20CrMnTi簡介

1、20CrMnTi簡介20CrMnTi是滲碳鋼，滲碳鋼通常為含碳量為0.17%-0.24%的低碳鋼。常作為齒輪鋼用作制造汽車、摩托車、農(nóng)用車、各種工程機(jī)械的傳動齒輪，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車等行業(yè)。其淬透性較高，在保證淬透情況下，具有較高的強(qiáng)度和韌性，特別是具有較高的低溫沖擊韌性。20CrMnTi表面滲碳硬化處理用鋼具有良好的加工性，加工變形微小，抗疲勞性能相當(dāng)好?；瘜W(xué)成份碳C:0.170.23硅Si:0.170.37鎰Mn:0.801.10銘Cr：1.001.30硫S:允許殘余含量0035磷P:允許殘余含量0.035饃Ni:允許殘余含量0.030銅Cu:允許殘余含量1080(110)os(MPa)

2、:835(85)85(%):10斷面力(%):45沖擊功Akv(J):55沖擊韌性值akv(J/cm2)：69(7)硬度:w217HB試樣尺寸：毛坯尺寸為15mm 20CrMnTi密度:7.8103kg/m3彈性模量：207GPa泊松比:0.25導(dǎo)熱率:1.2610-51/C3熱處理規(guī)范：淬火：第一次880C,第二次870C,油冷；回火200C,水冷、空冷。金相組織：回火馬氏體?；鼗鸾M織與性能的研究20crMnTi鋼是低碳低合金結(jié)構(gòu)鋼，該鋼通常在化學(xué)熱處理狀態(tài)下使用。經(jīng)滲碳或碳氮共滲處理后，具有良好的耐磨性能和抗彎強(qiáng)度，以及較高的抗多次沖擊能力。該鋼還可在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，其熱處理工藝簡單，熱加

3、工和冷加工性能均較好，在兵器工業(yè)中，主要用來制造截面在30mmA下的承受中等載荷的零件，如履帶車輛的左右分離圈、同步器固定齒套等。20crMnTi鋼作為低碳馬氏體用鋼，經(jīng)淬火低溫回火后，在獲得高強(qiáng)度的同時(shí)，比優(yōu)質(zhì)碳素鋼有更好的塑性、韌性的配合，其冷脆傾向較小，低溫沖擊值高，綜合機(jī)械性能良好，可用以制造中小尺寸的高強(qiáng)度零件。熱處理工藝不同，特別是不同溫度回火后，鋼材具有不同的組織和性能。研究表明，該鋼在200c回火時(shí)其強(qiáng)度與自回火，即淬火態(tài)時(shí)相近或略有提高，而后隨回火溫度升高強(qiáng)度逐漸增加,至250300c回火時(shí),強(qiáng)度達(dá)到最大值。這主要是因?yàn)?0CrMnTi等低碳馬氏體類鋼，在200c以下回火時(shí)，

4、由于碳原子偏聚于位錯(cuò)較之析出碳化物更為穩(wěn)定，所以僅有碳原子向位錯(cuò)線附近偏聚而不析出碳化物。此時(shí)的組織結(jié)構(gòu)與自回火態(tài)時(shí)相近，而使性能基本相同。但由于低碳馬氏體鋼的Ms點(diǎn)較高，在淬火過程中有可能在已形成的馬氏體中發(fā)生自回火而析出碳化物。當(dāng)回火溫度升高到250300C時(shí)，除碳原子進(jìn)一步偏聚外，還將從碳的偏聚區(qū)直接析出e一碳化物，這些極細(xì)小的碳化物還與母相保持共格聯(lián)系，由此而造成的結(jié)構(gòu)畸變與位錯(cuò)釘扎作用增強(qiáng)，而使鋼的強(qiáng)度提高。此時(shí)的顯微組織仍保持板條狀馬氏體的形態(tài)。在回火溫度超過300c以上回火時(shí)，由于自“相中析出了0一碳化物并開始逐浙長大，a相基體中的碳已趨于平衡態(tài)含量，固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用減弱，

