150系列柴油机零件的材料、硬度和渗层深度的规范化-佳工网

150系列柴油机零件的材料、硬度和渗层深度的规范化

摘要：本着节约、高效、合理的目的，从材料与工艺的角度提出了150系列柴油机零件设计时材料、工艺、硬度和渗层深度的选择规范。

关键词：调质渗碳渗氮碳氮共渗硬度渗层深度

150系列柴油机长期以来是参照前苏联图纸生产的。材料的使用、渗层深度和硬度的规范性不是很强。例如，有的零件渗碳层深度为0.80 mm～1.10 mm，有的零件则为0.80 mm～1.20 mm，很难说增加或减少0.10 mm会有多大影响。

随着生产的发展，由我们自行设计的新型柴油机相继投产，在材料的使用工艺要求上都有很大的变化，规范化就显得很重要了。如果没有一个合理的规范，使用的材料品种很多，每个零件的要求也各不相同，本来可以一炉热处理的零件，却必须经过多次处理，不但给组织生产造成很大困难，还增加了工艺成本，也不便使用微机进行成组工艺管理，不能适应现代化生产的需要。

发达国家对规范化的问题非常重视，如德国396柴油机，不但材料使用的品种少，而且比较集中。调质零件仅用5个钢种：C45、41Cr4、50CrV4、42CrMo4和34CrNiMo6。其中，42CrMo4制造的零件占调质处理零件总数的51 %。34CrNiMo6占12 %。渗碳的零件有3个钢种，16MnCr5占渗碳零件总数的49.2 %。渗层深度和硬度范围有一个合理的档次分布，这就给生产和材料采购带来了很大便利。因此，我们应该由设计、工艺和材料人员共同努力，制订一个既比较合理又有较好的继承性的规范，以利于组织材料采购和生产。

1 材料和工艺的选择

材料是形成零件的基础，选用合理的材料是保证零件的使用性能和合理设计的基本条件。但是由于零件在不同工作环境中，不是具备一种性能就能适应的，通常要求同时具备多种性能，最好达到优良的综合品质，为了保证零件质量又同时达到降低成本的目的，在选用材料的同时又要选用相应的制造工艺，其中包括通过热处理手段改善其使用性能。这就是在价值工程中所体现出来的材料与工艺之间是相互联系而又相互制约的关系。在表1中，推荐了几种常用材料与热处理工艺的相应关系。

2 调质硬度规范

发动机零件在多种负荷下工作，受力情况复杂，要求有良好的综合机械性能，保证零件整个截面上强度的均一性。调质处理使零件具有较好的综合力学性能，既有较高强度又有较好的塑性和韧性。

表1　几种常用材料和工艺的选择

序号	工艺名称		硬化层深度	材料价格	力　学　性　能	使　用　范　围	特　　点	常　用　材　料
1	渗碳		中等	低、中	硬度高，耐磨性高，抗接触载荷能力最好，良好的弯曲疲劳强度，良好的抗粘着性	用于耐磨、承受高接触应力的零件，可整体也可局部渗碳	处理温度高，时间中等，变形大	20^＃ 20Cr 15CrMn 20CrMn 12CrNi3A 18CrNiWA
2	碳　　氮　　共　　渗	高温(氰化)	较浅	低	硬度高，耐磨性高，抗接触疲劳能力强，良好的弯曲疲劳强度，良好的抗粘着性	用于耐磨、承受较高接触应力的零件。可以整体也可局部表面碳氮共渗	处理温度较渗碳低，时间较长，变形较渗碳小，心部与软氮化相比有较高的强度和硬度，渗层有一定的抗腐蚀性	10^＃ 20^＃ 15CrMn 20CrMn
2	碳　　氮　　共　　渗	低温(软氮化)	浅	低	硬度高，耐磨性高，抗接触载荷能力较好，较好的弯曲疲劳强度，良好的抗粘着性	用于受力较小、承受低接触应力的耐磨零件。有时用来提高疲劳强度的表面强化。通常采用整体表面碳氮共渗	处理温度低，时间较长，变形小，渗层有较好的抗腐蚀性	45^＃ 45Cr 42CrMn
3	氮化		浅	中	硬度高，耐磨性高，抗接触载荷能力较好，良好的弯曲疲劳强度，最好的抗粘着性	用于有一定接触应力或在500℃以下工作的耐磨零件。有时用来提高疲劳强度的表面强化。通常采用整体表面氮化	处理温度低，时间最长，变形最小，好的抗磨蚀性和尺寸稳定性	42CrMo 38CrMoAl 18Cr2Ni4WA
4	感应淬火		深	低	硬度高，耐磨性较高，良好的抗接触载荷能力；良好的弯曲疲劳强度，满意的抗粘着性	用于耐磨，有较高接触应力的零件，可进行整体和局部表面感应淬火。淬火部位应是形状简单的回转体为宜。有时也可用来提高疲劳强度的表面强化	变形小，生产效率高，容易实行机械化和自动化，节能	45^＃ 42CrMo 34CrNiMo

