滲碳鋼

滲碳鋼主要用于制造齒輪、凸輪、活塞銷等零件。

滲碳鋼主要用于制造要求高耐磨性、承受高接觸應(yīng)力和沖擊載荷的重要零件，如汽車、拖拉機的變速齒輪，內(nèi)燃機上凸輪軸、活塞銷等。

滲碳鋼的預(yù)先熱處理通常采用正火，對于高淬透性的滲碳鋼，可采用空冷淬火后高溫回火，獲得回火索氏體組織，改善切削加工性能。滲碳鋼的最終熱處理一般都是在滲碳后進行直接淬火或一次淬火，180～200℃低溫回火。處理后工件表面硬度一般為58～64HRC，心部的組織和硬度則取決于鋼的淬透性和截面尺寸大小。

近年來，生產(chǎn)中采用滲碳鋼直接進行淬火加低溫回火處理，獲得低碳馬氏體組織，用來制造某些綜合力學(xué)性能要求較高的零件（如傳遞動力的軸、重要的螺栓等）。在某些場合，它還可以替代經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的中碳鋼或中碳合金鋼，取得了良好的使用效果。

滲碳鋼（carlmrizing steel）一種機械結(jié)構(gòu)鋼。通常是含碳量較低（0.10%～0.25%）的碳素鋼和合金鋼（主要合金元素有Cr、Ni、Mn、B等）。制成的零件一般經(jīng)滲碳、淬火和低溫回火后使用。主要用作表面硬度高、耐磨、心部具有較高韌性的零件，如齒輪等。常用的滲碳鋼有15、20、20Cr、20Mn2B、20Cr2Ni4、1 8Cr2Ni4W等。

滲碳鋼大致可分為碳素滲碳鋼和合金滲碳鋼。滲碳鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)一般約為0.1%～0.3%，其牌號主要是15鋼和20鋼。這類滲碳鋼經(jīng)滲碳及隨后的淬火、同火處理，其表面硬度可以達到58～64HRC，具有較好的耐磨性。但是由于這類滲碳鋼的淬透性較低，只能適用于心部強度要求不高、承受負載較小的小尺寸零件，如襯套、鏈條片以及量具、夾具等。

合金滲碳鋼由于是在低碳碳素鋼的基礎(chǔ)上，加入了各種不同化學(xué)成分的合金元素，如Cr、Mo、Ni、Mn、Ti、V等，可抑制奧氏體晶粒長大，提高淬透性和增加回火穩(wěn)定性，所以，能改善滲碳鋼的工藝性能。這類合金滲碳鋼主要用于制作軸類、齒輪類、銷桿類、鏈輪類等承受負載較大的零件。按照淬透性的大小，合金鋼滲碳鋼還可分為以下三類：淬透性一般的滲碳鋼，如15Cr、20Cr和20MnV等；淬透性較好的滲碳鋼，如20CrMo、20CrMnTi等；淬透性最好的滲碳鋼，如12CrNi3A、12Cr2Ni4A和18Cr2Ni4WA等。

滲碳用鋼的選用應(yīng)根據(jù)工件的服役條件及尺寸的大小來確定。對承受一定沖擊載荷、有一定耐磨要求的工件，如起重、采礦、運輸?shù)仍O(shè)備的普通齒輪，可選用20CrMo鋼和20CrMnTi鋼等；對承受重載及尺寸較大的工件，如大型軋鋼機減速器齒輪、大型錐齒輪、坦克齒輪等，可選用12Cr2Ni4A鋼或18Cr2Ni4WA鋼等。

還可以根據(jù)淬透性不同，可將滲碳鋼分為三類：

①低淬透性滲碳鋼：典型鋼種如20、20Cr等，其淬透性和心部強度均較低，水中臨界直徑不超過20~35mm。只適用于制造受沖擊載荷較小的耐磨件，如小軸、小齒輪、活塞銷等。

②中淬透性滲碳鋼：典型鋼種如20CrMnTi等，其淬透性較高，油中臨界直徑約為25~60mm，力學(xué)性能和工藝性能良好，大量用于制造承受高速中載、抗沖擊和耐磨損的零件，如汽車、拖拉機的變速齒輪、離合器軸等。

③高淬透性滲碳鋼：典型鋼種如18Cr2Ni4WA等，其油中臨界直徑大于100mm，且具有良好的韌性，主要用于制造大截面、高載荷的重要耐磨件，如飛機、坦克的曲軸和齒輪等。

滲碳鋼的熱處理一般是滲碳后進行淬火及低溫回火，以獲得高硬度的表層及強而韌的心部。根據(jù)鋼的成分的差異，常用的熱處理方法有以下幾種。

（1）滲碳后預(yù)冷直接淬火及低溫回火

這種方法適用于合金元素含量較低又不易過熱的鋼，如20CrMnTi、20CrTi等。

（2）一次淬火

滲碳后緩冷至室溫，重新加熱淬火并低溫回火。適用于滲碳時易過熱的碳鋼、低合金鋼工件及固體滲碳后的零件等。

（3）兩次淬火

滲碳后緩冷至室溫，重新加熱兩次淬火并低溫回火。適用于本質(zhì)粗晶粒鋼及對性能要求很高的工件，但生產(chǎn)周期長，成本高，易脫碳氧化和變形。

對于合金化程度較高的18Cr2Ni4WA等鋼種，如果滲碳后預(yù)冷淬火，滲層將存在大量殘留奧氏體，使硬度降低。為此，生產(chǎn)上采用滲碳空冷后進行高溫回火，使殘留奧氏體分解，然后再進行加熱淬火和低溫回火。