5、使鋼的強(qiáng)度又逐漸降低。20CrMnTi鋼經(jīng)400c回火后，在馬氏體板條界析出薄片狀。一碳化物。但此時(shí)組織仍保持板條狀馬氏體的形態(tài)。如再升高回火溫度，則顆粒狀碳化物將明顯粗化。a相基體已進(jìn)行回復(fù)和再結(jié)晶，這時(shí)鋼的組織將由等抽的a晶粒和較粗大的0一碳化物構(gòu)成，這種組織的固溶強(qiáng)化作用已消失，對位錯(cuò)運(yùn)動的阻力顯著降低，致使鋼的強(qiáng)度進(jìn)一步降低。但由于20CrMnTi鋼中的Cr、Ti等強(qiáng)碳化物形成元素的作用，阻礙了碳原子在馬氏體中的擴(kuò)散和減慢了碳化物微粒的聚焦長大速度.以及推遲了0相的回復(fù)、再結(jié)晶過程，從而抑制了鋼的硬度和強(qiáng)度的降低，因此使20CrMnTi鋼與中碳調(diào)質(zhì)鋼相比，在相同溫度回火條件下仍具有較高

6、的強(qiáng)度。20CrMnTi鋼淬火成低碳馬氏體組織后還具有良好的塑性與韌性，且隨回火溫度的升高而增加。沖擊韌性隨回火溫度升高開始增加，但在300400c溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，沖擊韌性值又較明顯降低。這主要是由于在此溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，沿板條馬氏體板條界析出碳化物薄殼所致，由此亦使伸長率在此溫度附近沒有增加，呈現(xiàn)出較明顯的回火脆性。對一般結(jié)構(gòu)零件在確定回火工藝時(shí)，應(yīng)避免回火脆性的不良影響，但對一些特殊要求的零件又可利用這一現(xiàn)象以滿足特殊要求。當(dāng)回火溫度超過400C以上再升高回火溫度后，塑性和沖擊韌性土顯著增加。20CrMnTi鋼在低溫回火或在高溫回火，均具有優(yōu)良的塑性和韌性。從20CrMnTi鋼淬火后經(jīng)2

7、50c回火和經(jīng)400c回火后試樣斷口的電鏡微觀形貌，可見其明顯的韌窩特證，表明材料均為韌性斷裂。結(jié)論20CrMnTi鋼經(jīng)淬火和不同溫度回火后，具有良好的綜合力學(xué)性能，因此，除在化學(xué)熱處理狀態(tài)下使用外，還可做為低碳馬氏體鋼制造中小尺寸的高強(qiáng)度零件。(2)20CrMnTi鋼淬火后獲得低碳馬氏體組織，由于自回火現(xiàn)象使該鋼的性能與低溫回火時(shí)相近，即具有高強(qiáng)度和良好的塑性與韌性，因而可以在淬火狀態(tài)下直接應(yīng)用。(3)應(yīng)用20CrMnTi鋼制造要求高精度尺寸穩(wěn)定的零件，在淬火后應(yīng)進(jìn)行回火處理。當(dāng)在250c進(jìn)行回火時(shí)，將獲得最佳強(qiáng)韌性能配合，如在300400c溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，則出現(xiàn)回火脆性對一般結(jié)構(gòu)零件應(yīng)設(shè)

8、法避免和克服，而對某些兵器零件可用此滿足其特殊性能要求。20CrMnTi鋼的快速壓力滲碳工藝研究表明：提高滲碳爐內(nèi)的壓力，可提高氣氛中的碳勢，增大工件表面對活性碳原子的物理吸附速度，同時(shí)也可提高內(nèi)擴(kuò)散速度，從而提高此工藝的滲碳速度，縮短滲碳時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。費(fèi)1 1工藝參數(shù)對比ubub1 1CcmiruUCcmiruU4 4prucLShpLumiiBLleTprucLShpLumiiBLleT升機(jī)加氣fJ:.fJ:.kl,kl,也油酒明制理都海的in榻阻時(shí)網(wǎng)以汕島2 2湖混;1 1，網(wǎng)二二回2-402-4030-150-ISO30-150-ISO20-10-20-10-5050al-u.s

