高速柴油机曲轴稀土离子氮碳共渗工艺

高速柴油机曲轴稀土离子氮碳共渗工艺

汪新衡1，匡建新1，赵虎军2

（1.湖南工学院机械系，湖南衡阳 421101；2.衡阳冶金厂，湖南衡阳 421000）

摘要：在不同温度、时间、气压及稀土含量下对42CrMOA钢进行了稀土离子氮碳共渗工艺试验，测定了不同工艺参数下表面强化层的硬度、厚度，并对比了稀土离子氮碳共渗工艺与其它表面强化工艺处理后的磨损性能和弯曲疲劳强度等力学性能。结果表明，5%RE、520CX2h、1.05kPa气压为该工艺的最佳参数，42CrMOA钢制高速增压柴油机曲轴用该工艺处理后，强度、硬度和厚度等指标均能满足其使用性能要求。关键词：42CrMOA钢；柴油机曲轴；稀土离子氮碳共渗

中图分类号：TG162.79；TG156.8 文献标识码：A 文章编号：0254-6051（2005）11-0060-03

IonRE-nitrocarburizingTechnologyUsedforCrankshaftofHighSpeedSuperchargeDieselEngine

WANGXin-heng1，KUANGJian-xin1，ZHAOHu-jun2

（1.Dept.OfMechanicaIEngineering，Hu'nanInstituteOfTechnOIOgy，HengyangHu'nan421101，China；

2.HengyangSmeItery，HengyangHu'nan421000，China）

Abstract：PrOcessOfiOnRE-nitrOcarbnrizingwascarriedOutOnthe42CrMOAsteeIwithdifferenttemperature，time，gaspressureandcOntentOfRE.ThesurfacemicrOhardnessandthedepthOfstrengthenedIayersweredeterminedandthewearresistanceandbendingfatiguestrengthOfspecimenstreatedbyiOnRE-nitrOcarbnrizingwerecOmparedwithOthersurfacetreatments.TheexperimentresuItsshOwthattheOptimumparametersOfthisprOcessareOfthattheREcOntentis5wt%，andthetreatingtemperature，timeandgaspressureare520C，2hand1.05kPa，respectiveIy.The42CrMOAsteeIcrankshafttreatedwiththistechnOIOgycanmeettheguaIityreguirementsfOr42CrMOAsteeIusedinhighspeedsuper-chargedieseIengine.

Keywords：42CrMOAsteeI；dieseIenginecrankshaft；iOnRE-nitrOcarburizing 曲轴是内燃机上的关键零件之一，其质量的优劣严重影响整台发动机的可靠性。目前各柴油机厂家纷纷通过扩缸、增压或提高转速等方法来提高发动机的功率，完成机型改造。这势必对曲轴强度和表面性能提出更高的要求。高频淬火、圆角滚压（或喷丸）、渗氮、氮碳共渗等都是曲轴表面强化处理常用的方

［1］

法。经过多次试验比较，发现高速增压柴油机曲轴

子渗氮炉内进行，采用大功率脉冲电源，共渗介质为热

［3］

分解氨，再加入自配的稀土有机溶液。在不同温

度、时间、气压和稀土含量下进行工艺试验，从中选择

［4］最佳的工艺参数。

用光学显微镜对渗层的金相组织进行观察；采用HV-120型维氏硬度计检测渗层脆性；在DC1型电动谐振式疲劳试验系统上测定曲轴试样的弯曲疲劳强度；在MM-200型磨损试验机上进行磨损试验，标准磨头（上试片）为GCr15钢，硬度60HRC，正压力!=196N，试样旋转速度400r/min，试样在试验前后用酒精清洗干净，烘干后称重；最后，随机抽取3根以最佳工艺参数进行稀土离子氮碳共渗的曲轴装机做1000h全速全负荷可靠性试验。

（材质为42CrMOA钢）采用稀土离子氮碳共渗强化处理效果较好。该技术不但能显著提高曲轴的疲劳强度、表面硬度和耐磨性，而且畸变较小，处理时间短，渗层组织优良，能够满足发动机的动力要求。

1 试验材料及方法

试验材料为42CrMOA钢，曲轴毛坯由棒料锻打成型，经正火、调质处理后，再经机械加工而成，通过钼丝

［2］

切割从曲轴坯料上截取试样。

2 试验结果及分析

2.1 温度的影响

42CrMOA钢试样分别在480C、500C、520C、550C下保温2h，气压均为1.05kPa，5%RE（质量分数，下同），得出处理温度对表面硬度、化合物层（白亮层）厚度及总渗层厚度的影响，其结果如表1所示。从表1可以看出，520C处理渗层表面硬度最高，渗层深度随温度升高而增加，化合物层厚度先随温度升高

