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20CrMnTi材料性能和热处理工艺一、 20CrMnTi材料分析20CrMnTi 是低碳合金钢，该钢具有较高的机械性能，零件表面渗碳 0.7-1.1mm。
在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为58-62HRC，心部硬度为 30-45HRC。
20CrMnTi 的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。
此外，20CrMnTi 还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火。
且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。
适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据齿轮的工作条件选用20CrMnTi 钢是比较合适的。
经过910-940 ℃渗碳， 870℃淬火，180-200 ℃回火后机械性能的抗拉强度≥ 1100Mpa、屈服强度≥850Mpa、延伸率≥ 10％、断面收缩率≥ 45％，冲击韧性≥ 680，硬度为 58-62HRC。
20CrMnTi 合金成分表如下：C Si Mn Cr S P Ni Cu Ti0.17 ～ 0.230.17 ～ 0.370.80 ～ 1.10 1.00 ～ 1.30≤ 0.035≤ 0.035≤ 0.030≤ 0.0300.04 ～ 0.10二、 20CrMnTi钢的特性⑴、20CrMnTi 钢中加入 Cr、Mn元素，主要是提高钢的淬透性。
⑵、 20CrMnTi 钢中加入 Ti 元素主要是为了细化晶粒。
⑶、 20CrMnTi 钢淬火加热时， Cr、Mn、Si 元素完全固溶于奥氏体中，提高钢的淬透性。
Ti 元素以碳化TiC 形式钉扎于奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒的长大。
⑷、20CrMnTi 钢淬火后，Cr、Mn、Si 元素固溶强化基体组织，并改善基体组织的回火稳定性。
⑸、 20CrMnTi 钢低温回火时，部分 Cr、Mn元素从基体组织中扩散到析出的渗碳体 Fe3C中，形成合金渗碳体（ Cr、Mn、 Fe） 3C，改善其硬度。
合金渗碳体（ Cr、Mn、Fe）3C 与碳化物 TiC 同基体组织一起共同作用，使钢产生较高的强度、硬度与耐磨性，同时保持良好的韧性。
渗碳渗碳热处理渗碳：是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900--950摄氏度的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心部仍保持原有成分。
相似的还有低温渗氮处理。
这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。
概述渗碳（carburizing/carburization）是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。
也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。
渗碳工件的材料一般为低碳钢或低碳合金钢(含碳量小于0.25%)。
渗碳后﹐钢件表面的化学成分可接近高碳钢。
工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。
渗碳工艺广泛用于飞机﹑汽车和拖拉机等的机械零件﹐如齿轮﹑轴﹑凸轮轴等。
渗碳工艺在中国可以上溯到2000年以前。
最早是用固体渗碳介质渗碳。
液体和气体渗碳是在20世纪出现并得到广泛应用的。
美国在20年代开始采用转筒炉进行气体渗碳。
30年代﹐连续式气体渗碳炉开始在工业上应用。
60年代高温(960～1100℃)气体渗碳得到发展。
至70年代﹐出现了真空渗碳和离子渗碳。
分类按含碳介质的不同﹐渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳﹑液体渗碳﹑和碳氮共渗（氰化）。
