20CrMnTi钢渗碳工艺研究进展

单东栋，赵作福，李 鑫，齐锦刚，王建中



20CrMnTi钢渗碳工艺研究进展

单东栋，赵作福，李 鑫，齐锦刚，王建中

（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001）

概述了20CrMnTi钢的渗碳表面化学热处理工艺的研究现状及发展趋势。20CrMnTi钢被广泛地应用于制造抗压耐磨的齿轮轴、齿圈、齿轮等重载的机械零件。优良的表面热处理工艺是保证其高耐磨性、高强度的前提。渗碳是应用最早也最广泛的一种化学热处理方法，其具有适用性强、经济效益高便于在现有生产条件下结合实际需要推广应用等优点。

20CrMnTi钢；渗碳；组织性能；微观组织

20CrMnTi钢是性能良好的渗碳钢，其具有淬透性高、耐磨性好、晶粒尺寸小、渗碳淬火性能好、低温冲击韧性高、正火后切削性能强、价格低廉等优点，被广泛应用于制造抗压耐磨的齿轮轴、齿圈、齿轮等重载或中载的机械零件[1-5]。

20CrMnTi钢主要应用在齿轮制造上，在生产过程中着重考虑其柔韧性、耐磨性以及抗冲击、抗弯曲等力学性能[6]。在使用过程中，起到传递动力作用的齿轮会因冲击和应变等多种外力作用而出现齿面接触疲劳和齿根断裂等多种失效形式。化学热处理能有效地提高试件表面的耐磨性、耐热疲劳、耐疲劳强度、耐腐蚀性、抗氧化性等性能[7-9]。所以在生产过程中需要对20CrMnTi钢进行必要的化学热处理。20CrMnTi钢的热处理工艺中最为常用的是渗碳工艺。渗碳是应用最早也最广的一种化学热处理方法，其具有适用性强、经济效益高、便于在现有生产条件下结合实际需要推广应用等优点[10]。渗碳工艺可以大幅度提高20CrMnTi钢的工件使用性能，延长其使用寿命。

各国研究者不断地对20CrMnTi钢的渗碳工艺进行研究和改进，并通过调整渗碳温度、保温时间、冷却方式、淬火时间等方法来改善20CrMnTi钢的渗碳层深度、渗碳速度、耐磨性、耐腐蚀性、表面硬度等相关参数和力学性能，进而确定最佳的渗碳工艺[11-16]。目前常用的渗碳工艺大致可以分为：固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。

1 固体渗碳

1.1 单一固体渗碳

固体渗碳是一种最常见的化学热处理的方法,也是应用最早的渗碳方法[17]。早在1966年，岳阳拖拉机修配厂的技术人员[18]就对20Cr钢进行了固体渗碳处理的研究，其渗碳温度为900~950 ℃，渗层厚度为2 mm时的渗碳时间为6.5 h，硬度检测为56~62 HRC，渗碳层晶粒度为5级，渗碳量仅为0.8%~1.0 %。随着科技的不断进步，众多科研工作者们对20CrMnTi钢固体渗碳工艺的研究也在不断地深入。1987年，石子源[19]等对20CrMnTi钢进行了渗碳层碳化物的细化实验。其渗碳工艺为830 ℃ × 1 h渗碳油冷＋900 ℃×4 h渗碳空冷，这种渗碳工艺与普通渗碳工艺相比，渗层中碳化物细小、数量多、呈弥散分布、渗层较深，且可以增加渗碳速度，缩短渗碳时间，获得较高的硬度和较强的耐磨性能。渗碳温度过高会导致齿轮产生变形，进而降低齿轮的力学性能。

1993年，刘志儒[20]等采取稀土低温高碳势渗碳的方法来有效降低实验温度。其实验方法是将稀土的催渗和微合金化、低温渗碳和高碳势渗碳三者相结合的新工艺。研究结果表明，其性能与常规渗碳相比，渗碳温度降低了50~70 ℃，渗碳速度提高了30%，耐磨性提高了30%，弯曲疲劳极限提高了30%~47%，使用寿命提高了26%~80 %，节省能源20 %以上，齿轮变形减少了30%~50%。20CrMnTi钢在普通渗碳后出现硬度不够高、耐磨性能弱等缺点。在1999年，萧莉美[21]等对20CrMnTi钢进行了高浓度渗碳工艺研究，利用固体渗碳法对20CrMnTi渗碳钢进行较低温度高浓度渗碳，采用零保温淬火，分段预热处理加循环热处理的方法进行处理。研究结果表明，高浓度渗碳工艺可以使20CrMnTi钢得到优质的弥散碳化物渗层，可使渗碳温度降至820~860 ℃。与普通渗碳工艺相比，高浓度渗碳处理后，其表面的硬度高、耐磨性强、渗层脆性小、回火性能好，具有较高的经济效益。

