CrMnTi热处理工艺
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20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺
试验分析部 袁红昆
1 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺
1. 前言
1.1 20CrMnTi钢概述
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1.1
C Si Mn Cr S P Ni Cu Ti
0.17～0.23
0.17～0.37
0.80～1.10
1.00～1.30
≤0.035
≤0.035
≤0.030
≤0.030
0.04～0.10
1.2 20CrMnTi泵体齿轮的的工艺流程：
1.3 20CrMnTi钢常见的热处理工艺
表1.2 20CrMnTi钢常见的热处理工艺表
热处理工
艺 工艺参数 硬度要
求 工艺特点
完全退火 加热860~880℃，保温，炉
冷 ≤
217HB
S 消除残余应力，降低硬度
正火 加热920~950℃，保温，空
冷 156~2
07HBS 加热温度在Ac3825℃线之上，细化晶
粒，消除组织缺陷，以获得珠光体+少
量铁素体组织
淬火 加热860~900℃，保温，油
冷 48~54
HRC 淬火温度高，淬透性中等，变形较大，
硬度不高，耐磨性差
回火 加热500~650℃，保温2h，
油冷 30~36
HRC 回火索氏体组织 下料 锻造 正火 清洗 淬火 回火 加工 渗碳
包装 清洗 检验 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺
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2
气体渗碳 加热900~920℃，以
0.15~0.2mm/h计保温时间 加热温度不超过920℃，以避免晶粒长
大
渗碳后淬
火与
回火 淬火：加热820~850℃，保
温后油冷 60~63
HRC 心部保持良好韧性的同时，表层获得高
的强度、硬度、耐磨性与耐蚀性
回火：加热180~200℃，保
温2h，空冷 表：
56~62
HRC
心：
35~40HRC
气体碳氮
共渗 共渗温度840~860℃，出炉
油冷 60~65
HRC 心部保持良好韧性的同时，表层获得高
的强度、硬度、耐磨性与耐蚀性
回火温度160~180℃，出炉
空冷 表：
58~62
HRC
心：
35~40
HRC
固体渗硼 渗硼温度900℃，保温4h，
油冷(渗硼剂：
85%SiC+10%B4C+5%KBF4) 。
渗层
0.115~0.139mm 1689~1789
HV0.1 表面形成高硬度的硼化物层而心部为
淬火组织
1.4 20CrMnTi钢的相变点/℃
钢号 Ac1 Ac3 Ar1
20CrMnTi 730 820 690
1.5 热处理的总工艺曲线
热处理总工艺曲线
2. 20CrMnTi齿轮正火处理工艺 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺
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3 2.1 正火目的
细化晶粒，消除组织缺陷，以获得珠光体+铁素体组织。并使加工硬度适中，
有利于切削。
2.2 正火设备
选用RX3箱式电炉参数见表2.1
表2.1
产
品
名
称
产品型
号
额定功
率（kv） 主要参数 相
数
炉膛尺寸（毫
米）
外形尺寸
（毫米）
重量（千
克） 额定
电压
（V） 额定温
度（℃）
箱
式
电
炉
RX3-30-9
30
380
950
3
950x450x350
1920x1620x
2140
2200
2.3 正火温度
20CrMnTi钢AC3约为825℃，为促使奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体稳定性，
选择的加热温度在930~950 ℃。
2.4 加热方法
采用到温加热的方法，是指当炉温加热到指定温度时，再将工件装进热处理
炉进行加热。这样做的原因是避免金属组织的出现不需要的相转变，加热速度快，
节约时间。便于小批量生产。
2.5 加热介质
加热介质为空气。
2.6 保温时间
选定的依据：加热时间可按下列公式进行计算：t=a×K×D, 式中t为加
热时间（min），K为反映装炉时的修正系数，可根据表2.2取K为1.4。a为加热
