20CrMnTi热处理工艺

20CrMnTi齿轮钢的热处理工艺试验分析部袁红昆120CrMnTi齿轮钢的热处理工艺1.前言1.120CrMnTi钢概述20CrMnTi是低碳合金钢，该钢具有较高的机械性能，零件表面渗碳0.7-1.1mm。在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为58-62HRC，心部硬度为30-45HRC。20CrMnTi的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。此外，20CrMnTi还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火。且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据齿轮的工作条件选用20CrMnTi钢是比较合适的。经过910-940℃渗碳，870℃淬火，180-200℃回火后机械性能的抗拉强度≥1100Mpa、屈服强度≥850Mpa、延伸率≥10％、断面收缩率≥45％，冲击韧性≥680，硬度为58-62HRC。20CrMnTi合金成分表1.1CSiMnCrSPNiCuTi0.17～0.230.17～0.370.80～1.101.00～1.30≤0.035≤0.035≤0.030≤0.0300.04～0.101.220CrMnTi泵体齿轮的的工艺流程：1.320CrMnTi钢常见的热处理工艺表1.220CrMnTi钢常见的热处理工艺表热处理工艺工艺参数硬度要求工艺特点完全退火加热860~880℃，保温，炉冷≤217HBS消除残余应力，降低硬度正火加热920~950℃，保温，空冷156~207HBS加热温度在Ac3825℃线之上，细化晶粒，消除组织缺陷，以获得珠光体+少量铁素体组织淬火加热860~900℃，保温，油冷48~54HRC淬火温度高，淬透性中等，变形较大，硬度不高，耐磨性差回火加热500~650℃，保温2h，油冷30~36HRC回火索氏体组织下料锻造正火清洗淬火回火加工渗碳包装清洗检验20CrMnTi齿轮钢的热处理工艺试验分析部袁红昆2气体渗碳加热900~920℃，以0.15~0.2mm/h计保温时间加热温度不超过920℃，以避免晶粒长大渗碳后淬火与回火淬火：加热820~850℃，保温后油冷60~63HRC心部保持良好韧性的同时，表层获得高的强度、硬度、耐磨性与耐蚀性回火：加热180~200℃，保温2h，空冷表：56~62HRC心：35~40HRC气体碳氮共渗共渗温度840~860℃，出炉油冷60~65HRC心部保持良好韧性的同时，表层获得高的强度、硬度、耐磨性与耐蚀性回火温度160~180℃，出炉空冷表：58~62HRC心：35~40HRC固体渗硼渗硼温度900℃，保温4h，油冷(渗硼剂：85%SiC+10%B4C+5%KBF4)。渗层0.115~0.139mm1689~1789HV0.1表面形成高硬度的硼化物层而心部为淬火组织1.420CrMnTi钢的相变点/℃钢号Ac1Ac3Ar120CrMnTi7308206901.5热处理的总工艺曲线热处理总工艺曲线2.20CrMnTi齿轮正火处理工艺20CrMnTi齿轮钢的热处理工艺试验分析部袁红昆32.1正火目的细化晶粒，消除组织缺陷，以获得珠光体+铁素体组织。并使加工硬度适中，有利于切削。2.2正火设备选用RX3箱式电炉参数见表2.1表2.1产品名称产品型号额定功率（kv）主要参数相数炉膛尺寸（毫米）外形尺寸（毫米）重量（千克）额定电压（V）额定温度（℃）箱式电炉RX3-30-9303809503950x450x3501920x1620x214022002.3正火温度20CrMnTi钢AC3约为825℃，为促使奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体稳定性，选择的加热温度在930~950℃。2.4加热方法采用到温加热的方法，是指当炉温加热到指定温度时，再将工件装进热处理炉进行加热。