合金渗碳钢

• 碳素钢＋Cr σb σs δ ψ αk 淬油临界直径
• 20Cr-850 550 10 40 60 15-20mm • 碳素钢＋CrMo • 15CrMo-1000 800 12 50 80 • 20CrMo-1000 800 12 50 80 • 碳素钢＋CrNi • 20CrNi-800 600 10 45 80 25~30mm • 20CrNi2-800 600 10 45 80 30~35mm • 20CrNi3-950 750 10 45 80 40~50mm • 20Cr2Ni4A-1200 1100 9 45 80 70~80mm • 特点：有回火脆性，表层残余奥氏体多。
• 渗碳扩散层的厚度决定于： （1）碳在奥氏体中的极限溶解度； （2）碳在奥氏体中的扩散速度； （3）扩散的时间。
3.3.1渗碳钢
（2）淬火和低温回火。
Chapter 3 机械制造结构钢
采用这种工艺的 零件通常只要求 表面高硬度和耐 磨性，而对基体 性能要求不高。 主要用于渗碳 后不容易过热的 钢种。
对珠光体型钢通常用在800℃左右的一次退火代 替正火，可得到相同的效果，即既细化晶粒又改 善切削加工性能；
对马氏体型钢，则必须在正火之后，再在Ac1以 下温度进行高温回火，以获得回火索氏体组织， 这样可使马氏体型钢的硬度由380-550HB降低 到207~240HB，以顺利地进行切削加工。
3.3.1 渗碳钢
3.3.1 渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
第二种方法 渗碳及正火后进行一次高温回火（600-620℃），
3.3.1 渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
1 预先热处理 合金渗碳钢零件，在机械加工前的预先热处 理通常分两步进行。
第一步：正火
第二步：
退火（对P型钢） 高温回火（对M型钢）
3.3.1 渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
正火的目的是细化晶粒，减少组织中的带状程度 并调整好硬度，便于机械加工。经过正火后的钢 材具有等轴状晶粒。
Chapter 3 机械制造结构钢
2 最终热处理 （1）渗碳
在机械加工到只留有磨削余量时，进行渗碳处理。
3.3.1 渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
• 渗碳零件的渗碳过程大都是在910～930℃温度 进行的。
• 钢表面的固溶碳极限是由奥氏体在渗碳温度时对 碳的饱和溶解度决定的。如超过碳在奥氏体中的 极限溶解度，在表面层中就会出现碳化物。
二、渗碳钢的化学成分特点
1 低碳 一般在0.12%-0.25%。主要目的是为了保证心部有良好的 韧性。
2 合金化 主要合金元素 Mn、Cr、Ni; 辅助合金元素 Mo、 W、Si、V、Ti、B等。
（1）提高钢材的淬透性 (Mn、Cr、Ni) ，从而提高心部的 强度和韧性。 V、Ti 、 Mo、W，碳化物形成元素，这些 元素通过形成稳定的碳化物来细化奥氏体晶粒，同时还能 提高渗碳层的耐磨性。
Chapter 3 机械制造结构钢
➢ 高淬透性合金渗碳钢 油中临界直径大于100mm，且具有良好的韧性,
抗拉强度通常高于1200MN/m2。 典型钢种是12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、
18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。 这类钢由于含有较多的Cr和Ni等合金元素，渗碳
层后表层的C含量又很高，这样就导致了马氏体 转变温度的大幅度下降。若渗碳后直接淬火，渗 碳层中将保留大量的残余奥氏体，使表面硬度下 降，因此必须设法减少残余奥氏体的数量。 主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如 飞机、坦克的曲轴和齿轮等。
3.3.1 渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
（2）根据渗碳工艺 碳化物形成元素对渗碳的作用：
（a）增大钢表面吸收碳原子的能力； （b）增大渗碳层表面碳浓度； （c） V、Ti阻碍碳在奥氏体中的扩散。
前两因素加速渗碳，有利于渗碳层的加厚，而后一 因素不利于渗碳层的加厚。 总的效果是铬、锰、钼等元素加大渗碳层的厚度， 钛减小渗碳层的厚度。
无回火脆性
＋Mn
碳素钢 ＋Cr ＋Ni
＋MnV ＋CrMn ＋CrMo ＋CrNi
Chapter 3 机械制造结构钢
