20CrMnTi热处理工艺

20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺 试验分析部 袁红昆 1 20CrMnTi 齿轮齿轮钢的热处理工艺钢的热处理工艺 1. 前言前言 1.1 20CrMnTi 钢概述钢概述 20CrMnTi 是低碳合金钢，该钢具有较高的机械性能，零件表面渗碳 0.7-1.1mm。 在渗碳淬火低温回火后， 表面硬度为 58-62HRC， 心部硬度为 30-45HRC。 20CrMnTi 的工艺性能较好， 锻造后以正火来改善其切削加工性。 此外， 20CrMnTi 还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直 接降温淬火。且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。适合于制造 承受高速中载及冲击、 摩擦的重要零件， 因此根据齿轮的工作条件选用 20CrMnTi 钢是比较合适的。经过 910-940渗碳，870淬火，180-200回火后机械性能 的抗拉强度1100Mpa、 屈服强度850Mpa、 延伸率10、 断面收缩率45， 冲击韧性680，硬度为 58-62HRC。 20CrMnTi 合合金成分表金成分表 1.1 C Si Mn Cr S P Ni Cu Ti 0.170.23 0.170.37 0.801.10 1.001.30 0.035 0.035 0.030 0.030 0.040.10 1.2 20CrMnTi 泵体齿轮的的工艺流程：泵体齿轮的的工艺流程： 1.3 20CrMnTi 钢常见的热处理工艺钢常见的热处理工艺 表表 1.2 20CrMnTi 钢常见的热处理工艺钢常见的热处理工艺表表 热处理工 艺 工艺参数 硬度要 求 工艺特点 完全退火 加热 860880，保温，炉 冷 217HB S 消除残余应力，降低硬度 正火 加热 920950，保温，空 冷 1562 07HBS 加热温度在 Ac3825线之上，细化晶 粒，消除组织缺陷，以获得珠光体+少 量铁素体组织 淬火 加热 860900，保温，油 冷 4854 HRC 淬火温度高，淬透性中等，变形较大， 硬度不高，耐磨性差 回火 加热 500650，保温 2h， 油冷 3036 HRC 回火索氏体组织 下料 锻造 正火 清洗 淬火 回火 加工 渗碳 包装 清洗 检验 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺 试验分析部 袁红昆 2 气体渗碳 加热 900920，以 0.150.2mm/h 计保温时间 加热温度不超过 920，以避免晶粒长 大 渗碳后淬 火与 回火 淬火：加热 820850，保 温后油冷 6063 HRC 心部保持良好韧性的同时， 表层获得高 的强度、硬度、耐磨性与耐蚀性 回火：加热 180200，保 温 2h，空冷 表： 5662 HRC 心： 3540 HRC 气体碳氮 共渗 共渗温度 840860，出炉 油冷 6065 HRC 心部保持良好韧性的同时， 表层获得高 的强度、硬度、耐磨性与耐蚀性 回火温度 160180，出炉 空冷 表： 5862 HRC 心： 3540 HRC 固体渗硼 渗硼温度 900，保温 4h， 油冷(渗硼剂： 85%SiC+10%B4C+5%KBF4) 。 渗层 0.1150.139mm 16891789 HV0.1 表面形成高硬度的硼化物层而心部为 淬火组织 1.4 20CrMnTi 钢的相变点钢的相变点/ 钢号 Ac1 Ac3 Ar1 20CrMnTi 730 820 690 1.5 热处理的总工艺曲线热处理的总工艺曲线 热处理总工艺曲线热处理总工艺曲线 2. 20CrMnTi 齿轮齿轮正火处理工艺正火处理工艺 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺 试验分析部 袁红昆 3 2.1 正火目的正火目的 细化晶粒， 消除组织缺陷， 以获得珠光体+铁素体组织。 并使加工硬度适中， 有利于切削。 