20CrMnTi鋼滲碳工藝研究進(jìn)展

單東棟，趙作福，李 鑫，齊錦剛，王建中

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20CrMnTi鋼滲碳工藝研究進(jìn)展

單東棟，趙作福，李 鑫，齊錦剛，王建中

（遼寧工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

概述了20CrMnTi鋼的滲碳表面化學(xué)熱處理工藝的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。20CrMnTi鋼被廣泛地應(yīng)用于制造抗壓耐磨的齒輪軸、齒圈、齒輪等重載的機(jī)械零件。優(yōu)良的表面熱處理工藝是保證其高耐磨性、高強(qiáng)度的前提。滲碳是應(yīng)用最早也最廣泛的一種化學(xué)熱處理方法，其具有適用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益高便于在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下結(jié)合實(shí)際需要推廣應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。

20CrMnTi鋼；滲碳；組織性能；微觀組織

20CrMnTi鋼是性能良好的滲碳鋼，其具有淬透性高、耐磨性好、晶粒尺寸小、滲碳淬火性能好、低溫沖擊韌性高、正火后切削性能強(qiáng)、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制造抗壓耐磨的齒輪軸、齒圈、齒輪等重載或中載的機(jī)械零件[1-5]。

20CrMnTi鋼主要應(yīng)用在齒輪制造上，在生產(chǎn)過程中著重考慮其柔韌性、耐磨性以及抗沖擊、抗彎曲等力學(xué)性能[6]。在使用過程中，起到傳遞動力作用的齒輪會因沖擊和應(yīng)變等多種外力作用而出現(xiàn)齒面接觸疲勞和齒根斷裂等多種失效形式?；瘜W(xué)熱處理能有效地提高試件表面的耐磨性、耐熱疲勞、耐疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕性、抗氧化性等性能[7-9]。所以在生產(chǎn)過程中需要對20CrMnTi鋼進(jìn)行必要的化學(xué)熱處理。20CrMnTi鋼的熱處理工藝中最為常用的是滲碳工藝。滲碳是應(yīng)用最早也最廣的一種化學(xué)熱處理方法，其具有適用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益高、便于在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下結(jié)合實(shí)際需要推廣應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)[10]。滲碳工藝可以大幅度提高20CrMnTi鋼的工件使用性能，延長其使用壽命。

各國研究者不斷地對20CrMnTi鋼的滲碳工藝進(jìn)行研究和改進(jìn)，并通過調(diào)整滲碳溫度、保溫時間、冷卻方式、淬火時間等方法來改善20CrMnTi鋼的滲碳層深度、滲碳速度、耐磨性、耐腐蝕性、表面硬度等相關(guān)參數(shù)和力學(xué)性能，進(jìn)而確定最佳的滲碳工藝[11-16]。目前常用的滲碳工藝大致可以分為：固體滲碳、液體滲碳和氣體滲碳。

1 固體滲碳

1.1 單一固體滲碳

固體滲碳是一種最常見的化學(xué)熱處理的方法,也是應(yīng)用最早的滲碳方法[17]。早在1966年，岳陽拖拉機(jī)修配廠的技術(shù)人員[18]就對20Cr鋼進(jìn)行了固體滲碳處理的研究，其滲碳溫度為900~950 ℃，滲層厚度為2 mm時的滲碳時間為6.5 h，硬度檢測為56~62 HRC，滲碳層晶粒度為5級，滲碳量僅為0.8%~1.0 %。隨著科技的不斷進(jìn)步，眾多科研工作者們對20CrMnTi鋼固體滲碳工藝的研究也在不斷地深入。1987年，石子源[19]等對20CrMnTi鋼進(jìn)行了滲碳層碳化物的細(xì)化實(shí)驗(yàn)。其滲碳工藝為830 ℃ × 1 h滲碳油冷＋900 ℃×4 h滲碳空冷，這種滲碳工藝與普通滲碳工藝相比，滲層中碳化物細(xì)小、數(shù)量多、呈彌散分布、滲層較深，且可以增加滲碳速度，縮短滲碳時間，獲得較高的硬度和較強(qiáng)的耐磨性能。滲碳溫度過高會導(dǎo)致齒輪產(chǎn)生變形，進(jìn)而降低齒輪的力學(xué)性能。

