东北特钢集团大连特殊钢公司辽宁大连116105
摘要：分别采用常规渗碳和循环球化渗碳工艺对20CrMnTi钢进行渗碳处理，研究了两种渗碳工艺处理后该合金钢渗碳层的显微组织。结果表明：采用循环球化渗碳工艺，20CrMnTi钢的渗碳层中形成了大量弥散分布的粒状碳化物。
关键词：20CrMnTi钢；循环球化渗碳工艺；组织
引言
20CrMnTi钢应用十分广泛,而且消耗量巨大,多用于制造截面尺寸小于30mm的中载或重载齿轮轴、齿轮和齿圈等,在汽车方面的消耗也十分巨大。本文以20CrMnTi钢为例,探讨渗碳工艺对碳化物形态的影响。
渗碳时一般以表面碳浓度(0.8%～1.1%)作为渗碳件的技术指标。碳化物是钢中的主要强化相，影响零件力学性能的原因主要在于碳化物的形态和分布。常规渗碳虽然也能使其获得高浓度的渗碳层，却很难控制碳化物的形态，表面含碳量越高，出现块状或网状碳化物的可能性就越大，使其力学性能恶化。过共析钢中碳化物以细小、均匀、呈球状为好，弥散分布的球状碳化物不仅耐磨性高,韧性也较网状碳化物好。渗碳层中碳化物是在渗碳过程中形成的，一经形成则无法通过轧制、锻造等工艺方法来改善其形态和分布。因此长期以来，一直在寻找控制碳化物形态和分布的控制方法。
1实验材料及方法
1.1实验材料
实验用20CrMnTi钢的化学成分(质量分数，%)为：0.20C，0.93Mn，1.12Cr，0.22Si，0.087Ti，≤0.035S，≤0.035P；其临界点温度分别为：Ac1＝760℃，Ac3＝845℃，Ar1=665℃，Ar3=775℃，Ms=374℃。
1.2实验方法
20CrMnTi钢经890℃正火后，加工成准φ10mm×10mm圆柱试样。采用气体渗碳炉进行渗碳，介质为甲醇和煤油。将渗碳后试样用4%的硝酸酒精腐蚀。
图2渗碳层碳化物组织
2.3球化渗碳层组织的形成
（1）渗碳理论基础：由于合金元素能使碳在奥氏体中的溶解度减小，在通常的渗碳温度下，即使气氛碳势只有0.9%～1.0%，含有Cr、Mn、Ti等使奥氏体碳活度系数减小的元素的钢，表面碳含量也会超过碳在奥氏体中的溶解度，使工件表面在渗碳过程中出现相当数量的碳化物。工件表层在渗碳过程中形成一定数量碳化物的渗碳方法。因为渗碳使用的钢材中减小奥氏体碳活度系数的元素含量较高，奥氏体的碳浓度可能超过气氛碳势，这种方法还被称为高浓度渗碳。
（2）预处理渗碳的作用：采用Cp=1.2、830℃预渗碳处理，此时钢处于γ+M3C两相区。由于温度较低，奥氏体成分不均匀，晶粒细小，晶界多，碳在奥氏体中的溶解度较低，碳势相对较高，而奥氏体中Fe、Cr等置换型原子也只能作短程扩散,这些都为(Fe，Me)3C型碳化物的弥散形核提供了有利条件。
（3）循环渗碳阶段弥散碳化物的形成：从预处理温度830→930℃升温，已形成的碳化物发生部分溶解，但不会全部溶解，残余碳化物的存在，使得碳化物形成新的质点，以便渗碳体呈球状析出；当温度升高到930℃时，由于Cr、Mn和Ti等元素形成的碳化物比较稳定，不易溶入奥氏体中，因而得到的奥氏体组织不均匀。在一些高碳浓度区域有可能形成合金碳化物；奥氏体的不均匀性使碳化物的形核率大大提高。循环渗碳阶段Cp=1.1并进行两次循环渗碳处理。在930℃→室温的油冷过程中，奥氏体中的碳原子来不及扩散，有效地抑制了碳化物沿晶界析出，避免出现网状碳化物。采用预渗碳加两次循环渗碳处理，可在渗层内形成大量弥散分布的颗粒状碳化物，见图2(b)。
（4）扩散期碳势的调整：循环渗碳的最后阶段，炉温设定880℃，炉内碳势由1.1调整为0.9。因为试样经过前两次的循环渗碳已经获得了一定深度的渗碳层，但是过渡区狭窄，碳的浓度梯度大，在880℃保温，并将碳势调小，目的是使表面高碳层尽可能向内层扩散,有助于平缓渗碳区，减少热应力和变形。
3结论
（1）20CrMnTi钢按照常规工艺渗碳，碳化物的形态通常呈块状或网状。
（2）20CrMnTi钢按照循环球化的方法渗碳，碳化物的形态通常是球状，呈弥散分布。
（3）实验结果表明，循环球化渗碳的碳化物形态好于常规渗碳。
参考文献:
[1]萧莉美，齐宝森，徐英，等．20CrMnTi钢高浓度渗碳的组织与性能[J]．物理测试，1999，(5)：4-11．
[2]赵克定，邓小昆，彭智虎．20钢和20CrMnTi钢热循环渗碳研究[J]．金属热处理，1991，(12)：3-8．
[3]彭朝晖等。齿轮用渗碳钢20CrMnTi渗碳畸变的研究.材料热处理技术.2008
[4]渗碳钢球化渗碳工艺研究.材料热处理技术.2009