20CrMnTi热处理工艺

20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺

试验分析部 袁红昆

20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺

1. 前言

1.1 20CrMnTi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³1100Mpa、屈服强度³850Mpa、延伸率³10％、断面收缩率³45％， 冲击韧性³680，硬度为58-62HRC。

1.2 20CrMnTi泵体齿轮的的工艺流程：

1.3 20CrMnTi钢常见的热处理工艺

回火

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1.4 20CrMnTi钢的相变点/℃

1.5 热处理的总工艺曲线

热处理总工艺曲线

2. 20CrMnTi齿轮正火处理工艺

2.1 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

选用RX3箱式电炉参数见表2.1

2.3 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930~950 ℃。

2.4 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

加热介质为空气。

2.6 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。

2.7 冷却方式

冷却方式为出炉空冷。

2.8 冷却介质

冷却介质：空气。

2.9 最终组织

细珠光体+铁素体 晶粒度：5~6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2.3 工件加热温度

a值

25~30

修正系数

2.10 正火工艺曲线

正火工艺曲线图见图2.1

温度

时间 (min)

图2.1 正火处理工艺曲线

3. 20CrMnTi齿轮的渗碳处理工艺

3.1 渗碳的目的

度、硬度和耐磨性。

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

3.2 渗碳温度

进行气体渗碳，加热900~920℃，以0.15~0.2mm/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820~850℃ ，保温后油冷，180℃低温回 火。

3.3 渗碳设备

选用RQ3-60-9D型井式气体渗碳炉，参数见表3.1

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

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

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

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910~930℃。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0.8~1.2mm，可以选取t=920℃。

3.7 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。

介质参数见表3.3。

3.8 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。

强渗 1h 30min

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30min 30min

3.9渗碳工艺

装炉后排气，滴油量35~65滴/分钟，保温时间160~180滴/分钟，渗层达到 要求后降温到850±10℃预冷30分钟，为淬火做准备。

渗碳工艺曲线见图3.1。

图3.1 渗碳工艺曲线图

3.10 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 图3.2 20CrMnTi钢渗碳后缓冷组织

4. 20CrMnTi齿轮渗碳后淬火处理工艺

4.1 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

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：840±10℃

依据：20CrMnTi为低碳钢，加热温度t=Ac

3+ 30~50℃。 4.4 保温时间

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1.2~1.5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

淬火冷却方式为油冷。

4.6 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

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 图4.1 淬火后各部分的组织

4.8 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60~66HRC，心部得到马氏体+残余奥氏体，硬 度在35~45HRC，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4.2 淬火工艺曲线

5. 20CrMnTi齿轮低温回火处理工艺

5.1 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

心部

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

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：150~250℃。

5.4 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：空气

5.6 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。

5.7 冷却方式

出炉空冷。

5.8 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58~62HRC，心部硬度30~45HRC。

b)

回火工艺曲线

回火处理工艺曲线见图5.1。

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图5.1 回火处理工艺曲线

6. 热处理工艺的检验

6.1 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6~99s，可设置；测试硬度范围20~70HRC。 2)

金相显微镜

6.2 检验项目和具体操作

1)

检验内容 a) b)

外观检验：渗碳工件表面不得有氧化皮、碰伤及裂纹等缺陷。 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) d)

硬度检验：包括工件的表面和心部的硬度检验。

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1~5级为合格；碳化物1~6级为合格，受冲 击载荷的工件1~5级为合格。

e) 2)

畸变：按图样技术要求或工艺规定进行检验。

具体操作 a)

硬度的检验：选取三点进行硬度测试，根据原理用硬度实验测试。 b) c)

力学性能检测：利用实验仪器进行抗拉强度和屈服强度的测试。 进行组织检验（GB/T 13298—91金属显微组织检验方法）

试样制备：选取试样横截面切取，横截面在砂纸上由粗至细进行打磨后 进行抛光。4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，用酒精清洗后吹干。 试样观察：在金相显微镜下进行观察试样的金相组织。

HB=F/S（淬火钢球），

7. 常见缺陷及防止办法（表7.1）

20CrMnTi钢热处理常见缺陷及防止办法参考表7.1

20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺

尽量均

选择合适的淬火