1993年，劉志儒[20]等采取稀土低溫高碳勢滲碳的方法來有效降低實(shí)驗(yàn)溫度。其實(shí)驗(yàn)方法是將稀土的催滲和微合金化、低溫滲碳和高碳勢滲碳三者相結(jié)合的新工藝。研究結(jié)果表明，其性能與常規(guī)滲碳相比，滲碳溫度降低了50~70 ℃，滲碳速度提高了30%，耐磨性提高了30%，彎曲疲勞極限提高了30%~47%，使用壽命提高了26%~80 %，節(jié)省能源20 %以上，齒輪變形減少了30%~50%。20CrMnTi鋼在普通滲碳后出現(xiàn)硬度不夠高、耐磨性能弱等缺點(diǎn)。在1999年，蕭莉美[21]等對20CrMnTi鋼進(jìn)行了高濃度滲碳工藝研究，利用固體滲碳法對20CrMnTi滲碳鋼進(jìn)行較低溫度高濃度滲碳，采用零保溫淬火，分段預(yù)熱處理加循環(huán)熱處理的方法進(jìn)行處理。研究結(jié)果表明，高濃度滲碳工藝可以使20CrMnTi鋼得到優(yōu)質(zhì)的彌散碳化物滲層，可使?jié)B碳溫度降至820~860 ℃。與普通滲碳工藝相比，高濃度滲碳處理后，其表面的硬度高、耐磨性強(qiáng)、滲層脆性小、回火性能好，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

在齒輪的生產(chǎn)過程中，必然要考慮實(shí)際的經(jīng)濟(jì)效益，這就需要在達(dá)到技術(shù)要求的同時縮短滲碳時間。2000年，楊殿魁[22]等研究了稀土在20CrMnTi鋼固體滲碳中的作用。試樣在830~850℃裝爐，然后升溫至920 ℃進(jìn)行稀土滲碳，最后降溫至840~860 ℃進(jìn)行擴(kuò)散處理，隨爐空冷。實(shí)驗(yàn)表明，固體滲碳的最佳稀土加入量為6 g/L；滲層要求為1.6 mm時需7~8 h，縮短了1.5 h；金相照片顯示稀土催滲的碳化物更多、更小、更彌散，顯微硬度也有一定的提高。在實(shí)際生產(chǎn)中加工尺寸較大的工件時，由于固體滲碳的碳勢無法控制，滲層表面含碳量較高，因而滲層齒面應(yīng)留足夠的磨削余量，此時使用固體滲碳的方法更加快捷有效。2006年，李瑞彬[23]研究了20CrMnTi鋼齒輪固體滲碳工藝，滲碳30 h時滲碳層深度為2.0 mm，保溫39 h開始爐冷，爐冷至860 ℃后進(jìn)行空冷，淬火加熱溫度取860 ℃。

隨著社會的飛速發(fā)展，人們越來越重視環(huán)境問題，在對20CrMnTi鋼進(jìn)行固體滲碳時，節(jié)能減排受到了熱處理工藝研究者的高度重視。2013年，楊延輝[24]進(jìn)行了齒輪鋼的高溫滲碳的研究。在20CrMn鋼中添加Nb/Ti微合金元素，并進(jìn)行1 000 ℃的高溫滲碳。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高溫滲碳工藝可以大幅度減少滲碳時間，因此該工藝具有能耗低、效率高、污染少等優(yōu)點(diǎn)，而且形成的20CrMnTiNb鋼經(jīng)高溫滲碳后，力學(xué)性能最好，疲勞極限最高。

1.2 復(fù)合滲

在單一固體滲碳工藝改進(jìn)的同時，科研工作者們對于20CrMnTi鋼固體復(fù)合滲生產(chǎn)工藝的研究有了重大突破。1999年，齊寶森[25]等進(jìn)行了高濃度碳氮共滲的實(shí)驗(yàn)研究，20CrMnTi鋼在800~860 ℃固體高濃度碳氮共滲的工藝下處理，結(jié)果表明：高濃度碳氮共滲工藝可在鋼的表面形成大量細(xì)粒狀、彌散分布的碳化物，具有高硬度、高回火穩(wěn)定性、低脆性等優(yōu)點(diǎn)。2005年，趙程[26]等進(jìn)行了20CrMnTi鋼滲層稀土硼碳氮共滲實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在箱式電爐中進(jìn)行，以優(yōu)化的工藝參數(shù)（950 ℃×8 h共滲，15.0%氯化稀土催滲）下，對20CrMnTi鋼試樣進(jìn)行B、C、N三元共滲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，共滲層組織形態(tài)優(yōu)于碳氮共滲時的共滲層組織，顯微硬度比碳氮共滲提高了1.25倍，滲層深度及耐腐蝕性都優(yōu)于碳氮共滲，進(jìn)而提高了零件的使用壽命。