稀土离子氮碳共渗在工业用LDMC150型辉光离

作者简介：汪新衡（1971.12—），男，湖南祁阳人，讲师，硕士，主要从事金属材料及加工工艺的教学和科研工作，已发表论文9篇，获国家实用新型发明专利1项。联系电话：0734-8859431收稿日期：2005-04-17

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而增加，520C后则下降。

表1 不同处理温度对渗层硬度及厚度的影响

Table1 Effectofthetreatingtemperatureonthehardness

andthicknessofthenitrocarburizedlayers

温度/C480500520550580

表面硬度（HV0.1）化合物层厚度/!m

9109651046978885

8151816.510

渗层厚度/mm

0.220.300.350.380.40

［6］

比较适宜的，此时的催渗效果较佳。

表4 不同稀土含量对渗层硬度及厚度的影响Table4 EffectoftheREcontentsonthehardnessand

thicknessofthenitrocarburizedlayers

稀土含量（wt%）

258

表面硬度（HV0.1）化合物层厚度/!m

9201046840

10189

渗层厚度/mm

0.210.350.28

由于稀土元素特有的电子层结构和原子尺寸，存在于钢中的稀土具有以下两个特点："具有较强的化学亲和力；#可降低体系的能量。在氮碳共渗时稀土元素原子周围将形成包含氮、碳的原子气团。当稀土含量很低时，这种气团不饱和，稀土元素将阻止氮、碳向钢的内部扩散，从而为形成大量细小弥散分布的合金氮化物提供了浓度条件，因此钢中稀土的存在明显提高了近表层的硬度；随着稀土含量的增加，原子气团逐渐饱和，对氮、碳原子扩散的促进作用趋于明显；而当稀土含量过高时，稀土会在晶界和晶内与铁形成脆性的稀土-铁金属间化合物，它降低了形成稀土周围原子气团的能力，因此，稀土对氮碳共渗的影响存在一个

［7］最佳含量。

2.2 时间的影响

42crMOA钢试样在520C，5%RE，分别保温1h、2h、3h、4h，得出保温时间对渗层的影响如表2所示。从表2可知，在2h以前，渗层表面硬度随时间的增加而增高，超过2h后，随时间的延长，表面硬度反而下降，这一现象符合时间增加到一定程度后因合金氮碳化合物聚集长大导致硬度下降的规律；化合物层厚度也是在2h达到最大值，以后随时间增加而减少，符合碳随时间增加而增多将阻碍扩散的规律；总渗层厚度随时间增加而增加，但超过3h后增加不明显，符合抛

［5］

物线规律。

表2 不同保温时间对渗层硬度和厚度的影响Table2 Effectofthetreatingtimeonthehardness

andthicknessofthenitrocarburizedlayers

时间/h1234

表面硬度（HV0.1）化合物层厚度/!m

9851046958890

10181311

渗层厚度/mm

0.280.350.400.42

2.5磨损试验

42crMOA钢试样经稀土离子氮碳共渗、离子氮碳共渗、离子渗氮、高频淬火后的磨损试验结果如图1所示。由图1可见，经稀土离子氮碳共渗处理后的曲轴试样的磨损量明显低于经其他表面强化处理的试样。由于稀土离子氮碳共渗中稀土有很高的化学活性，在扩渗过程中容易与钢中O、S、p、c等元素发生反应，起到改善夹杂物的形貌和分布的作用，净化了基体，从而提高了渗层的韧性。稀土的渗入可以提高氮碳共渗层硬度，化合物颗粒细小，分布弥散，因而具有良好的耐粘着磨损性能和减磨性能。

2.3 气压的影响

42crMOA钢试样在520CX2h，5%RE，采用0.5kpa、1.05kpa、1.50kpa这三种气压进行试验，得出气压对渗层的影响如表3所示。由此可见，对42crMOA钢进行稀土氮碳共渗有一个最佳气压值为1.05kpa。在该气压下，化合物层厚度和渗层厚度均可达最大值。