气体渗碳是将工件装入密闭的渗碳炉内，通入气体渗剂（甲烷、乙烷等）或液体渗剂（煤油或苯、酒精、丙酮等），在高温下分解出活性碳原子，渗入工件表面，以获得高碳表面层的一种渗碳操作工艺。
固体渗碳是将工件和固体渗碳剂（木炭加促进剂组成）一起装在密闭的渗碳箱中，将箱放入加热炉中加热到渗碳温度，并保温一定时间，使活性碳原子渗人工件表面的一种最早的渗碳方法。
液体渗碳是利用液体介质进行渗碳，常用的液体渗碳介质有：碳化硅，―603‖渗碳剂等。
钢的渗碳和渗氮钢的渗碳---就是将低碳钢在富碳的介质中加热到高温(一般为900--950C),使活性碳原子渗入钢的表面,以获得高碳的渗层组织。
随后经淬火和低温回火,使表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗力,而心部仍保持足够的强度和韧性。
渗碳钢的化学成分特点(1)渗碳钢的含碳量一般都在0.15--0.25％范围内,对于重载的渗碳体,可以提高到0.25--0.30％,以使心部在淬火及低温回火后仍具有足够的塑性和韧性。
但含碳量不能太低,否则就不能保证一定的强度。
(2)合金元素在渗碳钢中的作用是提高淬透性,细化晶粒,强化固溶体,影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织。
在渗碳钢中通常加入的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、硼等。
常用渗碳钢可以分碳素渗碳钢和合金渗碳钢两大类。
(1)碳素渗碳钢中,用得最多的是15和20钢,它们经渗碳和热处理后表面硬度可达56--62HRC。
但由于淬透性较低,只适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零件,如轴套、链条等。
(2)低合金渗碳钢如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等,其渗透性和心部强度均较碳素渗碳钢高,可用于制造一般机械中的较为重要的渗碳件,如汽车、拖拉机中的齿轮、活塞销等。
(3)中合金渗碳钢如20Cr2Ni4、18Cr2N4W、15Si3MoWV等,由于具有很高的淬透性和较高的强度及韧性,主要用以制造截面较大、承载较重、受力复杂的零件,如航空发动机的齿轮、轴等。
固体渗碳;液体渗碳;气体渗碳---渗碳温度为900--950C,表面层w(碳)为0.8--1.2％,层深为0.5--2.0mm。
渗碳后的热处理---渗碳工件实际上应看作是由一种表面与中心含量相差悬殊码复合材料。
渗碳只能改变工件表面的含碳量,而其表面以及心部的最终强化则必须经过适当的热处理才能实现。
渗碳后的工件均需进行淬火和低温回火。
淬火的目的是使在表面形成高碳马氏体或高碳马氏体和细粒状碳化物组织。
金属热处理中渗氮工艺常识金属热处理中的各种渗氮工艺使氮原子渗入钢铁工件表层内的化学热处理工艺；传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中﹐通以流动的氨气并加热﹐保温较长时间后﹐氨气热分解產生活性氮原子﹐不断吸附到工件表面﹐并扩散渗入工件表层内﹐从而改变表层的化学成分和组织﹐获得优良的表面性能。
如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散﹐则称为氮碳共渗。
钢铁渗氮的研究始於20世纪初﹐20年代以后获得工业应用。
最初的气体渗氮﹐仅限於含铬﹑铝的钢﹐后来才扩大到其他钢种。
从70年{BANNED}始﹐渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善﹐适用的材料和工件也日益扩大﹐成为重要的化学热处理工艺之一。
渗入钢中的氮一方面由表及裡与铁形成不同含氮量的氮化铁﹐一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物﹐特别是氮化铝﹑氮化铬。
这些氮化物具有很高的硬度﹑热稳定性和很高的弥散度﹐因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度﹑耐磨性﹑疲劳强度﹑抗咬合性﹑抗大气和过热蒸汽腐蚀能力﹑抗回火软化能力﹐并降低缺口敏感性。