鉴于我国目前的冶炼水平，调质钢中C的质量分数是0.25 %～0.50 %，而一个钢种C的质量分数上下相差可达0.07 %～0.08 %，如38CrSi中C的质量分数为0.35 %～0.43 %。由于含碳量的差别，其调质后的硬度值也相差较大。为了便于实际工程设计制造中的应用，推荐规范化的硬度范围不宜过窄，有些钢种可采用多档次和低硬度范围值重叠的规范办法。用于制造受力小而尺寸又较大零件的碳钢和低合金结构钢，由于其淬透性较差，可以将其硬度范围规范为较宽的档次(见表2)。

表2　中碳钢、中碳合金结构钢的硬度范围和档次

现在使用的硬度档次 HRC			推荐硬度档次 HRC	典　型　零　件
45^＃	45Cr	38CrSi	推荐硬度档次 HRC	典　型　零　件
21～30
24～30	26～30	26～30	24～30	喷油器螺母、槽形螺母
26～33	26～33	26～33	26～33	双头螺柱
＞35	28～33	28～33	28～33	弹簧座、调节器、挺杆、气缸套
	30～37	33～37	30～35
	32～45	47～54	33～37	缸体双头螺柱、连杆盖
	33～37		37～45
	32～45		47～54
			50～56

3渗层深度规范

3.1渗碳层深度规范

在较强烈的冲击和磨损的条件下工作，要求零件具有高的表面硬度和耐磨性，心部具有较高的强度和适当韧性，通常需要渗碳处理。零件渗碳层深度的确定，没有一个统一的方法。有的根据齿轮模数大小来确定，如汽车和拖拉机齿轮；有的按径节大小确定；有的按经验公式确定。根据经验确定的渗碳层深度一般都较深。

考虑到我们目前渗碳工艺控制还比较落后，为保证产品质量，零件渗层不宜过浅，范围不宜过窄；但渗层过深会延长渗碳时间并且增加工艺成本(见表3)。

表3　渗碳层深度范围和档次

在用渗碳层深度档次 mm	推荐渗碳层深度 mm	典型零件
0.4～0.7	0.4～0.7	针阀体
0.5～0.7
0.5～0.9	0.6～0.9	齿轮
0.6～0.9
0.8～1.1	0.8～1.2	挺柱、滚轮、活塞销
0.8～1.2
0.8～1.3	1.0～1.4	滚轮销
1.0～1.4
1.3～1.7	1.3～1.7	喷油泵凸轮轴

3.2　碳氮共渗渗层深度规范

碳氮共渗的渗层抗回火稳定性优于渗碳，低碳钢的碳氮共渗层性能可与合金钢渗层相媲美，处理温度低，零件变形小。用碳钢或合金钢制造的较小的零件，为提高耐磨性，多用碳氮共渗，渗层深度较渗碳浅。该工艺在喷油泵零件上使用较多(见表4)。

表4　碳氮共渗渗层深度

在用碳氮共渗深度 mm	推荐碳氮共渗渗层深度档次　　mm	典型零件
0.05～0.10	0.05～0.20	排气门
0.10～0.20	0.10～0.25	挺柱
0.10～0.25	0.25～0.40
0.30～0.50	0.35～0.50	挺柱、螺钉
0.35～0.50	0.40～0.70	弹簧销
0.50～0.80	0.50～0.80	斜轴齿轮
0.90～1.20	0.90～1.20	喷油泵齿轮轴
注：由于处理温度低、时间长，渗层较深的档次一般不用。

3.3　渗氮层深度规范

渗层有很高的硬度和热稳定性，在500 ℃以下，渗层硬度不下降。处理的温度低，零件的渗氮层深度不易太深(见表5)。

表5　渗氮层深度

在用渗氮层深度档次 mm	推荐渗氮层深度档次 mm	典型零件
0.15～0.25	0.15～0.25
0.20～0.30	0.20～0.30
0.25～0.40	0.25～0.40	曲轴
0.30～0.40	0.30～0.60	气缸套
0.30～0.60	0.40～0.70	齿轮
0.30～0.70

4　结束语

柴油机结构复杂，零件的工作环境和受力条件各不相同，对于材料的选用和其热处理后的渗层深度和硬度，很难制订一个严格的标准。但从生产实际出发，为了达到节约高效的目的，制订一个较符合设计和制造人员参考的规范，能给生产创造一个良好的条件。在实践中已有成功的例子，今后拟向系列化和标准化发展。

1/25/2005


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