渗碳钢

机械工业术语

渗碳钢通常指需经渗碳淬火、低温回火后使用的钢。它一般为低碳的优质碳素结构钢与合金结构钢，亦可分别称为碳素渗碳钢与合金渗碳钢。其成分特点是低的含碳量，一般为0.1%～0.25%；主要合金元素有Ni、Cr、Mn等，辅助合金元素有W、Mo、V、Ti等。

热处理特点

渗碳钢的预先热处理通常采用正火，对于高淬透性的渗碳钢，可采用空冷淬火后高温回火，获得回火索氏体组织，改善切削加工性能。渗碳钢的最终热处理一般都是在渗碳后进行直接淬火或一次淬火，180～200℃低温回火。处理后工件表面硬度一般为58～64HRC，心部的组织和硬度则取决于钢的淬透性和截面尺寸大小。

近年来，生产中采用渗碳钢直接进行淬火加低温回火处理，获得低碳马氏体组织，用来制造某些综合力学性能要求较高的零件（如传递动力的轴、重要的螺栓等）。在某些场合，它还可以替代经调质处理的中碳钢或中碳合金钢，取得了良好的使用效果。

用途

渗碳钢主要用于制造齿轮、凸轮、活塞销等零件。

渗碳钢主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机上凸轮轴、活塞销等。

渗碳钢的种类

渗碳钢大致可分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢。渗碳钢中碳的质量分数一般约为0.1%～0.3%，其牌号主要是15钢和20钢。这类渗碳钢经渗碳及随后的淬火、同火处理，其表面硬度可以达到58～64HRC，具有较好的耐磨性。但是由于这类渗碳钢的淬透性较低，只能适用于心部强度要求不高、承受负载较小的小尺寸零件，如衬套、链条片以及量具、夹具等。

合金渗碳钢由于是在低碳碳素钢的基础上，加入了各种不同化学成分的合金元素，如Cr、Mo、Ni、Mn、Ti、V等，可抑制奥氏体晶粒长大，提高淬透性和增加回火稳定性，所以，能改善渗碳钢的工艺性能。这类合金渗碳钢主要用于制作轴类、齿轮类、销杆类、链轮类等承受负载较大的零件。按照淬透性的大小，合金钢渗碳钢还可分为以下三类：淬透性一般的渗碳钢，如15Cr、20Cr和20MnV等；淬透性较好的渗碳钢，如20CrMo、20CrMnTi等；淬透性最好的渗碳钢，如12CrNi3A、12Cr2Ni4A和18Cr2Ni4WA等。

渗碳用钢的选用应根据工件的服役条件及尺寸的大小来确定。对承受一定冲击载荷、有一定耐磨要求的工件，如起重、采矿、运输等设备的普通齿轮，可选用20CrMo钢和20CrMnTi钢等；对承受重载及尺寸较大的工件，如大型轧钢机减速器齿轮、大型锥齿轮、坦克齿轮等，可选用12Cr2Ni4A钢或18Cr2Ni4WA钢等。

还可以根据淬透性不同，可将渗碳钢分为三类：

①低淬透性渗碳钢：典型钢种如20、20Cr等，其淬透性和心部强度均较低，水中临界直径不超过20~35mm。只适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，如小轴、小齿轮、活塞销等。

②中淬透性渗碳钢：典型钢种如20CrMnTi等，其淬透性较高，油中临界直径约为25~60mm，力学性能和工艺性能良好，大量用于制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。

③高淬透性渗碳钢：典型钢种如18Cr2Ni4WA等，其油中临界直径大于100mm，且具有良好的韧性，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克的曲轴和齿轮等。

化学成分

根据机器零件的工作条件及对性能的要求，渗碳钢的化学成分有以下特点。

1．低碳

含碳量一般为ωC=0.10%～0.25%。渗碳钢的含碳量实际上是渗碳零件心部的含碳量，这对于保证心部有足够的塑性和韧性是十分必要的。若含碳量过低，表面的渗碳层易于剥落；含碳量过高，则心部的塑性和韧性下降，并使表层的压应力减少，从而降低弯曲疲劳强度。

2．加入提高淬透性的合金元素

提高心部的强度将提高齿轮的承载能力，并防止渗层剥落。而心部的强度则取决于钢中含碳量及淬透性。当淬透性足够时，心部得到全部位错马氏体组织；如淬透性不足，则出现非马氏体组织。常加入的合金元素有Cr、Mn、Ni、B、Mo、W和Si等。Ni对渗层和心部的韧性和强度都十分有利，因而高级渗碳钢中都含有较多的Ni。

3．加入阻止奥氏体晶粒长大的元素

渗碳工艺是在910～930℃高温下进行的，为了阻止奥氏体晶粒长大，渗碳钢用以铝脱氧的本质细晶粒钢。Mn在钢中有促进奥氏体晶粒长大的倾向，所以在含Mn渗碳钢中常加入少量的V、Ti等阻止奥氏体晶粒长大的元素。

此外，为了提高渗层的碳浓度、渗层深度和渗入速度，可加入碳化物形成元素Cr、Mo、W等，非碳化物形成元素Si、Ni等则降低渗层碳浓度及厚度。但是碳化物形成元素过多，则导致渗层碳浓度分布曲线过陡，块状碳化物增多，降低渗层性能，所以对钢中合金元素的种类及数量必须全面考虑。

渗碳钢的热处理

渗碳钢的热处理一般是渗碳后进行淬火及低温回火，以获得高硬度的表层及强而韧的心部。根据钢的成分的差异，常用的热处理方法有以下几种。

（1）渗碳后预冷直接淬火及低温回火

这种方法适用于合金元素含量较低又不易过热的钢，如20CrMnTi、20CrTi等。

（2）一次淬火

渗碳后缓冷至室温，重新加热淬火并低温回火。适用于渗碳时易过热的碳钢、低合金钢工件及固体渗碳后的零件等。

（3）两次淬火

渗碳后缓冷至室温，重新加热两次淬火并低温回火。适用于本质粗晶粒钢及对性能要求很高的工件，但生产周期长，成本高，易脱碳氧化和变形。

对于合金化程度较高的18Cr2Ni4WA等钢种，如果渗碳后预冷淬火，渗层将存在大量残留奥氏体，使硬度降低。为此，生产上采用渗碳空冷后进行高温回火，使残留奥氏体分解，然后再进行加热淬火和低温回火。

热加工工艺

热处理和组织特点渗碳件一般的工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火→磨削。渗碳温度为900~950℃，渗碳后的热处理通常采用直接淬火加低温回火，但对渗碳时易过热的钢种如20、20Mn2等，渗碳后需先正火，以消除晶粒粗大的过热组织，然后再淬火和低温回火。淬火温度一般为Ac1+30~50℃。使用状态下的组织为：表面是高碳回火马氏体加颗粒状碳化物加少量残余奥氏体（硬度达HRC58~62），心部是低碳回火马氏体加铁素体（淬透）或铁素体加托氏体（未淬透）。

渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。一般渗碳的温度为900~950℃，淬火温度为800~850℃油淬，回火温度为180~200℃。

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