2 液體滲碳

液體滲碳與其他滲碳方法相比，既可降低滲碳溫度，也可降低成本，適用于處理精密小零件及要求耐磨的零件[27]。許多研究者也對20CrMnTi鋼的液體滲碳工藝進(jìn)行了研究。2012年，郭文延[28]對20CrMnTi液相等離子電解碳氮共滲進(jìn)行了研究，以尿素水溶液為電解液主體，添加適量的無機(jī)鹽KCl，采用直流穩(wěn)壓開關(guān)電源對試件進(jìn)行等離子電解碳氮共滲處理。其優(yōu)點(diǎn)是可以清潔表面、還原表面、獲得一定深度的碳氮共滲硬化層、提高表面的耐腐蝕性，滲層厚度也達(dá)到了技術(shù)要求。但此等離子電解技術(shù)因?yàn)橛写罅克拇嬖跁a(chǎn)生氧化作用，為了彌補(bǔ)這一缺陷，研究者們改進(jìn)了該工藝過程。2015年，康承飛[29]進(jìn)行了20CrMnTi鋼液相感應(yīng)滲碳研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在830 ℃處理5 min碳氮共滲，滲層厚度為160 μm，最高硬度為610 HV0.3；在800~930 ℃下處理10 min, 880 ℃處理10 min滲碳層厚度為150 μm，最高硬度為800 HV0.3以上；930 ℃處理10 min滲碳層厚度為255 μm，滲碳層最高硬度為800 HV0.3以上。在一定限度內(nèi)，提高溫度有利于提高滲速，減少工藝時間，實(shí)現(xiàn)快速滲碳。

3 氣體滲碳

3.1 單一氣體滲碳

氣體滲碳具有碳勢可控、生產(chǎn)效率高、勞動條件好和可以直接淬火等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用最為廣泛[30]。早在1958年機(jī)械制造與工藝科學(xué)研究院[31]就提出了氣體滲碳工藝，采用苯和酒精作為滲碳劑，在930 ℃×6 h條件下進(jìn)行滲碳。由于原始?xì)怏w滲碳工藝滲碳時間較長，能源消耗很大，且滲碳質(zhì)量難以保證，在1993年，劉志儒[32]等對稀土低溫高濃度滲碳表面滲層微觀組織進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)在井式氣體滲碳爐中進(jìn)行，采用自研制的混合稀土催滲劑加入甲醇，實(shí)驗(yàn)溫度860±5 ℃，碳勢約為1.6 %。實(shí)驗(yàn)表明，在稀土催滲的作用下，滲碳速度可以提升30 %，滲層深度可達(dá)200 μm，在過共析區(qū)形成顆粒尺寸均勻而彌散分布的碳化物。

為了進(jìn)一步降低20CrMnTi鋼的滲碳溫度，進(jìn)而降低成本，1998年，王濱生[33]等對20CrMnTi鋼進(jìn)行了滲氮、低溫滲碳淬火復(fù)合熱處理，滲氮后經(jīng)低溫滲碳加熱過程，鋼件表面滲氮層在700 ℃時完全分解，其中一部分氮原子擴(kuò)散到奧氏體內(nèi)，促使在840~860 ℃溫度下鋼件滲碳過程得以進(jìn)行，從而減小了滲碳過程中因溫度過高引起的變形。這種滲碳方法不僅可以改善熱應(yīng)力引起的變形、力學(xué)性能較弱等不足，還可以降低熱處理所需的溫度，降低滲碳的成本。為滿足生產(chǎn)工作的需要，研究者們也在努力地提高滲碳效率、加快滲碳速度。1998年，甘悅成[34]對20CrMnTi鋼進(jìn)行彌散碳化物高碳含量滲碳實(shí)驗(yàn)，在井式氣體滲碳爐中進(jìn)行，爐壓為147~196 Pa，氣氛CO2控制在0.15%~0.25%之間，強(qiáng)滲期碳勢為1.20%C，擴(kuò)散期碳勢為0.80%~0.90 %C，滲碳溫度為930 ℃，強(qiáng)滲5 h，擴(kuò)散時間為40 h。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，20CrMnTi鋼在進(jìn)行高碳含量滲碳時可以得到含碳量1.25 %以上的彌散碳化物表面層，滲層組織接觸疲勞強(qiáng)度高，耐磨性能好，而且該工藝具有操作簡單，滲碳速度較快的優(yōu)點(diǎn)。

