合金鋼20CrMnTi等熱處理滲碳鋼小知識及應用舉例

合金鋼20CrMnTi等熱處理滲碳鋼小知識及應用舉例

一、化學成分特點

工具機、汽車、飛機等機器上的各種齒輪在服役期間，其齒面承受較高的壓應力及強烈的摩擦和磨損；輪齒不但承受較高的彎曲力矩，而且還承受較高的交變載荷尤其是衝擊載荷。因此，要求材料應具備較高的力學性能，表面應具有高硬度、耐磨性而心部具有高的塑性、韌性，即外硬內韌。為滿足上述性能要求，常選用合金滲碳鋼。所謂合金滲碳鋼，是指用於製造滲碳零件（如齒輪、活塞銷等）的合金鋼。

（1）低碳為了保證滲碳零件心部具有足夠的塑性和韌性，合金滲碳鋼的碳含量一般為ωC=0.1％～0.25％

（2）合金元素

主加合金元素是鉻、錳、鎳等。目的提高淬透性，保證鋼經滲碳、淬火和低溫回火後，心部得到低碳馬氏體組織，提高強度和韌性。除此之外，鉻能顯著提高滲碳層的含碳量，鎳可有效地抑制晶粒長大，細化晶粒，提高強韌性。

附加合金元素是鎢、鉬、鈦、釩等。目的是在900℃以上高溫滲碳時，鎢、鉬、鈦、釩等合金元素在鋼中形成穩定的強碳化物，以阻礙奧氏體晶粒的長大，獲得細小的組織，即細晶強化。

合金鋼20CrMnTi等熱處理滲碳鋼小知識

二、熱處理特點

（1）滲碳零件的加工工藝路線

毛坯鍛造 → 預先熱處理 → 粗機械加工 → 中間退火 → 精加工 → 鍍銅（不需要滲碳部分）→ 最終熱處理→ 退銅 → 精磨 → 成品檢驗

（2）熱處理

在毛坯鍛造之後進行的預先熱處理，主要是為了消除應力，降低硬度，改善鋼的切削加工性能。對於低合金鋼一般採用正火或退火，對於高合金鋼通常採用正火+高溫回火。

中間退火（500℃～600℃）的目的在於消除切削加工的內應力，以減少零件在最終熱處理時的變形。

最終熱處理是滲碳、淬火和低溫回火（180℃～200℃）。滲碳後零件表層的ωC=0.85％～1.0％，滲碳層深度，經淬火和低溫回火後表層組織為高碳回火馬氏體、合金碳化物和少量的殘留奧氏體，硬度可達60HRC～62 HRC。心部如淬透，回火後組織為低碳回火馬氏體，硬度為40HRC～48HRC；心部如未淬透，回火後組織為託氏體（T）、少量低碳回火馬氏體（回火M）和鐵素體（F）的復相組織，硬度為25HRC～40HRC，韌性AK≥48J。

20CrMnTi鋼熱處理工藝曲線

三、常用合金滲碳鋼

按照合金滲碳鋼的淬透性大小，可分為三類：

（1）低淬透性合金滲碳鋼典型鋼種為20Cr、20MnV，這類鋼水淬臨界直徑<25mm，滲碳後可直接淬火，低溫回火。心部強韌性較低，只適於製造受衝擊載荷較小的耐磨零件，如活塞銷、凸輪、滑塊、小齒輪等。

（2）中淬透性合金滲碳鋼典型鋼種為20CrMnTi，這類鋼油淬臨界直徑約為25～60mm，主要用於製造承受高速、中等載荷、抗衝擊和耐磨損的汽車、拖拉機的變速齒輪、軸等零件。

（3）高淬透性合金滲碳鋼典型鋼種為20Cr2Ni4A、18 Cr2Ni4WA，這類鋼中含有較多的Cr、Ni、W等合金元素，所以鋼的淬透性很好，油淬臨界直徑>100mm，經滲碳及隨後的淬火+低溫回火處理，表面有高的強度（σb≥1200MPa）、硬度和耐磨性，心部的強度、韌性很高，主要用於製造大截面、高載荷、抗衝擊的重要齒輪及大型軸類零件，如汽車、飛機、坦克中的曲軸、大模數齒輪等。

四、應用舉例

20CrMnTi合金滲碳鋼製作汽車變速箱齒輪，分析其熱處理工藝規範。

技 術 要 求 ： 滲 碳 層 厚 度 1 .2 m m ～ 1.6 m m ，表面含碳量 1 .0 ％ ，齒 頂 硬 度 58 ～ 60 H R C ，心 部 硬 度 30 ～45 H R C 。

（1）20CrMnTi鋼齒輪的加工工藝路線：

下料→鍛造→正火→加工齒形→滲碳，預冷淬火+低溫回火→磨齒。

（2）熱處理工藝曲線及分析20CrMnTi鋼熱處理工藝曲線如下圖所示。

正火作為預先熱處理其目的是改善鍛造組織；調整硬度（170~210HB）便於機加工，正火後的組織為索氏體+鐵素體。

最終熱處理為滲碳後預冷到875℃直接淬火+低溫回火，預冷的目的在於減少淬火變形，同時在預冷過程中，滲層中可以析出二次滲碳體，在淬火後減少了殘餘奧氏體量。最終熱處理後其組織由表面為回火馬氏體+顆粒狀碳化物+殘餘奧氏體，而心部的組織分為兩種情況，在淬透時為低碳馬氏體+鐵素體；未淬透時為託氏體+鐵素體。

20CrMnTi鋼經上述處理後可獲得高耐磨性滲層，心部有較高的強度和良好的韌性，適宜製造承受高速中載並且抗衝擊和耐磨損的零件。如汽車、拖拉機的後橋、變速箱齒輪、離合器軸和一些重要的軸類零件。