与渗碳工艺相比﹐渗氮温度比较低﹐因而畸变小﹐但由於心部硬度较低﹐渗层也较浅﹐一般只能满足承受轻﹑中等载荷的耐磨﹑耐疲劳要求﹐或有一定耐热﹑耐腐蚀要求的机器零件﹐以及各种切削刀具﹑冷作和热作模具等。
渗氮有多种方法﹐常用的是气体渗氮和离子渗氮。
气体渗氮：一般以提高金属的耐磨性为主要目的﹐因此需要获得高的表面硬度。
它适用於38CrMnAc等渗氮钢。
渗氮后工件表面硬度可达HV850～1200。
渗氮温度低﹐工件畸变小﹐可用於精度要求高﹑又有耐磨要求的零件﹐如鏜床鏜杆和主轴﹑磨床主轴﹑气缸套筒等。
但由於渗氮层较薄﹐不适於承受重载的耐磨零件。
气体参氮可採用一般渗氮法(即等温渗氮)或多段(二段﹑三段)渗氮法。
前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。
温度一般在480～520℃之间﹐氨气分解率为15～30％﹐保温时间近80小时。
这种工艺适用於渗层浅﹑畸变要求严﹑硬度要求高的零件﹐但处理时间过长。
序号渗碳和渗氮比较12特点表面高硬度心部高韧性的耐磨抗冲击零件。
与整体淬火相比，抗挤压、抗弯疲劳强度好。
与渗氮比，抗冲击，工艺时间短，成本低。
高的硬度和耐磨性,高的疲劳强度,较高的抗咬合性,较高的抗蚀性。
渗氮过程在钢的相变温度以下(450-600℃)进行,因而变形小,用于精密零部件上。
氮化层较薄，一般0.5mm、且脆性较高，使氮化件不能承受太高的接触应力和冲击载荷。
渗碳渗氮就是将低碳钢在富碳的介质中加热到高温(一般为900-950C)，使活性碳原子渗入钢的表面，以获得高碳的渗层组织。
随后经淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗力，而心部仍保持足够的强度和韧性。
使氮原子渗入钢的表面,形成富氮硬化层的一种化学热处理工艺。
氮化层不用淬火即可得到很高的硬度。
原理碳氮共渗向钢件表面同时渗入碳、氮的化学表面热处理工艺。
以渗碳为主，渗入 少量氮。
因碳氮共渗工艺早期采用过氰盐或含氰气氛作为渗剂，故又称“氰化”。
按共渗介质状态分为气体、液体 及固体3类。
碳氮共渗有高温碳氮共渗(氰化处理)和中温碳氮共渗之分.低温碳氮共渗也叫软氮化(氮碳共渗).与渗碳相 比，具有较快的渗入速度，较高的渗层 的淬透性和回火抗力，耐磨性和抗疲 劳性能好等优点，处理温度较低，减少了零件的变形。
3适用材料渗碳必须用低碳钢或低碳合金钢。
含碳量一般都在0.15%-0.25％范围内，用得最多的低碳钢是15和20钢，低合金渗碳钢如20Cr、15CrMo理论上,任何钢种都能通过氮化来改善其表层特性,但实际上,普通的碳钢氮化后,钢的表面硬度提高的不多,这是因为铁的氮化物(如:Fe2N、Fe3N、Fe4N等)稳定性较差，易于集聚粗化，硬度较低。
所以为了获得高硬度和高耐磨性的表层，必须采用含有氮化物形成元素的合金钢。
最佳材料：38CrMoAl尤其是AI，铝是最强的氮化物元素。
在含铬的铬钢而言，如果有足够的含量，亦可得到很好的效果。
但没有含合金的碳钢，因其生成的渗氮层很脆，容易剥落，不适合作为渗氮钢。
Oo有限公司工艺文件 1 钢的渗碳和碳氮共渗、淬火、回火工艺 1、主题内容和适用范围 本工艺规定了渗碳钢的气体渗碳氮共渗淬火回火处理的工序 准备、工艺规范、操作规程、质量检验和安全环保等方面要求。 2、引用标准 JB3999—85 钢的渗碳和碳氮共渗淬火回火处理 GB85839—87 齿轮材料及热处理质量检验一般规定 ZBJ17022—88 齿轮碳氮共渗工艺及质量控制 ZBT04001—88 汽车渗碳齿轮金相检验 JB/ZQ4038—88 重载齿轮渗碳质量检验 GB9450—88 钢件渗碳淬火有效硬化层深度的测定和校核 GB15735—1995 金属热处理生产过程安全卫生要求 3、工艺准备 3.1 工件准备 3.1.1 对照图纸了解被处理工件的材料牌号（或化学成份），予处理情况和质量要求，磨削留量，必要时检查齿轮（轴齿轮）的加工精度。 3.1.2工件表面不得有氧化皮、碰伤和裂纹，用清洗剂洗净油污后烘干。 3.1.3 工件表面不需要渗碳或碳氮共渗的部位，又无留余量，没安排剥碳层的加工工序，就要用防渗涂料保护，防渗涂料的厚度应大于0.3mm，涂层应致密，防渗涂料应符合ZB451—014的规定。 