这样做的原因是避免金属组织的出现不需要的相转变，加热速度快，节约时间。便于小批量生产。2.5加热介质加热介质为空气。2.6保温时间选定的依据：加热时间可按下列公式进行计算：t=a×K×D,式中t为加热时间（min），K为反映装炉时的修正系数，可根据表2.2取K为1.4。a为加热系数min/mm，加热系数a可根据钢种与加热介质、加热温度进行取值，参数见表2.3。D为工件的有效厚度（mm），由公式可知，工件厚度=（工件最厚处直径+工件最薄处直径）/2。可得t=a×K×D。20CrMnTi齿轮钢的热处理工艺试验分析部袁红昆42.7冷却方式冷却方式为出炉空冷。2.8冷却介质冷却介质：空气。2.9最终组织细珠光体+铁素体晶粒度：5~6级若正火温度过高，则会导致工件脱碳甚至开裂，降低零件硬度，使正火后的组织粗大；若正火温度过低，则组织转变不足，不能达到正火预期目的。表2.2工件装炉修正系数工件装炉方式修正系数1.01.41.31.7表2.3工件加热温度钢材空气电阻炉的a值（min/mm）盐浴炉的a值碳钢0.9~1.125~302.10正火工艺曲线正火工艺曲线图见图2.120CrMnTi齿轮钢的热处理工艺试验分析部袁红昆5温度(℃)时间(min)温度650空气图2.1正火处理工艺曲线3.20CrMnTi齿轮的渗碳处理工艺3.1渗碳的目的渗碳后进行淬火与回火，使其心部保持良好的韧性的同时，表层获得高的强度、硬度和耐磨性。3.2渗碳温度进行气体渗碳，加热900~920℃，以0.15~0.2mm/h计保温时间，加热温度不超过920℃，以避免晶粒粗大。渗碳进行淬火回火处理，淬火加热820~850℃，保温后油冷，180℃低温回火。3.3渗碳设备选用RQ3-60-9D型井式气体渗碳炉，参数见表3.1表3.1RQ3-60-9D型井式气体渗碳炉参数产品名称产品型号额定功率（KV）主要参数炉膛尺寸（mm）外壁尺寸（mm）重量（Kg）额定电压（V）额定温度（℃）井式气体渗碳炉RQ3-60-9D60380950450x600∅1570x2000x22402630说明：炉温均匀，介质流动性好，加热速度，温度均匀，工件变形小，加热质量好，利于提高产品质量，炉膛容积有效利用率高，产量大，耗电量小，可节20CrMnTi齿轮钢的热处理工艺试验分析部袁红昆6省电能与筑炉材料，电极寿命长，减少停炉时间。适用于中小型工件成批生产。3.4加热方法采用到温加热的方法，是指炉膛加热到指定温度时，再将工件加入热处理炉进行加热。这样可以减少加热时间，便于批量生产。3.5装炉方法筐装，10/次，垂直放入渗碳炉，齿轮一个个叠放，要注意每个齿轮之间轮齿不要接触，避免轮齿渗不上碳。3.6渗碳温度渗碳温度在Ac3以上，考虑碳在钢中的扩散速度等因素，目前再生产上广泛采用温度为910~930℃。随着渗碳层深度的升高，碳在钢中的扩散系数呈指数上升，渗碳速度加快，蛋渗碳温度过高会使晶粒粗大，工件畸变增大，设备寿命降低等负面影响。渗层厚度为0.8~1.2mm，可以选取t=920℃。3.7渗碳介质渗碳介质：煤油。渗碳介质煤油在不同温度下的分解产物及含量见表3.2。表3.2煤油在不同温度下的分解产物及含量名称温度/℃分解产物CO2COH2CH4CmHnO2+N2煤油9500.4~2.21.2~4.637~4640~561~20.4~0.88000.4~1.212~1819~2638.4~47.320~290.4~7.3介质参数见表3.3。表3.3名称分子式渗碳反应式用途煤油航空煤油、灯油主要成分为：C9~C14和C11~C17850℃以下分解不充分，含大量的烯烃，容易残生碳黑和结焦，反应式：n1(C11H24~C17H36)→n2CH4+n2[C]+nH2强渗碳剂3.8保温时间保温时间：5小时依据：20CrMnTi钢的渗碳层深度与渗碳时间的关系表3.4、表3.5。