在齿轮的生产过程中，必然要考虑实际的经济效益，这就需要在达到技术要求的同时缩短渗碳时间。2000年，杨殿魁[22]等研究了稀土在20CrMnTi钢固体渗碳中的作用。试样在830~850℃装炉，然后升温至920 ℃进行稀土渗碳，最后降温至840~860 ℃进行扩散处理，随炉空冷。实验表明，固体渗碳的最佳稀土加入量为6 g/L；渗层要求为1.6 mm时需7~8 h，缩短了1.5 h；金相照片显示稀土催渗的碳化物更多、更小、更弥散，显微硬度也有一定的提高。在实际生产中加工尺寸较大的工件时，由于固体渗碳的碳势无法控制，渗层表面含碳量较高，因而渗层齿面应留足够的磨削余量，此时使用固体渗碳的方法更加快捷有效。2006年，李瑞彬[23]研究了20CrMnTi钢齿轮固体渗碳工艺，渗碳30 h时渗碳层深度为2.0 mm，保温39 h开始炉冷，炉冷至860 ℃后进行空冷，淬火加热温度取860 ℃。

随着社会的飞速发展，人们越来越重视环境问题，在对20CrMnTi钢进行固体渗碳时，节能减排受到了热处理工艺研究者的高度重视。2013年，杨延辉[24]进行了齿轮钢的高温渗碳的研究。在20CrMn钢中添加Nb/Ti微合金元素，并进行1 000 ℃的高温渗碳。实验结果表明，高温渗碳工艺可以大幅度减少渗碳时间，因此该工艺具有能耗低、效率高、污染少等优点，而且形成的20CrMnTiNb钢经高温渗碳后，力学性能最好，疲劳极限最高。

1.2 复合渗

在单一固体渗碳工艺改进的同时，科研工作者们对于20CrMnTi钢固体复合渗生产工艺的研究有了重大突破。1999年，齐宝森[25]等进行了高浓度碳氮共渗的实验研究，20CrMnTi钢在800~860 ℃固体高浓度碳氮共渗的工艺下处理，结果表明：高浓度碳氮共渗工艺可在钢的表面形成大量细粒状、弥散分布的碳化物，具有高硬度、高回火稳定性、低脆性等优点。2005年，赵程[26]等进行了20CrMnTi钢渗层稀土硼碳氮共渗实验。实验在箱式电炉中进行，以优化的工艺参数（950 ℃×8 h共渗，15.0%氯化稀土催渗）下，对20CrMnTi钢试样进行B、C、N三元共渗。实验结果表明，共渗层组织形态优于碳氮共渗时的共渗层组织，显微硬度比碳氮共渗提高了1.25倍，渗层深度及耐腐蚀性都优于碳氮共渗，进而提高了零件的使用寿命。

2 液体渗碳

液体渗碳与其他渗碳方法相比，既可降低渗碳温度，也可降低成本，适用于处理精密小零件及要求耐磨的零件[27]。许多研究者也对20CrMnTi钢的液体渗碳工艺进行了研究。2012年，郭文延[28]对20CrMnTi液相等离子电解碳氮共渗进行了研究，以尿素水溶液为电解液主体，添加适量的无机盐KCl，采用直流稳压开关电源对试件进行等离子电解碳氮共渗处理。其优点是可以清洁表面、还原表面、获得一定深度的碳氮共渗硬化层、提高表面的耐腐蚀性，渗层厚度也达到了技术要求。但此等离子电解技术因为有大量水的存在会产生氧化作用，为了弥补这一缺陷，研究者们改进了该工艺过程。2015年，康承飞[29]进行了20CrMnTi钢液相感应渗碳研究，实验结果表明，在830 ℃处理5 min碳氮共渗，渗层厚度为160 μm，最高硬度为610 HV0.3；在800~930 ℃下处理10 min, 880 ℃处理10 min渗碳层厚度为150 μm，最高硬度为800 HV0.3以上；930 ℃处理10 min渗碳层厚度为255 μm，渗碳层最高硬度为800 HV0.3以上。在一定限度内，提高温度有利于提高渗速，减少工艺时间，实现快速渗碳。