＋CrMnTi
＋CrMnMo ＋CrNiMo ＋CrNiW
3.3.1渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
➢ 低淬透性合金渗碳钢 其淬透性和心部强度均较低，水中临界直径不超
过20-35mm。抗拉强度通常为8001000MN/m2。 典型钢种是20Cr、20Mn2等。 这类钢通常只用于制造受冲击载荷较小的，且对 于心部要求不高的小型渗碳件，如小齿轮、活塞 销、套筒、链条等。
3.3.1合金渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
925℃渗碳时，合金元素对渗碳层深度的影响
3.3.1 合金渗碳钢
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三、渗碳钢的热处理特点
热处理和组织特点渗碳件一般的工艺路线为： 下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火→磨削。 使用状态下的组织为： 表面是高碳回火马氏体加颗粒状碳化物加少量残余奥氏体（硬 度达HRC58-62），心部是低碳回火马氏体加铁素体（淬透） 或铁素体加托氏体（未淬透）。
Chapter 3 机械制造结构钢
20CrMnTi钢有良好的机械性能和工艺性能。淬 透性较高，由于含有Ti，其过热敏感性小。
20CrMnTi钢齿轮可在渗碳后预冷到875℃直接淬 火。先预冷再淬火是为了减少淬火变形；同时在 预冷过程中渗碳层中析出一些二次渗碳体（合金 渗碳体），使得淬火后的渗碳层中的残余奥氏体 的数量减少。
3. 3.1 渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
由于这类钢含有较多的Ni，使得钢具有很好的韧 性，特别是低温冲击韧性，因此主要用于制造大 截面、高载荷的重要齿轮和耐磨件，如飞机、坦 克中的重要齿轮及曲轴等。
为了减少残余奥氏体的数量，通常可以采用下面 的三种方法：
第一种方法是淬火后进行冷处理（-60-100℃），使残余奥氏体继续转变为马氏体；
3.3.1 渗碳钢
中淬透性合金渗碳钢
典型钢种如20CrMnTi等，其淬透性较高，油中 临界直径约为25-60mm，力学性能和工艺性能 良好，大量用于制造承受高速中载、抗冲击和耐 磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合 器轴等。
抗拉强度通常为1000-1200MN/m2。
典型钢种是20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB 等。
因此这种钢大量用于制造承受高速、中载并要求 抗冲击和耐磨损的零件，特别是汽车、拖拉机上 的重要齿轮及离合器轴等。
3.3.1 渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
离合器片淬火
20Mn2TiB、20MnVB是为节约Cr而发展的代用 钢，它们的缺点是淬透性不够稳定，热处理变形 稍大且缺乏规律。
3.3.1合金渗碳钢
• 这些零件对材料的机械性能要求： （1） 表面具有高的弯曲、接触疲劳强度和高硬度、高的耐
磨性。 （2） 心部具有足够的韧性和强度。 （3）具有良好的热处理工艺性能，如高的淬透性和渗碳能
力，在高的渗碳温度下，奥氏体晶粒长大倾向小以便于渗 碳后直接淬火。
3.3.1 渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
3.3.1合金渗碳钢
渗碳钢主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触 应力和冲击载荷的重要零件，如汽车、拖拉机的 变速齿轮，内燃机上凸轮轴、活塞销等。
Chapter 3 机械制造结构钢
一、渗碳钢的服役条件及对性能要求
• 在工作时零件整体受到周期性变化的扭转或弯曲力的作用， 并且零件与零件表面之间还有相对的摩擦，并有高的接触 应力。
过多提高渗碳层的含碳量。 • 对于一般零件: (1)渗碳层的含碳量限制为0.8～1.1%C； (2)渗碳层的深度控制在0.6～2.0mm之内。
3.3.1 渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
图3-2 沿钢的渗碳层深度，碳的浓度分布
1-碳钢 2-以碳化物元素合金化的钢 3-以非碳化物元素合金化的钢
3.3.1 渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