為了提高20CrMnTi鋼的組織性能和力學(xué)性能，專家、學(xué)者們選擇了稀土催滲的方法進(jìn)行氣體滲碳處理。2002年，周細(xì)應(yīng)[35]等研究了稀土對20CrMnTi鋼氣體滲碳的影響，通過控制滲劑中的稀土元素濃度和滲碳時間，分析了稀土對滲層組織、滲層深度、顯微硬度梯度、表面硬度的影響。研究表明，加入稀土元素可以改善滲層的顯微組織，滲層深度可以增加大約30%，顯微硬度略有增加，硬度梯度變緩。同年7月，呼文來[36]進(jìn)行了稀土在20CrMnTi鋼滲碳過程中的作用研究。實(shí)驗(yàn)為滴注式氣體滲碳，稀土加入量為5 g/L，在不同溫度、不同保溫時間下進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，900 ℃時擴(kuò)散激活能為140 kJ/mol，降低了滲碳的激活能，加快滲碳速度；在稀土量為5 g/L的滲劑中滲碳時，滲層深度的平方與時間呈正比關(guān)系。對于20CrMnTi鋼在滲碳過程中存在滲碳時間長、能耗大、高溫使工件易變形等問題，研究者們不斷地嘗試新的工藝來解決這些難題。2003年，樊華[37]進(jìn)行20CrMnTi鋼稀土低溫滲碳工藝的研究。該工藝是在常規(guī)氣體滲碳的基礎(chǔ)上，利用稀土元素較低的負(fù)電性和較高的化學(xué)活性，進(jìn)行低溫催滲的實(shí)驗(yàn)。采用稀土低溫催滲時，加熱溫度可以降至880 ℃，減少因溫度過高而產(chǎn)生的網(wǎng)狀碳化物和熱應(yīng)力導(dǎo)致的變形，同時還可以將生產(chǎn)時間降至337 min，大大縮短了滲碳時間，而且該工藝可以使?jié)B層組織細(xì)化，滲層性能也得到改善。在2004年，趙延新[38]等對20CrMnTi齒輪鋼甲醇?xì)怏w滲碳工藝進(jìn)行改進(jìn)，齒輪淬火后，隨爐降溫，把溫度降低到880 ℃，出爐預(yù)冷至830~840 ℃油淬，使齒輪表面溫度和心部溫度產(chǎn)生良好的溫度差，使大模數(shù)齒輪滲碳和淬火工藝達(dá)到技術(shù)要求，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

為進(jìn)一步縮短滲碳周期，人們研究了增大滲碳時的壓力來提高滲碳速度的方法。2005年席俊杰[39]等研究了20CrMnTi鋼的快速壓力氣體滲碳工藝。實(shí)驗(yàn)在井式氣體滲碳爐中進(jìn)行，通過增加煤油滴量來增加滲碳爐的壓力。這種氣體滲碳工藝在保證滲碳技術(shù)要求和質(zhì)量的前提下，具有滲碳速度快、滲碳周期短、工藝簡單、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的碳黑較多且對滲碳設(shè)備有一定的影響。在其他滲碳工藝取得進(jìn)展的同時，稀土滲碳工藝的研究又有了新的研究成果。2006年，張偉[40]對20CrMnTi材料在周期式可控氣氛多用爐中采用稀土滲碳工藝的研究。20CrMnTi齒輪鋼在880~920℃、碳勢控制在1.1%~1.3%滲碳時加入稀土元素，這種實(shí)驗(yàn)方法使?jié)B碳速度提高了1.25~1.35倍，有效硬化層加深10%~20%，滲碳溫度降低30~40 ℃，使整個生產(chǎn)周期縮短了10%~15%。2007年，吳業(yè)瓊[41]進(jìn)行20CrMnTi鋼稀土滲碳研究，20CrMnTi鋼在880℃甲醇+煤油+稀土催滲劑氣氛中進(jìn)行稀土滲碳處理。研究結(jié)果表明，在滲碳過程中添加稀土催滲可以降低滲碳溫度、提高滲速、細(xì)化滲層組織，而且有些稀土可以滲入鋼的表面層，提高硬度和耐磨性，但會在晶界等缺陷處和碳化物中存在少量稀土元素。隨著20CrMnTi齒輪鋼的市場需求不斷增大，氣體滲碳工藝逐漸成熟，越來越多的新型氣體滲碳工藝被研究出來。2010年，石巨巖等[42]進(jìn)行了20CrMnTi鋼超飽和滲碳工藝的研究。實(shí)驗(yàn)經(jīng)過830 ℃預(yù)滲碳＋兩次循環(huán)滲碳淬火＋低溫回火處理工藝，實(shí)現(xiàn)了超飽和滲碳，即當(dāng)氣氛碳勢高于門檻值時的一種滲碳工藝。超飽和滲碳處理之后，表面硬度可達(dá)1057 HV0.1；耐磨性比常規(guī)滲碳提高20%。同年12月，何祖娟等[43]對20CrMnTi鋼進(jìn)行氣體滲碳復(fù)合強(qiáng)烈淬火強(qiáng)韌化機(jī)理研究。實(shí)驗(yàn)對20CrMnTi鋼首先進(jìn)行不同時間的氣體滲碳處理，并對各個試件進(jìn)行不同強(qiáng)烈淬火介質(zhì)單一淬火，不同強(qiáng)烈淬火介質(zhì)搭配分級淬火，通過對時間的控制，獲得不同的強(qiáng)烈淬火試件。實(shí)驗(yàn)表明，20CrMnTi鋼滲碳1 h后，經(jīng)CaCl2淬火2 s，然后液氮淬火2 s的工藝方法為最佳工藝，獲得高于傳統(tǒng)滲碳熱處理韌性和表面硬度，可以替代傳統(tǒng)工藝。

