(a) 0.5 mm; (b) 1.8 mm; (c) 2.5 mm

3 結論

1) 16MnCr5鋼凸輪軸經滲碳淬火和低溫回火后，滲碳層表面組織為高碳的針狀馬氏體和10%左右的殘留奧氏體。馬氏體針長度約10 μm，馬氏體等級2級，殘留奧氏體等級2級，符合顯微組織要求。

2) 16MnCr5鋼凸輪軸沿深度方向分為滲碳層、過渡區和基體，滲碳層中馬氏體有兩種分布形態，分別為最外層的細密針狀馬氏體和較內層的粗大馬氏體。過渡區存在貝氏體和馬氏體的復合組織，基體為貝氏體和低碳馬氏體的復合組織。

3) 16MnCr鋼凸輪軸經滲碳淬火+低溫回火后，有效硬化層深度可以達到1.5 mm以上，表層組織硬度可達750 HV。隨著深度的增加，硬度緩慢下降。