四、典型渗碳钢及其应用 ➢ 碳素渗碳钢：15、20 ➢ 合金渗碳钢按淬透性的高低可分为： （1）低淬透性合金渗碳钢
20Cr、20Mn2等。 （2）中淬透性合金渗碳钢
20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。 （3）高淬透性合金渗碳钢
12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、 18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。
切削性和压力加工性能好。
• 碳素钢＋Mn σb σs δ ψ αk 水油淬临界直径
• 20Mn 500 300 15 15 60 12-15mm • 20Mn2 800 600 10 47 60 20mm • 特点：晶粒易长大，无回火脆性;
• 碳素钢＋ MnV • 20MnV-800 600 10 40 70 15-18mm 特点：晶粒较细，无回火脆性 • 碳素钢＋CrMn • 20CrMn-950 750 10 45 60 20-25mm • 碳素钢＋CrMnTi • 20CrMnTi-1000 850 10 45 70 25-30mm • 30CrMnTi-1500 1300 9 45 80 30-40mm • 特点：晶粒不易长大，可以渗碳后直接淬火
图3-4 20CrMnTi钢齿轮的热处理规范
3.3.1 渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
淬火和低温回火后的组织： 零件的渗碳表面：高碳回火马氏体加细小的碳化物，
硬度高（60-62HRC），耐磨性高。 零件的非渗碳表面和基体部分（心部）： 低碳回火马氏体—淬透性高的钢种； 低碳回火马氏体加贝氏体（40-48HRC）—淬透性
• ＋CrMnMo
• 20CrMnMo-1100-900-15-50-80 • 淬油临界直径25~30mm • 特点：晶粒不易长大，可以渗碳后直接淬火 • ＋Ni13Ni2A、21Ni3A • 价昂，已不应用 • ＋CrNiMo • ＋CrNiW
• 18Cr2Ni4WA-1200-850-10-45-100 • 淬油临界直径90~100mm • 特点：淬透性高，可以空冷淬火，渗碳层残余奥氏体多，
3.3.1渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
• 非碳化物形成元素对渗碳的作用与碳化物形成元素相反： • 总的效果是镍、硅、铜等元素减慢渗碳，不利于渗碳层的
加厚。 • 碳化物形成元素含量过多，将在渗碳层中产生许多块状碳
化物，造成表面脆性。所以合金元素的含量要适当。 • 锰是一个较好的合金元素，既可以加速渗碳层增厚，又不
第二次按高碳钢的成分进行（表面）淬火，目的是 使表面获得细小的马氏体加粒状碳化物组织，以满 足表面高性能的要求；
最后进行低温回火起消除应力、稳定组织和稳定尺 寸的作用。
3.3.1 渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
这类热处理工艺主要用于航空发动机齿轮 5-88 4级)
3.3.1 渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
碳素渗碳钢：15、20
渗碳后800℃淬水200℃回火后力学性能 σb σs δ ψ αk 淬水临界直径
15 500 300 15 48 80 5-6mm 20 550 350 18 45 80 7-8mm • 特点：淬透性低，热处理变形大，无回火脆性，焊接性、
当要求表面高硬度、高耐磨性外，对基体性能有 较高要求时，可采用这种工艺。
主要用于渗碳后容易过热的钢种，如20Cr、 20Mn2等。
3.3.1渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
渗碳空冷后，进行两次淬火。当对零件表面和基体 性能的要求都很严格时，可用这种工艺。
第一次按钢的基体成分加热淬火，加热温度较高 （870℃左右），目的是细化心部组织并消除表面渗 碳层中的网状渗碳体；
中等的钢种； 低碳回火屈氏体（25-40HRC）—淬透性小的钢种。 这些组织使零件具有更好的强硬度与韧塑性的配合，
心部的冲击韧性一般都高于700kJ/m2。
3.3.1 渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
3.3.1 渗碳钢
Chapter 3 机械制造结构钢
渗碳后先进行空冷（即正火处理）使组织细化， 而后再按渗碳后的表面成分进行淬火并低温回火。