合金渗碳钢的冶金特性及应用分析

许多机器零件，如汽车中的变速齿轮，在工作时其载荷主要集中在啮合的轮齿上，会在局部产生很大的压应力、弯曲应力和摩擦力，因而要求其表面必须具有很高的硬度、耐磨性，以及高的疲劳强度。而在传递动力的过程中，又要求这些零件具有足够的强度和韧性，能承受大的冲击载荷。为解决这一矛盾，首先应从保证零件具有足够的强度和韧性入手，选用碳含量低的钢材，通过渗碳使表面变成高碳，经淬火+低温回火后，使其心部和表面同时满足要求。

齿轮常见的失效方式为麻点剥落、磨损或轮齿断裂。对其提出的性能要求是，渗碳层表面具有高硬度、高耐磨性、高疲劳抗力及适当的塑韧性；心部具有高的韧性和足够高的强度，即具有良好的综合性能。

（1）应用与性能特点

合金渗碳钢通常是指经渗碳淬火、低温回火后使用的合金钢。合金渗碳钢主要用于制造承受强烈冲击和摩擦磨损的机械零件，如汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等。合金渗碳钢的应用举例如图8.5所示。要求其工作表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有良好的塑性和韧性。

图8.5　合金渗碳钢的应用举例

（2）化学成分特点

为了保证心部具有足够的强度和良好的韧性，合金渗碳钢中碳的质量分数为0.10%～0.25%，其主加元素为Si、Mn、Cr、Ni、B，辅加元素为V、Ti、W、Mo。

合金渗碳钢中合金元素的主要作用是，Si、Mn、Cr、Ni、B可提高淬透性；V、Ti、W、Mo可细化晶粒，在渗碳阶段防止奥氏体粗大，从而获得良好的渗碳性能；碳化物形成元素（Cr、V、Ti、W、Mo）可增加渗碳层硬度，提高耐磨性。

（3）热处理特点

合金渗碳钢的最终热处理是在渗碳后进行的。对于在渗碳温度下仍保持细小奥氏体晶粒的钢，如20CrMnTi，渗碳后如果不需要机加工，则可在渗碳后预冷并直接淬火+低温回火；而对于渗碳时容易过热的钢，如20Cr，渗碳后需先正火消除过热组织，再进行淬火+低温回火，从而得到心部为低碳回火马氏体，表面为高碳回火马氏体+合金渗碳体+少量残留奥氏体的组织。20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢，用于制造汽车、拖拉机的变速齿轮、轴等零件，其表面硬度一般为58～64HRC，而心部组织则视钢的淬透性高低及零件尺寸大小而定，可得到低碳回火马氏体或珠光体+铁素体组织。

（4）钢种、牌号及应用

常用合金渗碳钢的牌号、主要化学成分、热处理温度、力学性能及应用如表8.3所示。合金渗碳钢按淬透性或强度的不同分为低淬透性、中淬透性及高淬透性合金渗碳钢3类。

1）低淬透性合金渗碳钢

其水淬临界淬透直径为20～35mm。典型钢种有20Mn2、20Cr、20MnV等，用于制造受力不大、要求耐磨并承受冲击的小型零件。(www.xing528.com)

2）中淬透性合金渗碳钢

其油淬临界淬透直径为25～60mm。典型钢种有20CrMnTi、20Mn2TiB等，用于制造尺寸较大、承受中等载荷或重要的耐磨零件，如汽车齿轮。

3）高淬透性合金渗碳钢

其油淬临界淬透直径为100mm以上，属于马氏体钢。典型钢种有20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、15CrMn2SiMo等，用于制造承受重载与强烈磨损或极为重要的大型零件，如航空发动机及坦克齿轮等。

案例2：汽车变速箱齿轮的选材及热处理

（1）汽车变速箱齿轮的作用

汽车变速箱齿轮[见图8.6（b）]位于汽车传动部分，用于传递扭矩与动力，起改变速度的作用。

图8.6　汽车变速箱齿轮

（a）变速箱；（b）齿轮

（2）齿轮选材要求

齿轮的轮齿要承受较大的弯曲载荷和交变载荷，表面还要承受强烈的摩擦，同时还要承受变速时的冲击与碰撞。应如何选材和选择热处理工艺？

（3）汽车变速箱齿轮选材和处理的选择

汽车变速箱齿轮选用具有良好机械性能和工艺性能的20CrMnTi（中淬透性合金渗碳钢）；进行热处理的预处理为正火（950～970℃），非合金钢（碳素钢），机械加工后再渗碳（920～950℃，6～8h），预冷到875℃左右油淬，最后低温回火（180～200℃）。