2.2 正火设备正火设备 选用 RX3 箱式电炉参数见表 2.1 表表 2.1 产 品 名 称 产品型 号 额定功 率 （kv） 主要参数 相 数 炉膛尺寸（毫 米） 外形尺寸 （毫米） 重量（千 克） 额定 电压 （V） 额定温 度 （） 箱 式 电 炉 RX3-30-9 30 380 950 3 950 x450 x350 1920 x1620 x 2140 2200 2.3 正火温度正火温度 20CrMnTi钢AC3约为825， 为促使奥氏体均匀化， 增大过冷奥氏体稳定性， 选择的加热温度在 930950 。 2.4 加热方法加热方法 采用到温加热的方法，是指当炉温加热到指定温度时，再将工件装进热处理 炉进行加热。 这样做的原因是避免金属组织的出现不需要的相转变， 加热速度快， 节约时间。便于小批量生产。 2.5 加热介质加热介质 加热介质为空气。 2.6 保温时间保温时间 选定的依据：加热时间可按下列公式进行计算：t = a K D, 式中 t 为加 热时间（min） ，K 为反映装炉时的修正系数，可根据表 2.2 取 K 为 1.4。a 为加热 系数 min/mm，加热系数 a 可根据钢种与加热介质、加热温度进行取值，参数见 表 2.3。D 为工件的有效厚度（mm） ，由公式可知，工件厚度=（工件最厚处直径 +工件最薄处直径）/2。 可得t = a K D。 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺 试验分析部 袁红昆 4 2.7 冷却方式冷却方式 冷却方式为出炉空冷。 2.8 冷却介质冷却介质 冷却介质：空气。 2.9 最终组织最终组织 细珠光体+铁素体 晶粒度：56 级 若正火温度过高，则会导致工件脱碳甚至开裂，降低零件硬度，使正火后的 组织粗大； 若正火温度过低，则组织转变不足，不能达到正火预期目的。 表表 2.2 工件装炉修正系数工件装炉修正系数 工件装炉方式 修正系数 1.0 1.4 1.3 1.7 表表 2.3 工件加热温度工件加热温度 钢材 空气电阻炉的 a 值 （min/mm） 盐浴炉的 a 值 碳钢 0.91.1 2530 2.10 正火工艺曲线正火工艺曲线 正火工艺曲线图见图 2.1 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺 试验分析部 袁红昆 5 温度 () 时间 (m i n) 温度 650 空气 图图 2.1 正火处理工艺曲线正火处理工艺曲线 3. 20CrMnTi 齿轮齿轮的渗碳处理工艺的渗碳处理工艺 3.1 渗碳的目的渗碳的目的 渗碳后进行淬火与回火，使其心部保持良好的韧性的同时，表层获得高的强 度、硬度和耐磨性。 3.2 渗碳温度渗碳温度 进行气体渗碳，加热 900920，以 0.150.2mm/h 计保温时间，加热温度 不超过 920，以避免晶粒粗大。 渗碳进行淬火回火处理，淬火加热 820850 ，保温后油冷，180低温回 火。 3.3 渗碳设备渗碳设备 选用 RQ3-60-9D 型井式气体渗碳炉，参数见表 3.1 表表 3.1 RQ3-60-9D 型井式气体渗碳炉参数型井式气体渗碳炉参数 产品 名称 产品型号 额定功 率 （KV） 主要参数 炉膛尺寸 （mm） 外壁尺寸（mm） 重量 （Kg） 额定电 压（V） 额定温 度（） 井式 气体 渗碳 炉 RQ3-60-9D 60 380 950 450 x600 1570 x2000 x2240 2630 说明：炉温均匀，介质流动性好，加热速度，温度均匀，工件变形小，加热 质量好，利于提高产品质量，炉膛容积有效利用率高，产量大，耗电量小，可节 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺 试验分析部 袁红昆 6 省电能与筑炉材料，电极寿命长，减少停炉时间。适用于中小型工件成批生产。 3.4 加热方法加热方法 采用到温加热的方法，是指炉膛加热到指定温度时，再将工件加入热处理炉 进行加热。这样可以减少加热时间，便于批量生产。 3.5 装炉方法装炉方法 筐装，10/次，垂直放入渗碳炉，齿轮一个个叠放，要注意每个齿轮之间轮 齿不要接触，避免轮齿渗不上碳。 3.6 渗碳温度渗碳温度 渗碳温度在 Ac3 以上，考虑碳在钢中的扩散速度等因素，目前再生产上广泛 采用温度为 910930。