3.2 工装准备 Oo有限公司工艺文件 2 3.3 开炉准备选用的工装应具有足够的热处理强度和刚度。 3.3.1检查热处理设备的机械和电气部分是否正常，炉子是否漏气。检查炉子需润滑油的部位，使其不断润滑。 3.3.2检查测温仪表，热电隅是否正常，要定期进行校验。 3.3.3定期清理气体渗碳炉炉罐中的碳黑和灰烬。 3.4工件的表卡和试样 3.4.1 根据工件的形状和要求，选用适当的吊具和夹具。 3.4.2 工件间要有5～10mm的间隙。 3.4.3 应随炉放置与装炉工件材质和予处理相同和符合GB8539—87“齿轮材料及热处理质量检验的一般规定”规定的样式，并放置在有代表性的位置，以备炉前操作抽样检查。 4、渗碳和碳氮共渗淬火回火处理的工艺规范和操作规程 4.1渗碳、碳氮共渗处理 4.1.1 装炉 4.1.1.1工件装炉前应把炉温升到渗碳或共渗温度，连续生产时可干上一炉出炉后立即装炉。 4.1.1.2 工件应装在炉子的有效加热区内，加热区的炉温不得超过±15℃。 4.1.1.3 每炉装载量不大于设备的装载量。 4.1.2 气体渗碳工艺规范和操作规程 4.1.2.1 气体渗碳工艺规范参照图1，低碳合金渗碳钢的渗碳温度取上限。 Oo有限公司工艺文件
3 4.1.2.2 排气期 排气期的渗剂滴入量，参照表1，炉子到温后的排气时间的长短取决于排气程度，应取气进行分析，当CO2和O2的含量低于0.5%时，即可关闭试样孔，转入
强渗期。无气体分析仪时，可观察废气火苗的颜色和状态，当火苗呈杏黄色，上升无力时，排气基本结束。一般地排气时间为1～1.5小时。 点燃排出的废气
设 备 规 格 型 号
排 气 期 扩散期 降温期 炉温<850℃ 炉温>850℃ 到温后 煤油+ 异丙醇 甲醇 煤油+ 异丙醇 甲醇 煤油
+ 异丙醇 甲 醇 甲 醇 煤油＋异丙醇 煤油＋异丙醇
10 6～10 5～7 10～12 9～10 4～6 4～5 5～6 3～4 滴/min 100 80~100 50~70 100~120 90~100 40~50 40~50 50~60 30~40 注：a.当炉温>850℃随着炉温的提高，提高煤油+异丙醇的滴量，降低甲醇的滴量。 b.煤油和异丙醇的比例1：3。 4.1.2.3 强渗期，关闭试样孔，点燃排出的废气。检查炉盖及通风机轴处是否漏气。调整煤油、异丙醇的滴入量，滴量多少取决于设备大小，装炉工件表面积的大小及炉子密封的情况，表1的滴量供选择时参考。强渗期炉气成份应控制在表2规定的范围内。有条件应采用红外线CO2碳位自控仪或露点仪控制炉气或用奥氏体分析仪对Oo有限公司工艺文件 4 炉气进行分析，作为调正滴量的依据。强渗期的炉压控制在100～300pa。废气燃烧的火苗高度控制在200～250㎜的长度。 根据工件有效硬化层要求和渗速经验，约达到1/2～2/3渗层深度时，抽验第一根试样，根据第一个试样的渗层确定第二个试样的时间，当有效硬化层深度达到或接近工件的有效硬化深度时，即可进入扩散期。 4.1.2.4 扩散期：扩散期的煤油、异丙醇滴量约为强渗期的0.5倍，为了保证炉压，并同时加滴甲醇，扩散期的时间与工件要求的有效硬化层深度有关，有效硬化层深度愈深，扩散时间要求愈长一些，与工件的碳势（试样的碳势）有关，碳势高要求扩散时间长一些，还与试样渗层深度有关，为了保证工件表面0.85～1.0%的碳浓度和合理的过滤层，扩散时间约为1～3小时。 4.1.2.5 降温期：抽验的第三个试样，如果网状碳化物≥5级为作正火处理，920℃出炉空冷，对20CrMnMo、17Cr2Ni2Mo 、20CrNi2Mo等渗碳钢，当工件室冷到300～400℃时要放到回火炉中炉冷，防止在表面和次层在空冷时产生马氏体，形成表面裂纹。 对于17CrNi2Mo、20Cr2NiMo等Cr 、Ni渗碳钢即使碳化物不超级也要出炉空冷，空冷的炉温度为860～880℃ 对于碳化物不超级的20CrMnTi 、20CrMnMo渗碳齿轮，随炉冷到830～840℃，保温0.5～1H后直接淬火。 降温期的滴量可参考表1 4.1.3 气体碳氮共渗工艺规范和操作规程。 4.1.3.1 气体碳氮共渗操作规程可参照本标准4.1.2条。 4.1.3.2 采用煤油加氨氧的气体碳氮共渗工艺曲线参照图2 Oo有限公司工艺文件 5 4.1.3.3 共渗过程其炉气成分应符合表2规定 表2 成份 CO CO2 O2 H2 ONH2 n ONH2 n+2 N2