系数min/mm，加热系数a可根据钢种与加热介质、加热温度进行取值，参数见
表2.3。D为工件的有效厚度（mm），由公式可知，工件厚度=（工件最厚处直径
+工件最薄处直径）/2。
可得t=a×K×D。 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺
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4 2.7 冷却方式
冷却方式为出炉空冷。
2.8 冷却介质
冷却介质：空气。
2.9 最终组织
细珠光体+铁素体 晶粒度：5~6级
若正火温度过高，则会导致工件脱碳甚至开裂，降低零件硬度，使正火后的
组织粗大；
若正火温度过低，则组织转变不足，不能达到正火预期目的。
表2.2 工件装炉修正系数
工件装炉方式 修正系数
1.0
1.4
1.3
1.7
表2.3 工件加热温度
钢材 空气电阻炉的a值（min/mm） 盐浴炉的a值
碳钢 0.9~1.1 25~30
2.10 正火工艺曲线
正火工艺曲线图见图2.1 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺
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5
温度
(
℃)
时间 (min) 温度
650
空气
图2.1 正火处理工艺曲线
3. 20CrMnTi齿轮的渗碳处理工艺
3.1 渗碳的目的
渗碳后进行淬火与回火，使其心部保持良好的韧性的同时，表层获得高的强
度、硬度和耐磨性。
3.2 渗碳温度
进行气体渗碳，加热900~920℃，以0.15~0.2mm/h计保温时间，加热温度
不超过920℃，以避免晶粒粗大。
渗碳进行淬火回火处理，淬火加热820~850℃ ，保温后油冷，180℃低温回
火。
3.3 渗碳设备
选用RQ3-60-9D型井式气体渗碳炉，参数见表3.1 表3.1 RQ3-60-9D型井式气体渗碳炉参数
产品
名称
产品型号 额定功
率（KV） 主要参数 炉膛尺寸
（mm）
外壁尺寸（mm） 重量
（Kg） 额定电
压（V） 额定温
度（℃）
井式
气体
渗碳
炉
RQ3-60-9D
60
380
950
450x600∅
1570x2000x2240
2630
说明：炉温均匀，介质流动性好，加热速度，温度均匀，工件变形小，加热
质量好，利于提高产品质量，炉膛容积有效利用率高，产量大，耗电量小，可节 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺
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6 省电能与筑炉材料，电极寿命长，减少停炉时间。适用于中小型工件成批生产。
3.4 加热方法
采用到温加热的方法，是指炉膛加热到指定温度时，再将工件加入热处理炉
进行加热。这样可以减少加热时间，便于批量生产。
3.5 装炉方法
筐装，10/次，垂直放入渗碳炉，齿轮一个个叠放，要注意每个齿轮之间轮
齿不要接触，避免轮齿渗不上碳。
3.6渗碳温度
渗碳温度在Ac3以上，考虑碳在钢中的扩散速度等因素，目前再生产上广泛
采用温度为910~930℃。随着渗碳层深度的升高，碳在钢中的扩散系数呈指数上
升，渗碳速度加快，蛋渗碳温度过高会使晶粒粗大，工件畸变增大，设备寿命降
低等负面影响。渗层厚度为0.8~1.2mm，可以选取t=920℃。
3.7 渗碳介质
渗碳介质：煤油。
渗碳介质煤油在不同温度下的分解产物及含量见表3.2。
表3.2 煤油在不同温度下的分解产物及含量
名称 温度/℃ 分解产物
CO
2 CO H
2 CH
4 CmHn O
2+N
2
煤油 950 0.4~2.2 1.2~4.6 37~46 40~56 1~2 0.4~0.8
800 0.4~1.2 12~18 19~26 38.4~47.3 20~29 0.4~7.3
介质参数见表3.3。
表 3.3
名称 分子式 渗碳反应式 用途
煤油 航空煤油、灯油主要成
分为：C
9~C
14和C
11~C
17 850℃以下分解不充分，含大量的烯烃，
容易残生碳黑和结焦，反应式：
n
1(C
11H
24~C
17H
36)→n
2CH
4+n2[C]+nH
2 强渗碳剂
3.8 保温时间
保温时间：5小时
依据：20CrMnTi钢的渗碳层深度与渗碳时间的关系表3.4、表3.5。
表3.4 煤油-甲醇滴注式通用气体渗碳工艺
渗碳过程 排气 升温 碳势调整 强渗 扩散 预冷
渗碳0.4~0.7mm 不少于1h 自然升温 20min —— 1h 30min