9、al-u.s性波壓力*嘴2 2用h h 1 1力HDHDim-1nCFim-1nCF5 51 1X XL7L720CrMnTi鋼快速壓力滲碳工藝機(jī)理分析(1)爐內(nèi)壓力在滲劑中的反應(yīng)和對外擴(kuò)散速度影響在一定的溫度下，從滲劑(如煤油)中裂化成的CO分解出活性碳原子C。提高滲碳爐內(nèi)壓力，有利于向摩爾數(shù)減小的方向即生成碳原子的方向進(jìn)行。滲劑中的擴(kuò)散是指滲碳反應(yīng)生成的活性碳原子向工件表面的擴(kuò)散及相界面反應(yīng)產(chǎn)物從界面逸散的過程。溫度越高，滲劑流速越大，擴(kuò)散越快；同時(shí)提高爐內(nèi)壓力，也就提高了爐內(nèi)氣體分子的密度和分壓，從而提高了氣氛中的活性碳原子的密度，即提高了氣氛中的碳勢。提高滲碳爐內(nèi)壓力，可提高氣氛中的碳

10、勢，即可增大氣氛中的碳濃度梯度，根據(jù)菲克第一擴(kuò)散定律，可提高氣氛中碳原子擴(kuò)散通量，即可強(qiáng)化外擴(kuò)散過程。(2)爐內(nèi)壓力對相界面吸附反應(yīng)速度的影響活性碳原子撞擊到工件表面后， 與工件表面的原子發(fā)生吸附與解吸附反應(yīng)。 進(jìn)行的吸附反應(yīng)有物理吸附和化學(xué)吸附，發(fā)生物理吸附的溫度較低，化學(xué)吸附的溫度較高。物理吸附是可逆的，可通過改變溫度或氣氛壓力來增大或減小吸附量。提高滲碳爐內(nèi)壓力，不僅提高了爐內(nèi)氣體分子或原子的密度，而且也提高了它們的靜壓能，使它們具有較大的運(yùn)動速度，從而加快了工件表面對活性碳原子的物理吸附速度，即在單位時(shí)間內(nèi)，增大了物理吸附量。與物理吸附相比，進(jìn)行化學(xué)吸附的速度高，時(shí)間短，且不容易解吸。

11、應(yīng)該說，提高滲碳爐內(nèi)壓力，對化學(xué)吸附影響不明顯。爐內(nèi)壓力對工件中碳原子內(nèi)擴(kuò)散速度的影響擴(kuò)散是工件表面吸收并溶解被滲入的活性碳原子后，由于工件表面和心部元素存在濃度差而發(fā)生被滲入元素由高濃度表面向心部遷移并生成新相的過程。擴(kuò)散的結(jié)果是在工件表面獲得一定深度的擴(kuò)散層。根據(jù)菲克第二定理，影響內(nèi)擴(kuò)散速度的主要因素為擴(kuò)散系數(shù)和碳原子濃度梯度。提高滲碳爐內(nèi)的壓力，不僅可增大工件表面的碳濃度，從而提高工件表面與心部的濃度梯度，而且對擴(kuò)散系數(shù)也有影響，也使擴(kuò)散系數(shù)得到提高，而碳原子在工件內(nèi)的內(nèi)擴(kuò)散速度得到了十分明顯的提高。由上述分析可知，各個(gè)過程之間是相互聯(lián)系、相互制約的，在一般#況下，擴(kuò)散是最慢的過程，也是