表3 不同气压对渗层硬度及厚度的影响

Table3 Effectofthegaspressureonthehardnessand

thicknessofthenitrocarburizedlayers

气压/kpa0.501.051.50

表面硬度（HV0.1）化合物层厚度/!m

9121046980

81812

渗层厚度/mm

0.240.350.28

图1 经不同强化处理后的试样的磨损量比较Fig.1 cOmparisOnOfthewearlOssOfthesamplesunder

differentstrengtheningtreatment

2.4 稀土含量的影响

42crMOA钢试样在520CX2h，1.05kpa条件下，分别添加2%、5%、8%的稀土元素时，得到的渗层状况如表4所示。由表4可见，5%左右的稀土加入量是

2.6 弯曲疲劳强度试验

随机抽取经稀土离子氮碳共渗的5根曲轴，在曲轴

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30crnimo4.4V钢的回火工艺

杨海林，马良涛

（平顶山工学院建筑环境与热能工程系，河南平顶山 467001）

摘要：研究了不同回火条件对30crniMO4.4V钢力学性能的影响。试验结果表明，30crniMO4.4V钢具有较宽的回火温度范围。经900C淬火的30crniMO4.4V钢在500~600C温度回火时，其强韧性可以达到良好的匹配。关键词：30crniMO4.4V钢；回火工艺；组织与性能

中图分类号：TG156.5 文献标识码：A 文章编号：0254-6051（2005）11-0062-03

TemperingProcessof30crnimo4.4VSteel

YAnGHai-lin，MALiang-taO

（DepartmentOfArchitecturalEnvirOnmentandThermalEngineering，PingdingshanInstituteOfTechnOlOgy，

PingdingshanHeInan467001，china）

Abstract：EffectOftemperingprOcessOnthemechanicalprOpertiesOf30crniMO4.4Vsteelwasinvestigated.TheresultsshOwthat30crniMO4.4Vsteelhasawidertemperingtemperaturerange.The30crniMO4.4VsteelcanObtainafavOrablematchbetweenstrengthandtOughnessguenchedat900CthentemperedatthetemperatureOf500tO600C.micrOstructureandmechanicalprOpertiesKeywords：30crniMO4.4Vsteel；temperingprOcess； 30crniMO4.4V钢是德国DIn17006标准中的cr-ni-MO系列低合金钢，通常经调质处理后使用。该钢

作者简介：杨海林（1965—），男，河南淮阳人，副教授，主要从事材料的研究与教学工作，已发表论文10余篇，曾获中石化科技进步二等奖1项。联系电话：13503413267收稿日期：2005-04-21

广泛用于制造矿山机械和其它的特殊机械装备零件。为了了解该钢的热处理特性，提高其综合力学性能，对30crniMO4.4V钢进行了回火工艺试验研究。

1 试验材料及方法

试料取自经650C高温回火、75mm厚的30crniMO4.4V钢热轧板，尺寸为250mm（纵向）X处磨损量仅为0.58!m。

坯单拐处截取试样，每根曲轴截取3个，共截取15个试样。用旋转弯曲疲劳试验的方法测出!"#曲线，如图2所示。由图2可见，经稀土离子氮碳共渗曲轴的弯曲疲劳强度达1800~2000MPa。与轴径处经高频淬火及圆相比，稀土角处经喷丸处理的曲轴（!-1约为1000MPa）离子氮碳共渗后的曲轴疲劳强度可提高约90%。

3 结论

（1）42crMOA钢曲轴稀土离子氮碳共渗处理工艺的合理参数为：RE含量5%，共渗温度520C，保温时间2h，适宜气压1.05kPa。

（2）曲轴采用大功率脉冲电源进行稀土离子氮碳共渗处理后，其疲劳强度比经其他强化处理的有大幅度提高，耐磨性优良，工艺合理可靠。

参考文献：

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.国外金属热处理，2003，（1）：34-35.共渗工艺［J］

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［7］ 袁泽喜，等.钢中稀土对表面渗氮的促进作用［J］.中国稀

土学报，1999，（17）：42-45.

图2 42crMOA钢稀土离子氮碳共渗曲轴!"#曲线Fig.2 RevOlvefatigue!"#curveOf42crMOAsteel

crankshaftafteriOnRE-nitrOcarburizing

2.7 可靠性试验

随机抽取3根经稀土离子氮碳共渗（工艺参数为：处理温度520C，保温2h，5%RE，气压1.05kPa）的曲轴装机，做1000h全速全负荷可靠性试验，均为合格通过。经1000h全速全负荷可靠性试验后，曲轴轴径62

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