3.2 氣體碳氮共滲

單一氣體滲碳有時會出現(xiàn)表面硬度不夠、耐磨性較低等問題，研究者們研究出了氣體碳氮共滲工藝來彌補(bǔ)這些不足。2000年，余華俐[44]等在20CrMnTi齒輪滲碳和碳氮共滲對比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在甲醇?xì)怏w滲碳過程中，通入適量的煤油和氨氣，可以有效提高爐內(nèi)碳勢，縮短爐氣的回復(fù)時間，同時縮短隨后的共滲時間。這種方法可以使齒輪變形有效減小，提高力學(xué)性能，而其表面具有更高的硬度和耐磨性。齒輪傳動時會產(chǎn)生振動發(fā)聲，進(jìn)而產(chǎn)生較大噪音，所以減小噪聲也是20CrMnTi鋼生產(chǎn)時需要考慮的問題。2003年，閻牧夫等[45]在井式滲碳爐中，對20CrMnTi用稀土碳氮共滲4 h后，平均滲層深度為0.8~0.9 mm，齒尖碳化物下降2級，表層出現(xiàn)細(xì)小彌散顆粒狀碳化物，表層硬度為62~64 HRC。采用860℃× 7 h稀土滲碳，達(dá)到規(guī)定滲層中限的前提下，節(jié)電30%，齒輪傳動噪聲下降。為精確控制碳氮共滲時的加熱溫度，2005年，趙程等[46]對20CrMnTi鋼進(jìn)行碳氮共滲處理，進(jìn)行不同溫度和不同保溫時間對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，20CrMnTi在加熱溫度為930 ℃并保溫10 h的條件下可以得到超細(xì)晶粒，當(dāng)加熱溫度升至970 ℃時，正火組織中產(chǎn)生了網(wǎng)狀鐵素體，滲碳件的心部組織惡化，不能到達(dá)規(guī)定的質(zhì)量要求。實(shí)驗(yàn)確定20CrMnTi鋼的最高滲碳溫度應(yīng)小于或等于950 ℃，否則會出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)狀Fe3C，而使心部組織惡化，性能顯著下降。

4 展望

隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展，傳統(tǒng)的滲碳工藝已經(jīng)不能滿足工藝生產(chǎn)的需求。在科研工作者們的不斷探索下，研究和開發(fā)出各種20CrMnTi鋼新的滲碳工藝，技術(shù)指標(biāo)越來越高，工藝精度得到了保證。在滲碳效果得到保證的同時，人們越來越追求高質(zhì)量、低成本、高速、有效的滲碳工藝，這必將成為20CrMnTi等類型鋼未來滲碳技術(shù)的重要發(fā)展方向。

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責(zé)任編校：劉亞兵

Research Progress of Carburizing Process of 20CrMnTi Steel

SHAN Dong-dong, ZHAO Zuo-fu, LI Xin, QI Jin-gang, WANG Jian-zhong

（Material Science and Engineering college, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

the research status and development trend of the carburizing surface treating technologies of 20CrMnTi steel are summarized. 20CrMnTi steel is most widely used in the manufacture of overloading mechanical components, such as gear shaft, ring gear, gear of the antiwear. Generally speaking, the advanced surface treating technology leads to high wear resistance and high strength. Carburizing is the earliest and most widely used method of chemical heat treatment, and it is with the advantages of the high applicability and economic benefit, and easy to spread in the existing production conditions combining with actual needs.

20CrMnTi steel; carburization; structure property; microstructure

10.15916/j.issn1674-3261.2017.02.010

TG161

A

1674-3261(2017)02-0111-05

2016-06-13

國家自然科學(xué)基金（51354001）；遼寧省高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（LT2013014）；遼寧省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（LZ2014031）

單東棟(1995-)，男，河北張家口人，本科生。趙作福(1978-)，男，遼寧錦州人，實(shí)驗(yàn)師，博士。