12、影響并決定滲碳速度大小的主要環(huán)節(jié)，因此提高擴(kuò)散速度就成為提高滲碳速度的重要內(nèi)容。而快速壓力滲碳工藝，提高了滲碳爐內(nèi)的壓力，并適量增加滲碳劑量，就可提高氣氛中的碳勢，提高氣相中的擴(kuò)散速度即外擴(kuò)散速度，增加工件表面對碳原子的吸附量或吸附速度，同時(shí)也可提高內(nèi)擴(kuò)散速度，從而提高總滲碳速度，整個(gè)滲碳過程由原來的78h縮短到4-5h。20CrMnTi鋼高溫組織變化規(guī)律與最佳滲碳溫度選擇滴入式滲碳由于其溫度高、周期長，是一種高能耗的表面熱處理工藝。近年來，國內(nèi)外都一直在尋求縮短滲碳周期、提高零件使用壽命的高效低耗滲碳工藝。到目前為止，比較有代表性的是提高滲碳溫度和高低溫度循環(huán)滲碳，以提高滲碳速度，縮短滲碳周

13、期。由于傳統(tǒng)的滲碳溫度都比較高(900C),提高滲碳溫度會大大增加滲碳鋼晶粒的粗化趨勢，而惡化心部組織，促進(jìn)過共析滲碳層形成網(wǎng)狀碳化物；所以，每一種滲碳鋼都有一個(gè)最佳滲碳溫度范圍。對滲層深度D為2.22.5mm的20CrMnTi鋼制齒輪，采用滲碳正火后，再重新加熱淬火。20CrMnTi滲碳鋼，選擇最佳節(jié)能滲碳溫度和滲碳時(shí)間，有一定的實(shí)際意義。實(shí)驗(yàn)材料20CrMnTi鋼的化學(xué)成份(Wt%):0.19C、1.15Cr、0.96Mn、0.06Ti、0.36Si、0.024P、0.012S加熱工藝(1)為了探索20CrMnTi鋼在不同溫度、 不同保溫時(shí)間條件下的晶粒長大趨勢和組織變化規(guī)律， 分別進(jìn)行了

14、900C、930c和970c保溫4h、6h、10h的正火處理。(2)分別在900C、930c和970c滲碳6h.爐氣碳勢為該溫度下的平衡碳勢。組織觀察采用光學(xué)顯微鏡。力學(xué)性能按國標(biāo)GB229-84測試結(jié)果分析(akVOOLX4hb).X10h(c).93OX;X4hl l10h(r).9701?X4h).97010h(r).9701?X4h).970。乂IOhIOh圖120C120C鋼正火織與加熱力度、保溫時(shí)何之間的關(guān)系X100X100由圖1可知,隨著加熱溫度的升高，保溫時(shí)間的延長，奧氏體晶?？焖匍L大，正火組織粗化。當(dāng)加熱溫度為900c時(shí)，即使保溫10h,組織仍十分細(xì)??；當(dāng)加熱溫度為930c時(shí)

15、,隨保溫時(shí)間延長,鋼的組織雖然有所粗化，但正火所得F和P晶粒也仍十分細(xì)小。當(dāng)加熱溫度達(dá)到970c時(shí),隨保溫時(shí)間延長，組織粗化速率加快；當(dāng)970c加熱、保溫10h時(shí),正火組織中已經(jīng)出現(xiàn)了網(wǎng)狀鐵素體，如圖1f;并且在970c加熱6小時(shí)的組織中，局部地區(qū)，出現(xiàn)了十分嚴(yán)重的魏氏鐵素體組織如圖2。由此可見,20CrMnTi鋼，在970c以上溫度長時(shí)間滲碳時(shí)，將會使?jié)B碳件的心部組織惡化，當(dāng)重新加熱到840c淬火時(shí)，滲碳正火組織中的網(wǎng)狀鐵素體和魏氏組織鐵素體，絕大部分消除不了，使?jié)B碳零件的心部組織惡化，達(dá)不到強(qiáng)韌化的目的。結(jié)論(1)20CrMnTi鋼在970c以上保溫時(shí)，組織中會出現(xiàn)魏氏組織鐵素體和嚴(yán)重的網(wǎng)

