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合金鋼20CrMnTi等熱處理?滲碳鋼小知識及應用舉例

合金鋼 20CrMnTi 等 熱處理滲碳鋼小知識

一、化學成分特點

機床、汽車、飛機等機器上的各種齒輪在服役期間,其齒面承受較高的壓應力及強烈的摩擦和磨損;輪齒不但承受較高的彎曲力矩,而且還承受較高的交變載荷尤其是沖擊載荷。因此,要求材料應具備較高的力學性能,表面應具有高硬度、耐磨性而心部具有高的塑性、韌性,即外硬內韌。為滿足上述性能要求,常選用合金滲碳鋼。所謂合金滲碳鋼,是指用于制造滲碳零件(如齒輪、活塞銷等)的合金鋼。

(1)低碳  為了保證滲碳零件心部具有足夠的塑性和韌性,合金滲碳鋼的碳含量一般為ωC=0.1%~0.25%

(2)合金元素  

主加合金元素是鉻、錳、鎳等。目的提高淬透性,保證鋼經滲碳、淬火和低溫回火后,心部得到低碳馬氏體組織,提高強度和韌性。除此之外,鉻能顯著提高滲碳層的含碳量,鎳可有效地抑制晶粒長大,細化晶粒,提高強韌性。

附加合金元素是鎢、鉬、鈦、釩等。目的是在900℃以上高溫滲碳時,鎢、鉬、鈦、釩等合金元素在鋼中形成穩定的強碳化物,以阻礙奧氏體晶粒的長大,獲得細小的組織,即細晶強化。


二、熱處理特點

(1)滲碳零件的加工工藝路線

毛坯鍛造 → 預先熱處理 → 粗機械加工 → 中間退火 → 精加工 → 鍍銅(不需要滲碳部分)→ 最終熱處理→ 退銅 → 精磨 → 成品檢驗

(2)熱處理

在毛坯鍛造之后進行的預先熱處理,主要是為了消除應力,降低硬度,改善鋼的切削加工性能。對于低合金鋼一般采用正火或退火,對于高合金鋼通常采用正火+高溫回火。

中間退火(500℃~600℃)的目的在于消除切削加工的內應力,以減少零件在最終熱處理時的變形。

最終熱處理是滲碳、淬火和低溫回火(180℃~200℃)。滲碳后零件表層的ωC=0.85%~1.0%,滲碳層深度,經淬火和低溫回火后表層組織為高碳回火馬氏體、合金碳化物和少量的殘留奧氏體,硬度可達60HRC~62 HRC。心部如淬透,回火后組織為低碳回火馬氏體,硬度為40HRC~48HRC;心部如未淬透,回火后組織為托氏體(T)、少量低碳回火馬氏體(回火M)和鐵素體(F)的復相組織,硬度為25HRC~40HRC,韌性AK≥48J。

20CrMnTi鋼熱處理工藝曲線


三、常用合金滲碳鋼

按照合金滲碳鋼的淬透性大小,可分為三類:

(1)低淬透性合金滲碳鋼  典型鋼種為20Cr、20MnV,這類鋼水淬臨界直徑<25mm,滲碳后可直接淬火,低溫回火。心部強韌性較低,只適于制造受沖擊載荷較小的耐磨零件,如活塞銷、凸輪、滑塊、小齒輪等。

(2)中淬透性合金滲碳鋼  典型鋼種為20CrMnTi,這類鋼油淬臨界直徑約為25~60mm,主要用于制造承受高速、中等載荷、抗沖擊和耐磨損的汽車、拖拉機的變速齒輪、軸等零件。

(3)高淬透性合金滲碳鋼  典型鋼種為20Cr2Ni4A、18 Cr2Ni4WA,這類鋼中含有較多的Cr、Ni、W等合金元素,所以鋼的淬透性很好,油淬臨界直徑>100mm,經滲碳及隨后的淬火+低溫回火處理,表面有高的強度(σb≥1200MPa)、硬度和耐磨性,心部的強度、韌性很高,主要用于制造大截面、高載荷、抗沖擊的重要齒輪及大型軸類零件,如汽車、飛機、坦克中的曲軸、大模數齒輪等。


四、應用舉例

20CrMnTi合金滲碳鋼制作汽車變速箱齒輪,分析其熱處理工藝規范。

技 術 要 求 : 滲 碳 層 厚 度 1 .2 m m ~ 1.6 m m ,表面含碳量 1 .0 % ,齒 頂 硬 度 58 ~ 60 H R C ,心 部 硬 度 30 ~45 H R C 。

(1)20CrMnTi鋼齒輪的加工工藝路線

下料→鍛造→正火→加工齒形→滲碳,預冷淬火+低溫回火→磨齒。

(2)熱處理工藝曲線及分析  20CrMnTi鋼熱處理工藝曲線如下圖所示。

正火作為預先熱處理其目的是改善鍛造組織;調整硬度(170~210HB)便于機加工,正火后的組織為索氏體+鐵素體。

最終熱處理為滲碳后預冷到875℃直接淬火+低溫回火,預冷的目的在于減少淬火變形,同時在預冷過程中,滲層中可以析出二次滲碳體,在淬火后減少了殘余奧氏體量。最終熱處理后其組織由表面為回火馬氏體+顆粒狀碳化物+殘余奧氏體,而心部的組織分為兩種情況,在淬透時為低碳馬氏體+鐵素體;未淬透時為托氏體+鐵素體。

20CrMnTi鋼經上述處理后可獲得高耐磨性滲層,心部有較高的強度和良好的韌性,適宜制造承受高速中載并且抗沖擊和耐磨損的零件。如汽車、拖拉機的后橋、變速箱齒輪、離合器軸和一些重要的軸類零件。



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