渗碳钢的热处理

用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。


渗碳钢的主要热处理工序一般是在渗碳之后再进行淬火和低温回火。处理后零件的心部为具有足够强度和韧性的低碳马氏体组织，表层为硬而耐磨的回火马氏体和一定量的细小碳化物组织。



有些结构零件，是在承受较强烈的冲击作用和受磨损的条件下进行工作的，例如汽车、拖拉机上的变速箱齿轮，内燃机上的凸轮、活塞销等。



根据工作条件，要求这些零件具有高的表面硬度和耐磨性，而心部则要求有较高的强度和适当的韧性，即要求工件“表硬里韧”的性能 。



为了兼顾上述双重性能，可以采用低碳钢通过渗碳淬火及低温回火来达到，此时零件心部是低碳钢淬火组织，保证了高韧性和足够的强度，而表层(在一定的深度)则具有高碳量(0.85%～1.05%)，经淬火后有很高的硬度(HRC>60)，并可获得良好的耐磨性。





02
渗碳钢的成分特点


渗碳钢的含碳量一般都很低(在 0.15%～0.25%之间)，属于低碳钢，这样的碳含量保证了渗碳零件的心部具有良好的韧性和塑性。



为了提高钢的心部的强度，可在钢中加入一定数量的合金元素，如Cr、Ni、Mn、Mo、W、Ti、B 等。



其中 Cr、Mn、Ni 等合金元素所起的主要作用是增加钢的淬透性，使其在淬火和低温回火后表层和心部组织得到强化。



另外，少量的Mo、W、Ti等碳化物形成元素，可形成稳定的合金碳化物，起到细化晶粒、抑制钢件在渗碳时发生过热的作用。



微量的B(0.001%～0.004%)能强烈地增加合金渗碳钢的淬透性。



渗碳钢的分类



根据淬透性或强度等级的不同，合金渗碳钢分为三类。



1）低淬透性合金渗碳钢



即低强度渗碳钢(抗拉强度≤800MPa)，如 15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2 等。这类钢淬透性低，经渗碳、淬火与低温回火后心部强度较低且强度与韧性配合较差。主要用于制造受力较小，强度要求不高的耐磨零件，如柴油机的凸轮轴、活塞销、滑块、小齿轮等。



这类钢渗碳时心部晶粒易于长大，特别是锰钢。若性能要求较高时，这类钢在渗碳后经常采用二次淬火法，即在渗碳后先作正火处理，以消除渗碳时形成的过热组织，然后再重新加热淬火 。



2）中淬透性合金渗碳钢



即中强度渗碳钢(抗拉强度=800～1200MPa)，如 20CrMnTi、12CrNi3A、20CrMnMo、20MnVB 等。这类钢含合金元素总量约在 4%左右，由于主要是把 Cr 和 Mn 二元素配合加入钢中，能更有效地提高淬透性和机械性能(抗拉强度=1000～1200MPa)。一般用来制造重负荷的中、小耐磨件和中等负荷的模数较大的齿轮。如汽车、拖拉机的变速箱与后桥齿轮、齿轮轴、十字销头、 花键轴套、气门座、凸轮盘等。



这类钢由于含有Ti、V、Mo，渗碳时奥氏体晶粒长大倾向小，因此可采用自渗碳温度预冷到870°C左右直接淬火，并经低温回火后使零件具有较好的机械性能。



3）高淬透性合金渗碳钢



即高强度渗碳钢(抗拉强度＞1200MPa)，如 12Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA 等。这类钢含合金元素总量≤7.5%，由于含 Cr、Ni 元素较多，可**地提高钢的淬透性，特别是加入了较多的 Ni，在提高强度的同时，使钢具有良好的韧性。这类钢可用作承受重载和强烈磨损的重要大型零件，如内燃机车的主动牵引齿轮、柴油机曲轴、连杆及缸头精密螺栓等。



由于含有较高的合金元素，使C曲线大为右移，因而在空气中冷却也能得到马氏体组织；另外，其马氏体转变温度也急剧下降，使渗碳表层在淬火后将保留大量的残余奥氏体。为了减少淬火后残余奥氏体量，可在淬火前先高温回火，使碳化物球化或在淬火后采用冷处理。



03
渗碳的几种热处理方法


渗碳钢的热处理工序包括预备热处理和渗碳淬火工艺，其中热处理包括普通正火、等温正火、正火+回火、等温退火。渗碳淬火主要有渗碳后预冷直接淬火、渗碳后空冷后一次淬火或渗碳后空冷二次淬火，渗碳淬火后进行回火。



目前齿轮钢常用的标准 JB/T7516-1994《齿轮气体渗碳热处理工艺以及质量控制》。在渗碳工序中通过控制表面碳含量、组织中的碳化物及残留奥氏体的形态、分布、表层硬度梯度、以及有效渗碳层深度等，从而可以得到最佳的渗碳层质量和最小的变形，提高齿轮的质量。渗碳只能改变零件表面的化学成分，要使零件获得外硬内韧的性能，渗碳热处理后还必须进行淬火加低温回火，来改善钢的强韧性和稳定零件的尺寸。根据工件的成分、形状和力学性能等，渗碳后常采用以下几种热处理方法。





1）直接淬火+低温回火



将零件自热处理炉中取出直接淬火，然后回火以获得表面所需的硬度。直接淬火的条件有两点：渗碳热处理后奥氏体晶粒度在 5-6 级以上；渗碳层中无明显的网状和块状碳化物。20CrMnTi 等钢在渗碳后大多采用直接淬火。



2）预冷直接淬火+低温回火



预冷的目的是减小零件变形，使表面的残余奥氏体因碳化物的析出而减少。预冷直接淬火表面硬度略有提高，但晶粒没有变化，预冷温度应高于 Ar3，防止心部析出铁素体，温度过高影响预冷过程中碳化物的析出，残余奥氏体量增加，同时也使淬火变形增大。



3）一次加热淬火+低温回火



将渗碳件快冷至室温后再重新加热进行淬火和低温回火，适用于淬火后对心部有较高强度和较好韧性要求的零件。



4）高温回火+淬火+低温回火



经高温回火后残余奥氏体分解，渗层中碳和合金元素以碳化物形式析出，易于机械加工同时残余奥氏体减少，主要用于 Cr-Ni 合金钢零件。





5）二次淬火+低温回火



将工件冷至室温后，再进行两次淬火，然后低温回火。这是一种同时保证心部与表面都获得高性能的热处理方法，两次淬火有利于减少表面的残余奥氏体数量。



6）二次淬火+冷处理+低温回火



也称为高合金钢减少表层残余奥氏体量的热处理，多用于齿轮和轴类零件。

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