5.4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢一、渗碳钢的服役条件及对性能要求• 有一些机器零件，在工作时零件整体受到 周期性变化的扭转或弯曲力的作用，并且 零件与零件表面之间还有相对的摩擦，并 有高的接触应力 • 这些零件对材料的机械性能要求： (1) 表面具有高的弯曲、接触疲劳强度和高的 耐磨性 (2) 心部具有高强度和韧性Chapter 5 机械制造结构钢5.4 渗碳钢二、渗碳钢的化学成分特点 1 低碳一般在0.12%~ 0.25%主要目的是为 了保证心部有良好的韧性 2 合金化常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、 Mo、 W、V、Ti、B等 （1）提高钢材的淬透性，提高机件的强 度和韧性； lV、Ti可以细化奥氏体晶粒 5.4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢（2）根据渗碳工艺碳化物形成元素对渗碳的作用： （a）增大钢表面吸收碳原子的能力； （b）增大渗碳层表面碳浓度； （c）阻碍碳在奥氏体中的扩散 前两因素加速渗碳，有利于渗碳层的加厚， 而后一因素不利于渗碳层的加厚 总的效果是铬、锰、钼等元素加大渗碳层的 厚度，钛减小渗碳层的厚度 Chapter 5 机械制造结构钢5.4 渗碳钢• 非碳化物形成元素对渗碳的作用与碳化物形成元 素相反： • 总的效果是镍、硅、铜等元素减慢渗碳，不利于 渗碳层的加厚。
• 碳化物形成元素含量过多，将在渗碳层中产生许 多块状碳化物，造成表面脆性所以合金元素的 含量要适当 • 锰是一个较好的合金元素，既可以加速渗碳层增 厚，又不过多提高渗碳层的含碳量 • 对于一般零件: (1)渗碳层的含碳量限制为0.8～1.1%C； (2)渗碳层的深度控制在0.6～2.0mm之内 Chapter 5 机械制造结构钢5.4 渗碳钢沿钢的渗碳层深度，碳的浓度分布 1-碳钢 2-以碳化物元素合金化的钢 3-以非碳化物元素合金化的钢 5.4 合金渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢925℃渗碳时，合金元素对渗碳层深度的影响 5.4 合金渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢三、渗碳钢的热处理特点 1 预先热处理合金渗碳钢零件，在机械加工前的预先热处 理通常分两步进行5.4 渗碳钢第一步：正火 退火（对P型钢） 第二步： 高温回火（对M型钢）Chapter 5 机械制造结构钢l正火的目的是细化晶粒，减少组织中的带 状程度并调整好硬度，便于机械加工经 过正火后的钢材具有等轴状晶粒 l对珠光体型钢通常用在800℃左右的一次 退火代替正火，可得到相同的效果，即既 细化晶粒又改善切削加工性能； l对马氏体型钢，则必须在正火之后，再在 Ac1以下温度进行高温回火，以获得回火索 氏体组织，这样可使马氏体型钢的硬度由 380~550HB降低到207~240HB，以顺利地 进行切削加工。
5.4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢2 最终热处理 （1）渗碳在机械加工到只留有磨削余量时，进行渗碳处理5.4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢• 渗碳零件的渗碳过程大都是在910～930℃ 温度进行的 • 钢表面的固溶碳极限是由奥氏体在渗碳温 度时对碳的饱和溶解度决定的如超过碳 在奥氏体中的极限溶解度，在表面层中就 会出现碳化物 • 渗碳扩散层的厚度决定于： （1）碳在奥氏体中的极限溶解度； （2）碳在奥氏体中的扩散速度； （3）扩散的时间 Chapter 5 机械制造结构钢5.4 渗碳钢（2）淬火和低温回火5.4 渗碳钢20CrMnTi钢齿轮的热处理规范采用这种工艺 的零件通常只 要求表面高硬 度和耐磨性， 而对基体性能 要求不高 è 主要用于渗 碳后不容易过 热的钢种Chapter 5 机械制造结构钢淬火和低温回火后的组织： l零件的渗碳表面：高碳回火马氏体加细小的碳 化物，硬度高（60~62HRC），耐磨性高 l零件的非渗碳表面和基体部分（心部）： u低碳回火马氏体—淬透性高的钢种； u低碳回火马氏体加贝氏体（40~48HRC）—淬 透性中等的钢种； u低碳回火屈氏体（25~40HRC）—淬透性小的 钢种。
l这些组织使零件具有更好的强硬度与韧塑性的 配合，心部的冲击韧性一般都高于700kJ/m25.4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢5.4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢5.4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢u渗碳后先进行空冷（即正火处理）使组织 细化，而后再按渗碳后的表面成分进行淬 火并低温回火当要求表面高硬度、高耐 磨性外，对基体性能有较高要求时，可采 用这种工艺主要用于渗碳后容易过热的 钢种，如20Cr、20Mn2等5.4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢u渗碳空冷后，进行两次淬火当对零件表面 和基体性能的要求都很严格时，可用这种工艺 n第一次按钢的基体成分加热淬火，加热温度较 高（870℃左右），目的是细化心部组织并消 除表面渗碳层中的网状渗碳体； n第二次按高碳钢的成分进行（表面）淬火，目 的是使表面获得细小的马氏体加粒状碳化物组 织，以满足表面高性能的要求； n最后进行低温回火起消除应力、稳定组织和稳 定尺寸的作用5.4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢5.4 渗碳钢è 这类热处理工艺主要用于航空发动机齿轮的 热处理。