5～10 <0.5 <0.5 60～90 <0.5 6～10 全量 4.2工件渗碳和碳氮共渗后的淬火、回火处理。 4.2.1工件渗碳后直接淬火。对本质细晶粒钢工件渗碳后可采用直接淬火的方法，以获得所需要的表层和心部硬度以及有效硬化层深度，如20CrMo、20CrMnMo，以及含硼和稀土的合金钢渗碳件。直接淬火一般在炉中降温到830～850℃，均温0.5～1H出炉后淬火 工件渗碳后直接淬火另一个条件是渗层金相组织网状碳化物≤4级。 工件要求渗层深，炉中碳势又高的情况，容易造成碳化物超级，而对于模数≤5的20CrMnTi、20CrMnMo齿轮，渗碳深度1.2～1.3㎜（含磨量）碳化物不易超级，可以直接淬火，模数大于5的齿轮视渗层的金相组织中网状碳化物的级别而定，如果网状碳化物小于4级可以直接淬火。5级以上则要高温正火，消除网状碳化物或降低网状碳化物级别。 4.2.2 工件渗碳后空冷后再淬火，按方法有以下几种原因： Oo有限公司工艺文件 6 a.工件渗碳后需要进行机械加工，如制碳层。 b.容易发生过热的碳钢和非细晶粒合金钢件，以及某些不宜直接淬火的工件（如需要在压床上淬的齿轮）。 c.渗层组织如出现网状碳化物超级 对于a、b两种情况，炉冷到850～860℃空冷，但对20CrMnMo渗件要求在400℃以下缓冷，否则易再次表层出现马氏体组织形成裂纹，对于C种情况，要求在900～930℃出炉直接空冷。 4.2.3 12CrNi3、12Cr2Ni4、17CrNi2Mo、20CrNi4、20Cr2Ni4 、
20Cr2Ni4MoA、 20Cr2Ni4WA等高强合金渗碳件，渗碳炉冷到920℃
出炉空冷（用于制作大模数齿轮），400以下缓冷，并增加一次至二次650～680℃，5～6H的高温回火。这种高温回火称为催化或促变处理，它不仅能改善机械加工性能，更主要它是获得良好淬火组织的条件和保证。必须严格执行。
4.2.4 碳氮共渗的工件一般都从共渗温度或低于共渗温度出炉直接淬火。 4.2.5 经过渗碳淬火或碳氮共渗淬的工件，通常采用180℃±10℃的低温回火。 Oo有限公司工艺文件 7 4.2.5.1 碳氮共渗齿轮回火的温度为180℃±10℃，回火时间3H。 4.2.5.2 模数1～3的齿轴渗碳淬火后温度200～210℃，时间3H，模数1～3的齿轮渗碳淬火后的回温度220℃±10℃，时间3H 4.2.5.3 模数3～5的齿轴、齿轮渗碳淬火后进行二次回火。第一次回火温度230℃，时间4H；第二次齿轴的回火温度230℃，回火时间3H。
4.2.5.4 模数≥6的齿轮、齿轴，渗碳后直接淬火的工件，需要进行三次回火。第一次回火温度230℃，回火时间3H；第二次回火，齿轴的回火温度230℃，时间3H，齿轮的回火温度240℃，时间3H；第三次回火，齿轴的回火温度220℃，时间3H，齿轮的回火温度240℃，时间3H。 4.2.5.5模数≥6的齿轮齿轴渗碳后空冷，后加热淬火。进行二次回火。第一次回火温度230℃，时间4H；第二次回火，齿轴的回火温度220℃，时间4H，齿轮的回火温度240℃，时间4H。
4.2.5.6 前一次回火后，工件空冷到室温或≤50℃，才能进行下一次回火。 Oo有限公司工艺文件 8 4.2.5.7 工件回火必须放在回火炉的有效加热区内（渗碳淬火的齿轮部分需量出回火炉底部300㎜）。 4.3 渗碳和碳氮共渗淬火回火件的最后处理。 4.3.1 清理：进行喷砂，以清除赤面的油污和氧化模。 4.3.2 校直和矫正：用偏摆仪检查齿轴的变形，当超过允许变形时，应对其校直和矫正。随后进行去应力回火。条件允许（淬火工件量少时）应在淬火后马上进行校直，然后再回火。 5、质量检验 5.1 外观：不得有裂纹和碰伤。。 5.2 表面硬度 5.2.1 硬度检验的方法，按GB230—83《金属洛氏硬试验法》或其它硬度试验法进行。 5.2.2表面硬度的偏差范围，表面硬度不得超过表3的规定。
表3 表面硬度偏差（HRC） 渗碳零件种类 单 件 同 批 重 要 件 3 5 一 般 件 4 7 5.3 硬化层深度 5.3.1 有效硬化层检验方法，按GB《钢的渗碳硬化层有效硬化层深度的测定和校验》中的规定执行。 5.3.2有效硬化层深度偏差不得超过表4规定。 表4 有效硬化层深度偏差（㎜）