随着渗碳层深度的升高，碳在钢中的扩散系数呈指数上 升，渗碳速度加快，蛋渗碳温度过高会使晶粒粗大，工件畸变增大，设备寿命降 低等负面影响。渗层厚度为 0.81.2mm，可以选取 t=920。 3.7 渗碳介质渗碳介质 渗碳介质：煤油。 渗碳介质煤油在不同温度下的分解产物及含量见表 3.2。 表表 3.2 煤油在不同温度下的分解产物及含量煤油在不同温度下的分解产物及含量 名称 温度/ 分解产物 CO2 CO H2 CH4 CmHn O2+N2 煤油 950 0.42.2 1.24.6 3746 4056 12 0.40.8 800 0.41.2 1218 1926 38.447.3 2029 0.47.3 介质参数见表 3.3。 表表 3.3 名称 分子式 渗碳反应式 用途 煤油 航空煤油、 灯油主要成 分为：C9C14和 C11C17 850以下分解不充分， 含大量的烯烃， 容易残生碳黑和结焦，反应式： n1(C11H24C17H36)n2CH4+n2C+nH2 强渗碳剂 3.8 保温时间保温时间 保温时间：5 小时 依据：20CrMnTi 钢的渗碳层深度与渗碳时间的关系表 3.4、表 3.5。 表表 3.4 煤油煤油-甲醇滴注式通用气体渗碳工艺甲醇滴注式通用气体渗碳工艺 渗碳过程 排气 升温 碳势调整 强渗 扩散 预冷 渗碳0.40.7mm 不少于 1h 自然升温 20min 1h 30min 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺 试验分析部 袁红昆 7 层深 度及 时间 0.60.9mm 不少于 1h 自然升温 20min 1.5h 30min 0.81.2mm 不少于 1h 自然升温 20min 2h 30min 1.11.6mm 不少于 1h 自然升温 20min 3h 30min 表表 3.5 渗碳强渗时间渗碳强渗时间 渗碳深度 /mm 渗碳温度/ 强渗后渗碳 层深度/mm 扩散时 间/h 扩散后的渗 层深度/mm 92010 93010 94010 0.40.7mm 40min 30min 20min 0.200.25 1 0.50.6 0.60.9mm 1.5h 1h 30min 0.350.40 1.5 0.70.8 0.81.2mm 2h 1.5h 1h 0.450.55 2 0.80.9 1.11.6mm 2.5h 2h 1.5h 0.600.70 3 1.21.3 3.9 渗碳工艺渗碳工艺 装炉后排气，滴油量 3565 滴/分钟，保温时间 160180 滴/分钟，渗层达到 要求后降温到 85010预冷 30 分钟，为淬火做准备。 渗碳工艺曲线见图 3.1。 图图 3.1 渗碳工艺曲线图渗碳工艺曲线图 3.10 渗碳缓冷后的组织渗碳缓冷后的组织 组织由表面至心部依次为：珠光体+二次渗碳体珠光体珠光体+铁素体 心部组织。 心部 表层 图图 3.2 20CrMnTi 钢渗碳后缓冷组织钢渗碳后缓冷组织 4. 20CrMnTi 齿轮渗碳后淬火处理工艺齿轮渗碳后淬火处理工艺 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺 试验分析部 袁红昆 8 4.1 淬火的目的淬火的目的 淬火的目的是为了使过冷奥氏体进行马氏体（或贝氏体）转变，得到马氏体 （或贝氏体）组织，然后配合以不同温度的回火，以提高工件的硬度、强韧性、 弹性、耐蚀性和耐磨性等，获得所需的力学性能。 4.2 淬火设备淬火设备 气体渗碳后零件采用从渗碳温度随炉降温到适宜的淬火温度， 经一段保温均 热后直接淬火（水或油）的热处理工艺，因此淬火工艺与渗碳炉相同。 4.3 淬火温度淬火温度 淬火温度：84010 依据：20CrMnTi 为低碳钢，加热温度 t=Ac3+3050。 4.4 保保温时间温时间 依据：公式 t= a K D t保温时间 K工件装炉方式修正系数，见表 2.2 a保温时间系数（一般取 1.21.5 之间值） D工件有效厚度 该公式是淬火加热、保温时间经验公式，当工件形状简单时，采用到温入炉 加热，即公式计算出的时间为保温时间。由于工件是渗碳后直接淬火，该公式计 算的保温时间依然适用。 4.5 冷却方式冷却方式 淬火冷却方式为油冷。 