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滲碳鋼(carboncasehandening)

滲碳鋼通常指需經滲碳淬火、低溫回火后使用的鋼。它一般為低碳的優質碳素結構鋼與合金結構鋼,亦可分別稱為碳素滲碳鋼與合金滲碳鋼。其成分特點是低的含碳量,一般為0.1%~0.25%;主要合金元素有Ni、Cr、Mn等,輔助合金元素有W、Mo、V、Ti等。合金滲碳鋼具有較高的淬透性。不少機器零件如汽車、拖拉機的變速箱齒輪,內燃機上的凸輪、活塞銷以及部分量具等,均採用滲碳鋼製造。

基本信息


滲碳鋼(carlmrizing steel)一種機械結構鋼。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)。製成的零件一般經滲碳、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。

熱處理特點


滲碳鋼的預先熱處理通常採用正火,對於高淬透性的滲碳鋼,可採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後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於鋼的淬透性和截面尺寸大小。
近年來,生產中採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,用來製造某些綜合力學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,它還可以替代經調質處理的中碳鋼或中碳合金鋼,取得了良好的使用效果。

用途


滲碳鋼主要用於製造齒輪、凸輪、活塞銷等零件。
滲碳鋼主要用於製造要求高耐磨性、承受高接觸應力和衝擊載荷的重要零件,如汽車、拖拉機的變速齒輪,內燃機上凸輪軸、活塞銷等。

滲碳鋼的種類


滲碳鋼大致可分為碳素滲碳鋼和合金滲碳鋼。滲碳鋼中碳的質量分數一般約為0.1%~0.3%,其牌號主要是15鋼和20鋼。這類滲碳鋼經滲碳及隨後的淬火、同火處理,其表面硬度可以達到58~64HRC,具有較好的耐磨性。但是由於這類滲碳鋼的淬透性較低,只能適用於心部強度要求不高、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。
合金滲碳鋼由於是在低碳碳素鋼的基礎上,加入了各種不同化學成分的合金元素,如CrMo、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於製作軸類、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。
滲碳用鋼的選用應根據工件的服役條件及尺寸的大小來確定。對承受一定衝擊載荷、有一定耐磨要求的工件,如起重、採礦、運輸等設備的普通齒輪,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。只適用於製造受衝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,力學性能和工藝性能良好,大量用於製造承受高速中載、抗衝擊和耐磨損的零件,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,其油中臨界直徑大於100mm,且具有良好的韌性,主要用於製造大截面、高載荷的重要耐磨件,如飛機、坦克的曲軸和齒輪等。

滲碳鋼的化學成分


根據機器零件的工作條件及對性能的要求,滲碳鋼的化學成分有以下特點。
1.低碳
含碳量一般為ω=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,這對於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,表面的滲碳層易於剝落;含碳量過高,則心部的塑性和韌性下降,並使表層的壓應力減少,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,並防止滲層剝落。而心部的強度則取決於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,則導致滲層碳濃度分佈曲線過陡,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量必須全面考慮。

滲碳鋼的熱處理


滲碳鋼的熱處理一般是滲碳後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)滲碳后預冷直接淬火及低溫回火
這種方法適用於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,重新加熱淬火併低溫回火。適用於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,重新加熱兩次淬火併低溫回火。適用於本質粗晶粒鋼及對性能要求很高的工件,但生產周期長,成本高,易脫碳氧化和變形。
對於合金化程度較高的18Cr2Ni4WA等鋼種,如果滲碳后預冷淬火,滲層將存在大量殘留奧氏體,使硬度降低。為此,生產上採用滲碳空冷後進行高溫回火,使殘留奧氏體分解,然後再進行加熱淬火和低溫回火。

熱加工工藝


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採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,然後再淬火和低溫回火。淬火溫度一般為Ac1+30~50℃。使用狀態下的組織為:表面是高碳回火馬氏體加顆粒狀碳化物加少量殘餘奧氏體(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℃。