16、狀鐵素體，使鋼在強(qiáng)度、硬度下降的同時(shí)，韌性ak值劇降低。(2)根楣組織、強(qiáng)度、硬度、韌性變化規(guī)律和滲碳質(zhì)量的要求，當(dāng)滲碳保溫時(shí)間不超過6小時(shí),20CrMnTi鋼的最高滲碳溫度應(yīng)小于或等于950C,否則會形成嚴(yán)重的網(wǎng)狀Fe3c,并使心部組織惡化，性能顯著下降。20CrMnTi鋼高濃度滲碳的組織與性能研究表明：高濃度滲碳工藝可在鋼的表層形成大量細(xì)粒狀、彌散分布的碳化物，具有高硬度、高耐磨性、高回火穩(wěn)定性及低脆性。高濃度滲碳，其滲層含有相當(dāng)數(shù)量(20%50%)的顆粒狀、彌散分布的碳化物，顯示出比通常滲碳更加優(yōu)異的耐磨性、耐蝕性，更高的接觸與彎曲疲勞強(qiáng)度，較高的沖擊韌度與較低的脆性，同時(shí)還具有適用性廣

17、、對設(shè)備無特殊要求等優(yōu)點(diǎn)，因而近年來在國內(nèi)外獲得競相研究與開發(fā)。試驗(yàn)條件與方法為了易于生成高硬度的合金碳化物，高濃度滲碳首先選用20CrMnTi滲碳鋼。試驗(yàn)是在箱式電阻爐中進(jìn)行，滲劑是在固體滲碳劑中加少量的碳酸鋼、碳酸鈉、稀土粉末等,試樣裝盒密封。表1所示為經(jīng)低溫預(yù)處理后再升溫至840c高濃度滲碳，然后直接油淬的試驗(yàn)結(jié)果。aiai需甯量港碳工藝試晶方案一工龍勢可試建孑要工藝教海層/牝物照密展層維度,由1 1T T軸5kMs5kMs里川冊C C工 1 熱年藏托勒多方片優(yōu).也在品界為斷僦冏狀H 咖2 22 2T T腳慎處理+84+84。EhT 的C.0.5h-C.0.5h-M MChYChY就C.

18、5C.lC.5C.lhfhf常漳碳化物呈債土血粒出分無D0E6?D0E6?S2高該置酒屬工藝試驗(yàn)方案二740740c.lIIc.lII腳OMr.2hOMr.2h畤蚓emuemu見0 0CGh-SCGh-S照8 8，Q.Shf8Q.Shf8 I Ihfhf袖洋7407401r80h-r80CUCUhf%hf%。C-2C-2h-h-5g05g0.0.5.0.5hfhf可以看出,1號工藝獲得的滲碳層雖然較厚，但由于碳化物形態(tài)呈片狀及沿晶界網(wǎng)狀分布，這是不希望出現(xiàn)的。它說明僅靠預(yù)處理對形成顆粒狀碳化物所起的作用還遠(yuǎn)不夠；2號工藝除采用預(yù)處理，還進(jìn)行了840c與580c兩次循環(huán)高濃度滲碳熱處理，不僅細(xì)化了奧氏體晶粒，增加了滲速，而且獲得的碳化物形態(tài)多為顆粒狀。由表2所示可看出:3號工藝由于采用了分段等溫預(yù)處理(740C,1h-780C,1h),比一次等溫預(yù)處理(780C,1.5h)所獲得的滲層要深得多，且粒狀碳化物數(shù)量多、細(xì)小沮號工藝將最終高濃度滲碳溫0.1323。.打52猴t.2h-*S80r.58Wt.2h-*S80r.58W窗印度大,僅相良碘牝物相的大度提高至860C,所獲得的碳化物數(shù)量多、細(xì)小、均勻分布，而且整個(gè)滲層深度大幅度提高。通過分析比較，初步確定高濃度滲碳以4號工藝為優(yōu)。這是因?yàn)榉侄晤A(yù)處理可在晶內(nèi)及晶界留下一些高碳區(qū)， 有