熱處理和組織特點滲碳件一般的工藝路線為：下料→鍛造→正火→機加工→滲碳→淬火 低溫回火→磨削。滲碳溫度為900~950℃，滲碳后的熱處理通常采用直接淬火加低溫回火，但對滲碳時易過熱的鋼種如20、20Mn2等，滲碳后需先正火，以消除晶粒粗大的過熱組織，然后再淬火和低溫回火。淬火溫度一般為Ac1 30~50℃。使用狀態(tài)下的組織為：表面是高碳回火馬氏體加顆粒狀碳化物加少量殘余奧氏體（硬度達HRC58~62），心部是低碳回火馬氏體加鐵素體（淬透）或鐵素體加托氏體（未淬透）。

滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經(jīng)過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。一般滲碳的溫度為900~950℃，淬火溫度為800~850℃油淬，回火溫度為180~200℃。

根據(jù)機器零件的工作條件及對性能的要求，滲碳鋼的化學(xué)成分有以下特點。

1．低碳

含碳量一般為ω_C=0.10%～0.25%。滲碳鋼的含碳量實際上是滲碳零件心部的含碳量，這對于保證心部有足夠的塑性和韌性是十分必要的。若含碳量過低，表面的滲碳層易于剝落；含碳量過高，則心部的塑性和韌性下降，并使表層的壓應(yīng)力減少，從而降低彎曲疲勞強度。

2．加入提高淬透性的合金元素

提高心部的強度將提高齒輪的承載能力，并防止?jié)B層剝落。而心部的強度則取決于鋼中含碳量及淬透性。當淬透性足夠時，心部得到全部位錯馬氏體組織；如淬透性不足，則出現(xiàn)非馬氏體組織。常加入的合金元素有Cr、Mn、Ni、B、Mo、W和Si等。Ni對滲層和心部的韌性和強度都十分有利，因而高級滲碳鋼中都含有較多的Ni。

3．加入阻止奧氏體晶粒長大的元素

滲碳工藝是在910～930℃高溫下進行的，為了阻止奧氏體晶粒長大，滲碳鋼用以鋁脫氧的本質(zhì)細晶粒鋼。Mn在鋼中有促進奧氏體晶粒長大的傾向，所以在含Mn滲碳鋼中常加入少量的V、Ti等阻止奧氏體晶粒長大的元素。

此外，為了提高滲層的碳濃度、滲層深度和滲入速度，可加入碳化物形成元素Cr、Mo、W等，非碳化物形成元素Si、Ni等則降低滲層碳濃度及厚度。但是碳化物形成元素過多，則導(dǎo)致滲層碳濃度分布曲線過陡，塊狀碳化物增多，降低滲層性能，所以對鋼中合金元素的種類及數(shù)量必須全面考慮。

1. 用途

主要用于制造汽車、拖拉機中的變速齒輪，內(nèi)燃機上的凸輪軸、活塞銷等機器零件。這類零件在工作中遭受強烈的摩擦磨損，同時又承受較大的交變載荷，特別是沖擊載荷。

2. 性能要求

(1) 表面滲碳層硬度高，以保證優(yōu)異的耐磨性和接觸疲勞抗力，同時具有適當?shù)乃苄院晚g性。

(2) 心部具有高的韌性和足夠高的強度。心部韌性不足時，在沖擊載荷或過載作用下容易斷裂；強度不足時，則較脆的滲碳層易碎裂、剝落。

(3) 有良好的熱處理工藝性能 在高的滲碳溫度（900℃～950℃）下，奧氏體晶粒不易長大，并有良好的淬透性。

3. 成分特點

(1)低碳：碳含量一般為0.10%～0.25%，使零件心部有足夠的塑性和韌性。

(2) 加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等。

(3) 加入阻礙奧氏體晶粒長大的元素：主要加入少量強碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成穩(wěn)定的合金碳化物。

4.鋼種及牌號

20Cr低淬透性合金滲碳鋼。這類鋼的淬透性低，心部強度較低。

20CrMnTi中淬透性合金滲碳鋼。這類鋼淬透性較高、過熱敏感性較小，滲碳過渡層比較均勻，具有良好的機械性能和工藝性能。

18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A高淬透性合金滲碳鋼。這類鋼含有較多的Cr、Ni等元素，淬透性很高，且具有很好的韌性和低溫沖擊韌性。

5. 熱處理和組織性能

合金滲碳鋼的熱處理工藝一般都是滲碳后直接淬火，再低溫回火。 熱處理后，表面滲碳層的組織為合金滲碳體 回火馬氏體 少量殘余奧氏體組織，硬度為60HRC～62HRC。心部組織與鋼的淬透性及零件截面尺寸有關(guān)，完全淬透時為低碳回火馬氏體，硬度為40HRC～48HRC；多數(shù)情況下是屈氏體、回火馬氏體和少量鐵素體，硬度為25HRC～40HRC。心部韌性一般都高于700KJ/m2。