渗碳钢

四、渗碳钢

渗碳钢是用于制造渗碳零件的钢种。常用渗碳钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途如表6~8所示。

1、用途渗碳钢主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机上凸轮轴、活塞销等。

2、性能要求 ① 表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧；② 具有良好的热处理工艺性能，如高的淬透性和渗碳能力，在高的渗碳温度下，奥氏体晶粒长大倾向小以便于渗碳后直接淬火。

3、成分特点 ① 低碳：含碳量一般为0.1~0.25%，以保证心部有足够的塑性和韧性，碳高则心部韧性下降。② 合金元素：主加元素为Cr、Mn、Ni、B等，它们的主要作用是提高钢的淬透性，从而提高心部的强度和韧性；辅加元素为W、Mo、V、Ti等强碳化物形成元素，这些元素通过形成稳定的碳化物来细化奥氏体晶粒，同时还能提高渗碳层的耐磨性。

4、热处理和组织特点渗碳件一般的工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬

火+低温回火→磨削。渗碳温度为900~950℃，渗碳后的热处理通常采用直接淬火加低温回火，但对渗碳时易过热的钢种如20、20Mn2等，渗碳后需先正火，以消除晶粒粗大的过热组织，然后再淬火和低温回火。淬火温度一般为Ac1+30~50℃。使用状态下的组织为：表面是高碳回火马氏体加颗粒状碳化物加少量残余奥氏体（硬度达HRC58~62），心部是低碳回火马氏体加铁素体（淬透）或铁素体加托氏体（未淬透）。

5、常用钢种

根据淬透性不同，可将渗碳钢分为三类。

① 低淬透性渗碳钢：典型钢种如20、20Cr等，其淬透性和心部强度均较低，水中临界直径不超过20~35mm。只适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，如小轴、小齿轮、活塞销等。

② 中淬透性渗碳钢：典型钢种如20CrMnTi等，其淬透性较高，油中临界直径约为25~60mm，力学性能和工艺性能良好，大量用于制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。

③ 高淬透性渗碳钢：典型钢种如18Cr2Ni4WA等，其油中临界直径大于100mm，且具有良

好的韧性，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克的曲轴和齿轮等。

表6-8 常用渗碳钢的牌号、化学成分、热处理、性能及用途（GB/T 699—1999和GB/T 3077—1999）

类别

钢号

统一数字代号

化学成分，%

热处理，℃

力学性能（不小于）

毛坯

尺寸

/mm

应用举例

其他

第一次

淬火

第二次

淬火

回火

MPa

，

AKU2,

低淬透性

20Mn2

15Cr

20Cr

20MnV

U20152

U20202

A00202

A20152

A20202

A01202

0.12~

0.18

0.17~

0.23

0.17~

0.24

012~

0.18

0.18~

0.24

0.17~

0.24

0.35~

0.65

0.35~

0.65

1.40~

1.80

0.40~

0.70

0.50~

0.80

1.30~

1.60

0.17~

0.37

0.17~

0.37

0.17~

0.37

0.17~

0.37

0.17~

0.37

0.17~

0.37

0.70~

1.00

0.70~

1.00

0.07~0.12 V

850

水、油

880

水、油

880

水、油

880

水、油

780~820

水、油

780~820

水，油

200

水、空

200

水、空

200

水、空

200

水、空

375

410

785

735

835

785

225

245

590

490

540

590

小轴、小模数齿轮、活塞销等小型渗碳件

代替20Cr作小齿轮、小轴、活塞销、十字削头等船舶主机螺钉、齿轮、活塞销、凸轮、滑阀、轴等

机床变速箱齿轮、齿轮轴、活塞销、凸轮、蜗杆等

同上，也用作锅炉、高压容器、大型高压管道等、

中淬透性

20CrMn

20CrMnTi

20MnTiB

20MnVB

A22202

A26202

A74202

A73202

0.17~

0.23

0.17~

0.23

0.17~

0.24

0.17~

0.23

0.90~

1.20

0.80~

1.10

1.30~

1.60

.1.20~

1.60

0.17~

0.37

0.17~

0.37

0.17~

0.37

0.17~

0.37

0.90~

1.20

1.00~

1.30

0.70~

1.00

0.80~

1.10

0.04~0.10 Ti

0.0005~

0.0035 B

0.0005~

0.0035 B

0.07~0.12 V

850

油

880

油

860

油

850

油

870

油

200

水、空

200

水、空

200

水、空

200

水、空

930

1080

1130

1080

735

850

930

885

齿轮、轴、蜗杆、活塞销、摩擦轮

汽车、拖拉机上的齿轮、齿轮轴、十字头等

代替20CrMnTi制造汽车、拖拉机截面较小、中等负荷的渗碳件

代替2CrMnTi、20Cr、20CrNi制造重型机床的齿轮和轴、汽车齿轮

高淬透性

18Cr2Ni4WA

20Cr2Ni4

12Cr2Ni4

A52183

A43202

A43122

0.13~

0.19

0.17~

0.23

0.10~

0.16

0.30~

0.60

0.30~

0.60

0.30~

0.60

0.17~

0.37

0.17~

0.37

0.17~

0.37

1.35~

1.65

1.25~

1.65

1.25~

1.65

0.8~1.2 W

4.0~4.5 Ni

3.25~

3.65 Ni

3.25~

3.65 Ni

950

空

880

油

860

油

850

空

780

油

780

油

200

水、空

200

水、空

200

水、空

1180

1080

835

1080

835

大型渗碳齿轮、轴类和飞机发动机齿轮

大截面渗碳件如大型齿轮、轴等

承受高负荷的齿轮、蜗轮、蜗杆、轴、方向接头叉等

注：① 钢中的磷、硫含量均不大于0.035%。② 15、20钢的力学性能为正火状态时的力学性能，15钢正火温度为920℃，20刚正火温度为910℃。

1. 45钢淬火后没有回火之前，硬度大于HRC55（最高可达

HRC62）为合格。

实际应用的最高硬度为HRC55（高频淬火HRC58）。

2. 45钢不要采用渗碳淬火的热处理工艺。

调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各

种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆

、螺栓、齿轮及轴类等。但表面硬度较低，不耐磨。可用

调质＋表面淬火提高零件表面硬度。

渗碳处理一般用于表面耐磨、芯部耐冲击的重载零件，其

耐磨性比调质＋表面淬火高。其表面含碳量0.8－－1.2％

，芯部一般在0.1－－0.25％（特殊情况下采用0.35％）

。经热处理后，表面可以获得很高的硬度（HRC58－－62

），芯部硬度低，耐冲击。

如果用45钢渗碳，淬火后芯部会出现硬脆的马氏体，失去

渗碳处理的优点。现在采用渗碳工艺的材料，含碳量都不

高，到0.30％芯部强度已经可以达到很高，应用上不多见

。0.35％从来没见过实例，只在教科书里有介绍。可以采

用调质＋高频表面淬火的工艺，耐磨性较渗碳略差。

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