表3.4煤油-甲醇滴注式通用气体渗碳工艺渗碳过程排气升温碳势调整强渗扩散预冷渗碳0.4~0.7mm不少于1h自然升温20min——1h30min20CrMnTi齿轮钢的热处理工艺试验分析部袁红昆7层深度及时间0.6~0.9mm不少于1h自然升温20min——1.5h30min0.8~1.2mm不少于1h自然升温20min——2h30min1.1~1.6mm不少于1h自然升温20min——3h30min表3.5渗碳强渗时间渗碳深度/mm渗碳温度/℃强渗后渗碳层深度/mm扩散时间/h扩散后的渗层深度/mm920±10930±10940±100.4~0.7mm40min30min20min0.20~0.2510.5~0.60.6~0.9mm1.5h1h30min0.35~0.401.50.7~0.80.8~1.2mm2h1.5h1h0.45~0.5520.8~0.91.1~1.6mm2.5h2h1.5h0.60~0.7031.2~1.33.9渗碳工艺装炉后排气，滴油量35~65滴/分钟，保温时间160~180滴/分钟，渗层达到要求后降温到850±10℃预冷30分钟，为淬火做准备。渗碳工艺曲线见图3.1。图3.1渗碳工艺曲线图3.10渗碳缓冷后的组织组织由表面至心部依次为：珠光体+二次渗碳体→珠光体→珠光体+铁素体→心部组织。心部表层图3.220CrMnTi钢渗碳后缓冷组织4.20CrMnTi齿轮渗碳后淬火处理工艺20CrMnTi齿轮钢的热处理工艺试验分析部袁红昆84.1淬火的目的淬火的目的是为了使过冷奥氏体进行马氏体（或贝氏体）转变，得到马氏体（或贝氏体）组织，然后配合以不同温度的回火，以提高工件的硬度、强韧性、弹性、耐蚀性和耐磨性等，获得所需的力学性能。4.2淬火设备气体渗碳后零件采用从渗碳温度随炉降温到适宜的淬火温度，经一段保温均热后直接淬火（水或油）的热处理工艺，因此淬火工艺与渗碳炉相同。4.3淬火温度淬火温度：840±10℃依据：20CrMnTi为低碳钢，加热温度t=Ac3+30~50℃。4.4保温时间依据：公式t=a×K×Dt——保温时间K——工件装炉方式修正系数，见表2.2a——保温时间系数（一般取1.2~1.5之间值）D——工件有效厚度该公式是淬火加热、保温时间经验公式，当工件形状简单时，采用到温入炉加热，即公式计算出的时间为保温时间。由于工件是渗碳后直接淬火，该公式计算的保温时间依然适用。4.5冷却方式淬火冷却方式为油冷。4.6淬火方式单液油淬淬火油：L-AN46全损耗系统油（40号机械淬火油）淬入方式：垂直淬入，大的部分先淬入。淬入油后上下运动，再配合适当横向移动以提高工件的冷却速度。4.7淬火后的组织20CrMnTi齿轮钢的热处理工艺试验分析部袁红昆9渗碳淬火后齿轮由表面至心部的组织依次为：马氏体+碳化物（少量）+残余奥氏体→马氏体+残余奥氏体→马氏体→低碳马氏体（心部）。a节圆b齿顶c心部图4.1淬火后各部分的组织4.8淬火后的硬度20CrMnTi轴经过渗碳处理表面W(C)0.8%时得到高碳马氏体+碳化物+残余奥氏体，具有高的硬度，硬度高达60~66HRC，心部得到马氏体+残余奥氏体，硬度在35~45HRC，经过回火处理后可以满足零件的性能要求。淬火工艺曲线见图4.2。图4.2淬火工艺曲线5.20CrMnTi齿轮低温回火处理工艺5.1回火目的低碳钢采取回火时可以使马氏体分解，析出碳化物转变成回火马氏体，淬火内应力得到部分消除，淬火时得到的微裂纹也得到大部分的愈合，因此低温回火可以在很少降低硬度的情况下使钢的韧性得到显著地提高，并提高钢的强度、耐磨性，使轴和齿轮部分得到优异的机械性能。并且可以稳定组织，使工件在适用过程中不发生组织转变，降低或消除淬火内应力，以减少工件的变形并防止开裂，从而保证工件的尺寸、形状不变。5.2回火设备20CrMnTi齿轮钢的热处理工艺试验分析部袁红昆10回火设备选用和正火处理相同的RX3箱式电炉。5.3回火温度由于渗碳钢零件表面要求具有很高的硬度，耐磨性，同时要求心部具有较好的塑韧性。因此低温回火可以满足性能要求，故选择低温回火，且工件适中，温度t：150~250℃。5.4加热方式用空气电阻炉采取到温加热的方式，可以减少工件加热时间，回火后硬度下降较小。即加热到200℃将工件放入电阻炉。