3 气体渗碳

3.1 单一气体渗碳

气体渗碳具有碳势可控、生产效率高、劳动条件好和可以直接淬火等优点，其应用最为广泛[30]。早在1958年机械制造与工艺科学研究院[31]就提出了气体渗碳工艺，采用苯和酒精作为渗碳剂，在930 ℃×6 h条件下进行渗碳。由于原始气体渗碳工艺渗碳时间较长，能源消耗很大，且渗碳质量难以保证，在1993年，刘志儒[32]等对稀土低温高浓度渗碳表面渗层微观组织进行了研究，实验在井式气体渗碳炉中进行，采用自研制的混合稀土催渗剂加入甲醇，实验温度860±5 ℃，碳势约为1.6 %。实验表明，在稀土催渗的作用下，渗碳速度可以提升30 %，渗层深度可达200 μm，在过共析区形成颗粒尺寸均匀而弥散分布的碳化物。

为了进一步降低20CrMnTi钢的渗碳温度，进而降低成本，1998年，王滨生[33]等对20CrMnTi钢进行了渗氮、低温渗碳淬火复合热处理，渗氮后经低温渗碳加热过程，钢件表面渗氮层在700 ℃时完全分解，其中一部分氮原子扩散到奥氏体内，促使在840~860 ℃温度下钢件渗碳过程得以进行，从而减小了渗碳过程中因温度过高引起的变形。这种渗碳方法不仅可以改善热应力引起的变形、力学性能较弱等不足，还可以降低热处理所需的温度，降低渗碳的成本。为满足生产工作的需要，研究者们也在努力地提高渗碳效率、加快渗碳速度。1998年，甘悦成[34]对20CrMnTi钢进行弥散碳化物高碳含量渗碳实验，在井式气体渗碳炉中进行，炉压为147~196 Pa，气氛CO2控制在0.15%~0.25%之间，强渗期碳势为1.20%C，扩散期碳势为0.80%~0.90 %C，渗碳温度为930 ℃，强渗5 h，扩散时间为40 h。实验发现，20CrMnTi钢在进行高碳含量渗碳时可以得到含碳量1.25 %以上的弥散碳化物表面层，渗层组织接触疲劳强度高，耐磨性能好，而且该工艺具有操作简单，渗碳速度较快的优点。

为了提高20CrMnTi钢的组织性能和力学性能，专家、学者们选择了稀土催渗的方法进行气体渗碳处理。2002年，周细应[35]等研究了稀土对20CrMnTi钢气体渗碳的影响，通过控制渗剂中的稀土元素浓度和渗碳时间，分析了稀土对渗层组织、渗层深度、显微硬度梯度、表面硬度的影响。研究表明，加入稀土元素可以改善渗层的显微组织，渗层深度可以增加大约30%，显微硬度略有增加，硬度梯度变缓。同年7月，呼文来[36]进行了稀土在20CrMnTi钢渗碳过程中的作用研究。实验为滴注式气体渗碳，稀土加入量为5 g/L，在不同温度、不同保温时间下进行对比实验。实验表明，900 ℃时扩散激活能为140 kJ/mol，降低了渗碳的激活能，加快渗碳速度；在稀土量为5 g/L的渗剂中渗碳时，渗层深度的平方与时间呈正比关系。对于20CrMnTi钢在渗碳过程中存在渗碳时间长、能耗大、高温使工件易变形等问题，研究者们不断地尝试新的工艺来解决这些难题。2003年，樊华[37]进行20CrMnTi钢稀土低温渗碳工艺的研究。该工艺是在常规气体渗碳的基础上，利用稀土元素较低的负电性和较高的化学活性，进行低温催渗的实验。采用稀土低温催渗时，加热温度可以降至880 ℃，减少因温度过高而产生的网状碳化物和热应力导致的变形，同时还可以将生产时间降至337 min，大大缩短了渗碳时间，而且该工艺可以使渗层组织细化，渗层性能也得到改善。在2004年，赵延新[38]等对20CrMnTi齿轮钢甲醇气体渗碳工艺进行改进，齿轮淬火后，随炉降温，把温度降低到880 ℃，出炉预冷至830~840 ℃油淬，使齿轮表面温度和心部温度产生良好的温度差，使大模数齿轮渗碳和淬火工艺达到技术要求，有效提高了产品质量。

