合金渗碳钢讲解

职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库

金属材料与热处理课程

合金渗碳钢

主讲教师：王仙萌

西安航空职业技术学院

合金渗碳钢

一、化学成分特点

机床、汽车、飞机等机器上的各种齿轮在服役期间，其齿面承受较高的压应力及强烈的摩擦和磨损；轮齿不但承受较高的弯曲力矩，而且还承受较高的交变载荷尤其是冲击载荷。因此，要求材料应具备较高的力学性能，表面应具有高硬度、耐磨性而心部具有高的塑性、韧性，即外硬内韧。为满足上述性能要求，常选用合金渗碳钢。所谓合金渗碳钢，是指用于制造渗碳零件（如齿轮、活塞销等）的合金钢。

（1）低碳为了保证渗碳零件心部具有足够的塑性和韧性，合金渗碳钢的碳含量一般为ωC=0.1％～0.25％

（2）合金元素

主加合金元素是铬、锰、镍等。目的提高淬透性，保证钢经渗碳、淬火和低温回火后，心部得到低碳马氏体组织，提高强度和韧性。除此之外，铬能显著提高渗碳层的含碳量，镍可有效地抑制晶粒长大，细化晶粒，提高强韧性。

附加合金元素是钨、钼、钛、钒等。目的是在900℃以上高温渗碳时，钨、钼、钛、钒等合金元素在钢中形成稳定的强碳化物，以阻碍奥氏体晶粒的长大，获得细小的组织，即细晶强化。

二、热处理特点

（1）渗碳零件的加工工艺路线

毛坯锻造→预先热处理→粗机械加工→中间退火→精加工→镀铜（不需要渗碳部分）→最终热处理→退铜→精磨→成品检验

（2）热处理

在毛坯锻造之后进行的预先热处理，主要是为了消除应力，降低硬度，改善钢的切削加工性能。对于低合金钢一般采用正火或退火，对于高合金钢通常采用正火+高温回火。

中间退火（500℃～600℃）的目的在于消除切削加工的内应力，以减少零件在最终热处理时的变形。

最终热处理是渗碳、淬火和低温回火（180℃～200℃）。渗碳后零件表层的ωC=0.85％～1.0％，渗碳层深度，经淬火和低温回火后表层组织为高碳回火马氏体、合金碳化物和少量的残留奥氏体，硬度可达60HRC～62 HRC。心部如淬透，回火后组织为低碳回火马氏体，硬度为40HRC～48HRC；心部如未淬透，回火后组织为托氏体（T）、少量低碳回火马氏体（回火M）和铁素体（F）的复相组织，硬度为25HRC～40HRC，韧性A K≥48J。

三、常用合金渗碳钢

按照合金渗碳钢的淬透性大小，可分为三类：

（1）低淬透性合金渗碳钢典型钢种为20Cr、20MnV，这类钢水淬临界直径<25mm，渗碳后可直接淬火，低温回火。心部强韧性较低，只适于制造受冲击载荷较小的耐磨零件，如活塞销、凸轮、滑块、小齿轮等。

（2）中淬透性合金渗碳钢典型钢种为20CrMnTi，这类钢油淬临界直径约为25～60mm，主要用于制造承受高速、中等载荷、抗冲击和耐磨损的汽车、拖拉机的变速齿轮、轴等零件。

（3）高淬透性合金渗碳钢典型钢种为20Cr2Ni4A、18 Cr2Ni4WA，这类钢中含有较多的Cr、Ni、W等合金元素，所以钢的淬透性很好，油淬临

界直径>100mm，经渗碳及随后的淬火+低温回火处理，表面有高的强度（σb≥1200MPa）、硬度和耐磨性，心部的强度、韧性很高，主要用于制造大截面、高载荷、抗冲击的重要齿轮及大型轴类零件，如汽车、飞机、坦克中的曲轴、大模数齿轮等。

四、应用举例

20CrMnTi合金渗碳钢制作汽车变速箱齿轮如下图为例，分析其热处理工艺规范。

技术要求: 渗碳层厚度1 .2 m m ～1.6 m m ，表面含碳量1 .0 ％，齿顶硬度58 ～60 H R C ，心部硬度30 ～45 H R C 。

（1）20CrMnTi钢齿轮的加工工艺路线：

下料→锻造→正火→加工齿形→滲碳，预冷淬火+低温回火→磨齿。

（2）热处理工艺曲线及分析 20CrMnTi钢热处理工艺曲线如下图所示。

正火作为预先热处理其目的是改善锻造组织；调整硬度（170~210HB）便于机加工，正火后的组织为索氏体+铁素体。

最终热处理为滲碳后预冷到875℃直接淬火+低温回火，预冷的目的在于减少淬火变形，同时在预冷过程中，滲层中可以析出二次滲碳体，在淬火后减少了残余奥氏体量。最终热处理后其组织由表面为回火马氏体+颗粒状碳化物+残余奥氏体，而心部的组织分为两种情况，在淬透时为低碳马氏体+铁素体；未淬透时为托氏体+铁素体。

20CrMnTi钢经上述处理后可获得高耐磨性滲层，心部有较高的强度和良好的韧性，适宜制造承受高速中载并且抗冲击和耐磨损的零件。如汽车、

拖拉机的后桥、变速箱齿轮、离合器轴和一些重要的轴类零件。

图1 齿轮(20CrMnTi)

图2 20CrMnTi钢热处理工艺曲线