4.6 淬火方式淬火方式 单液油淬 淬火油：L-AN46 全损耗系统油（40 号机械淬火油） 淬入方式：垂直淬入，大的部分先淬入。淬入油后上下运动，再配合适当横 向移动以提高工件的冷却速度。 4.7 淬火后的组织淬火后的组织 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺 试验分析部 袁红昆 9 渗碳淬火后齿轮由表面至心部的组织依次为：马氏体+碳化物（少量）+残余 奥氏体马氏体+残余奥氏体马氏体低碳马氏体（心部） 。 a 节圆 b 齿顶 c 心部 图图 4.1 淬火后各部分的组织淬火后各部分的组织 4.8 淬火后的硬度淬火后的硬度 20CrMnTi 轴经过渗碳处理表面 W(C)0.8%时得到高碳马氏体+碳化物+残余 奥氏体，具有高的硬度，硬度高达 6066HRC，心部得到马氏体+残余奥氏体，硬 度在 3545HRC，经过回火处理后可以满足零件的性能要求。 淬火工艺曲线见图 4.2。 图图 4.2 淬火工艺曲线淬火工艺曲线 5. 20CrMnTi 齿轮齿轮低温回火处理工艺低温回火处理工艺 5.1 回火目的回火目的 低碳钢采取回火时可以使马氏体分解，析出碳化物转变成回火马氏体，淬火 内应力得到部分消除，淬火时得到的微裂纹也得到大部分的愈合，因此低温回火 可以在很少降低硬度的情况下使钢的韧性得到显著地提高，并提高钢的强度、耐 磨性，使轴和齿轮部分得到优异的机械性能。并且可以稳定组织，使工件在适用 过程中不发生组织转变， 降低或消除淬火内应力， 以减少工件的变形并防止开裂， 从而保证工件的尺寸、形状不变。 5.2 回火设备回火设备 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺 试验分析部 袁红昆 10 回火设备选用和正火处理相同的 RX3 箱式电炉。 5.3 回火温度回火温度 由于渗碳钢零件表面要求具有很高的硬度，耐磨性，同时要求心部具有较好 的塑韧性。因此低温回火可以满足性能要求，故选择低温回火，且工件适中，温 度 t：150250。 5.4 加热方式加热方式 用空气电阻炉采取到温加热的方式，可以减少工件加热时间，回火后硬度下 降较小。即加热到 200将工件放入电阻炉。 5.5 加热介质加热介质 加热介质：空气 5.6 保温时间保温时间 依据：工件有效厚度 40mm，合金钢应按空气回火炉温表（表 5.1） ，增加所 列时间的 1/3 保温时间。 表表 5.1 空气回火炉保温时间表空气回火炉保温时间表 有效厚度/mm 20 2040 4060 6080 80100 保温时间/min 3060 6090 90120 120150 150180 5.7 冷却方式冷却方式 出炉空冷。 5.8 回火组织回火组织 表面：回火马氏体+碳化物+残余奥氏体； 心部：回火马氏体+残余奥氏体。 a) 硬度 表面硬度 5862HRC，心部硬度 3045HRC。 b) 回火工艺曲线 回火处理工艺曲线见图 5.1。 20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺 试验分析部 袁红昆 11 图图 5.1 回火处理工艺曲线回火处理工艺曲线 6. 热处理工艺的检验热处理工艺的检验 6.1 实验设备的选择实验设备的选择 1) HR-F 洛氏硬度计。 主要参数： 实验力： 1500N； 压头类型： 金刚石圆锥 120； 实验力保持时间 699s，可设置；测试硬度范围 2070HRC。 2) 金相显微镜 6.2 检验项目和具体操作检验项目和具体操作 1) 检验内容 a) 外观检验：渗碳工件表面不得有氧化皮、碰伤及裂纹等缺陷。 b) 渗层深度检验：渗层深度检验通常采用金相测定法对试块进行测定，如 结果出现争议需采用硬度法检验作为仲裁手段。 c) 硬度检验：包括工件的表面和心部的硬度检验。 d) 显微组织检验：主要有渗碳组织和心部组织的检验。渗层组织有马氏体 的粗细，碳化物的形状、大小、数量和分布，残余奥氏体的数量；心部 组织检验主要检验游离铁素体的数量、大小和分布。渗层的主要组织为 细针状马氏体、少量的残余奥氏体和数量不多、均匀分布的细小粒状碳 化物。马氏体和残余奥氏体 15 级为合格；碳