为进一步缩短渗碳周期，人们研究了增大渗碳时的压力来提高渗碳速度的方法。2005年席俊杰[39]等研究了20CrMnTi钢的快速压力气体渗碳工艺。实验在井式气体渗碳炉中进行，通过增加煤油滴量来增加渗碳炉的压力。这种气体渗碳工艺在保证渗碳技术要求和质量的前提下，具有渗碳速度快、渗碳周期短、工艺简单、生产效率高等优点，但在实验过程中产生的碳黑较多且对渗碳设备有一定的影响。在其他渗碳工艺取得进展的同时，稀土渗碳工艺的研究又有了新的研究成果。2006年，张伟[40]对20CrMnTi材料在周期式可控气氛多用炉中采用稀土渗碳工艺的研究。20CrMnTi齿轮钢在880~920℃、碳势控制在1.1%~1.3%渗碳时加入稀土元素，这种实验方法使渗碳速度提高了1.25~1.35倍，有效硬化层加深10%~20%，渗碳温度降低30~40 ℃，使整个生产周期缩短了10%~15%。2007年，吴业琼[41]进行20CrMnTi钢稀土渗碳研究，20CrMnTi钢在880℃甲醇+煤油+稀土催渗剂气氛中进行稀土渗碳处理。研究结果表明，在渗碳过程中添加稀土催渗可以降低渗碳温度、提高渗速、细化渗层组织，而且有些稀土可以渗入钢的表面层，提高硬度和耐磨性，但会在晶界等缺陷处和碳化物中存在少量稀土元素。随着20CrMnTi齿轮钢的市场需求不断增大，气体渗碳工艺逐渐成熟，越来越多的新型气体渗碳工艺被研究出来。2010年，石巨岩等[42]进行了20CrMnTi钢超饱和渗碳工艺的研究。实验经过830 ℃预渗碳＋两次循环渗碳淬火＋低温回火处理工艺，实现了超饱和渗碳，即当气氛碳势高于门槛值时的一种渗碳工艺。超饱和渗碳处理之后，表面硬度可达1057 HV0.1；耐磨性比常规渗碳提高20%。同年12月，何祖娟等[43]对20CrMnTi钢进行气体渗碳复合强烈淬火强韧化机理研究。实验对20CrMnTi钢首先进行不同时间的气体渗碳处理，并对各个试件进行不同强烈淬火介质单一淬火，不同强烈淬火介质搭配分级淬火，通过对时间的控制，获得不同的强烈淬火试件。实验表明，20CrMnTi钢渗碳1 h后，经CaCl2淬火2 s，然后液氮淬火2 s的工艺方法为最佳工艺，获得高于传统渗碳热处理韧性和表面硬度，可以替代传统工艺。

3.2 气体碳氮共渗

单一气体渗碳有时会出现表面硬度不够、耐磨性较低等问题，研究者们研究出了气体碳氮共渗工艺来弥补这些不足。2000年，余华俐[44]等在20CrMnTi齿轮渗碳和碳氮共渗对比试验中发现，在甲醇气体渗碳过程中，通入适量的煤油和氨气，可以有效提高炉内碳势，缩短炉气的回复时间，同时缩短随后的共渗时间。这种方法可以使齿轮变形有效减小，提高力学性能，而其表面具有更高的硬度和耐磨性。齿轮传动时会产生振动发声，进而产生较大噪音，所以减小噪声也是20CrMnTi钢生产时需要考虑的问题。2003年，阎牧夫等[45]在井式渗碳炉中，对20CrMnTi用稀土碳氮共渗4 h后，平均渗层深度为0.8~0.9 mm，齿尖碳化物下降2级，表层出现细小弥散颗粒状碳化物，表层硬度为62~64 HRC。采用860℃× 7 h稀土渗碳，达到规定渗层中限的前提下，节电30%，齿轮传动噪声下降。为精确控制碳氮共渗时的加热温度，2005年，赵程等[46]对20CrMnTi钢进行碳氮共渗处理，进行不同温度和不同保温时间对比实验，实验表明，20CrMnTi在加热温度为930 ℃并保温10 h的条件下可以得到超细晶粒，当加热温度升至970 ℃时，正火组织中产生了网状铁素体，渗碳件的心部组织恶化，不能到达规定的质量要求。实验确定20CrMnTi钢的最高渗碳温度应小于或等于950 ℃，否则会出现严重的网状Fe3C，而使心部组织恶化，性能显著下降。

4 展望

随着科技的进步和社会的发展，传统的渗碳工艺已经不能满足工艺生产的需求。在科研工作者们的不断探索下，研究和开发出各种20CrMnTi钢新的渗碳工艺，技术指标越来越高，工艺精度得到了保证。在渗碳效果得到保证的同时，人们越来越追求高质量、低成本、高速、有效的渗碳工艺，这必将成为20CrMnTi等类型钢未来渗碳技术的重要发展方向。

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责任编校：刘亚兵

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

国家自然科学基金（51354001）；辽宁省高等学校创新团队项目（LT2013014）；辽宁省教育厅重点实验室基础研究项目（LZ2014031）

单东栋(1995-)，男，河北张家口人，本科生。赵作福(1978-)，男，辽宁锦州人，实验师，博士。