航空发动机齿轮(可达GB10095-88 4级)Chapter 5 机械制造结构钢四、典型渗碳钢及其应用 Ø碳素渗碳钢：15、20Ø合金渗碳钢按淬透性的高低可分为： （1）低淬透性合金渗碳钢 20Cr、20Mn2等 （2）中淬透性合金渗碳钢 20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等 （3）高淬透性合金渗碳钢 12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、 18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等5.4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢Ø低淬透性合金渗碳钢 l抗拉强度通常为800~1000MN/m2 l典型钢种是20Cr、20Mn2等 l这类钢通常只用于制造受冲击载荷较小的， 且对于心部要求不高的小型渗碳件，如小齿 轮、活塞销、套筒、链条等 Ø中淬透性合金渗碳钢 l抗拉强度通常为1000~1200MN/m2 l典型钢种是20CrMnTi、20Mn2TiB、 20MnVB等5.4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢n20CrMnTi钢有良好的机械性能和工艺性能 淬透性较高，由于含有Ti，其过热敏感性 小 n20CrMnTi钢齿轮可在渗碳后预冷到875℃直 接淬火。
先预冷再淬火是为了减少淬火变形 ；同时在预冷过程中渗碳层中析出一些二次 渗碳体（合金渗碳体），使得淬火后的渗碳 层中的残余奥氏体的数量减少 n因此这种钢大量用于制造承受高速、中载并 要求抗冲击和耐磨损的零件，特别是汽车、 拖拉机上的重要齿轮及离合器轴等5.4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢n20Mn2TiB、20MnVB是为节约Cr而发展的 代用钢，它们的缺点是淬透性不够稳定，热 处理变形稍大且缺乏规律 5.4 合金渗碳钢离合器片淬火Chapter 5 机械制造结构钢Ø高淬透性合金渗碳钢 l抗拉强度通常高于1200MN/m2 l典型钢种是12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、 18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等 l这类钢由于含有较多的Cr和Ni等合金元素 ，渗碳层后表层的C含量又很高，这样就导 致了马氏体转变温度的大幅度下降若渗 碳后直接淬火，渗碳层中将保留大量的残 余奥氏体，使表面硬度下降，因此必须设 法减少残余奥氏体的数量5. 4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢l由于这类钢含有较多的Ni，使得钢具有很 好的韧性，特别是低温冲击韧性，因此主 要用于制造大截面、高载荷的重要齿轮和 耐磨件，如飞机、坦克中的重要齿轮及曲 轴等。
l为了减少残余奥氏体的数量，通常可以采 用下面的三种方法： u第一种方法是淬火后进行冷处理（-60~- 100℃），使残余奥氏体继续转变为马氏体 ；5.4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢u第二种方法 n渗碳及正火后进行一次高温回火（600~620℃）， 使碳化物从马氏体和残余奥氏体中进一步析出（ 高淬透性钢在正火时就可淬火形成马氏体）； n随后再加热到较低温度（Ac1+30~50℃），淬火 时，这些碳化物不再溶入奥氏体中，故减少了奥 氏体中碳及合金元素含量，使马氏体转变温度有 所升高，淬火后残余奥氏体数量就自然减少了 n最后再进行低温回火，以消除内应力并提高渗层 的强度和韧性若将上述两种减少奥氏体的方法 同时采用，效果更好5.4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢u第三，在渗碳后进行喷丸强化，也可以有效 地使渗层中的残余奥氏体转变为马氏体 Ø渗碳钢还可以用来制造轴承5.4 渗碳钢本溪钢铁集团1500热轧线主减速机一轴和二轴用 轴承套圈和滚子选取了渗碳钢G20Cr2Ni4A Chapter 5 机械制造结构钢表3-7 典型渗碳钢的成分钢 号主要化学成分（%） CMnSiCrTiNi150.12- 0.190.35- 0.650.17-0.3720Cr0.17- 0.240.50- 0.800.20-0.400.70- 1.0020Cr MnTi0.17- 0.240.80- 1.100.20-0.401.00- 1.300.06- 0.1220Cr 2Ni40.17- 0.240.30- 0.600.20-0.401.25- 1.753.25- 3.75Chapter 5 机械制造结构钢5.4 渗碳钢表3-8 典型渗碳钢的热处理和机械性能钢号热处理（℃）机械性能渗 碳预备 处理淬火回火σb MPaσs MPaδ %ψ %αk J.cm15930890 空790200≥500≥300≥15≥1520Cr930880 油800200≥850≥550≥10≥40≥6020Cr MnTi930880 油870200≥1100≥850≥10≥45≥7020Cr 2Ni4930880 油780200≥1200≥1100≥10≥45≥80Chapter 5 机械制造结构钢5.4 渗碳钢n最后应该指出的是，目前碳氮共渗用钢大多 沿用如上所述的渗碳钢，但对碳氮共渗钢而 言还要更加注意表面残余奥氏体含量以及力 求使碳和氮原子同时渗入等问题。
n通常碳氮共渗用钢常加入Cr、Mo、B等元素 而不用Ni合金化，对Mn的含量也宜加以限制 n为了提高碳氮共渗温度而不降低氮的浓度， 可加入Al0.2%，Al能促进氮的渗入，并使碳 氮共渗温度提高到875℃~880℃典型的钢 号为20Cr2MoAlB5.4 渗碳钢Chapter 5 机械制造结构钢。