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合金钢20CrMnTi等热处理​渗碳钢小知识及应用举例

合金钢 20CrMnTi 等 热处理渗碳钢小知识

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AK≥48J。

20CrMnTi钢热处理工艺曲线


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,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。



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