滲碳合金結(jié)構(gòu)鋼(carburised alloy structural steel)
經(jīng)表面滲碳和適當(dāng)熱處理的低碳合金鋼簡(jiǎn)稱滲碳鋼。經(jīng)過(guò)這種工藝處理的零件整體有足夠高的強(qiáng)度和韌性，而表面則具有高硬度和耐磨性。這類(lèi)鋼是表面硬化合金結(jié)構(gòu)鋼中開(kāi)發(fā)最早，用途最廣的一種。它們廣泛用于制造齒輪、銷(xiāo)桿及軸類(lèi)等，在使用過(guò)程中承受彎曲、沖擊、交變等多種負(fù)荷，而且相互之間還有一定接觸應(yīng)力導(dǎo)致相對(duì)摩擦的零部件。
技術(shù)要求 滲碳鋼應(yīng)具備的主要性能有：強(qiáng)度、韌性、表面硬度和工藝性能。
強(qiáng)度 滲碳鋼要有足夠高的強(qiáng)度。例如齒輪在滲碳后心部應(yīng)有足夠高的屈服強(qiáng)度，以保證齒輪齒部經(jīng)受彎曲負(fù)荷時(shí)，在滲碳層出現(xiàn)裂紋以前，心部或過(guò)渡層不發(fā)生塑性變形。實(shí)踐證明，隨著心部強(qiáng)度的提高，滲碳層的強(qiáng)度也隨之提高。
沖擊韌性 滲碳鋼要有良好的沖擊韌性。由于滲碳層的硬度高，而韌性較低，在沖擊負(fù)荷下，滲碳件往往在滲碳層先產(chǎn)生裂紋。因此，為了要提高滲碳件的韌性，首先要改善滲碳層的組織，提高滲碳層的韌性，使裂紋不易產(chǎn)生。其次，要使心部具有高的韌性，以便一旦滲碳層形成裂紋，不會(huì)迅速擴(kuò)展到整個(gè)斷面，發(fā)生脆性破壞。
表面硬度 滲碳鋼的表面層要有高的硬度(HRc56～63)，才能有好的耐磨性，保證滲碳件不過(guò)早磨損或因接觸疲勞破壞而失效。
工藝性能 滲碳鋼應(yīng)具有一般結(jié)構(gòu)鋼所具有的鍛造性、切削性。在熱處理方面，除要求過(guò)熱敏感性小和淬火變形小以外，還要求有良好的滲碳適應(yīng)性，即滲碳速度快、表面碳含量適合、過(guò)渡層平緩、滲碳層的殘余奧氏體量少等。
合金化 其目的主要是提高鋼的淬透性。根據(jù)滲碳零件的非均質(zhì)特點(diǎn)，滲碳鋼的合金化應(yīng)從基體(心部)和滲層兩個(gè)方面來(lái)考慮。
合金化對(duì)滲碳鋼心部性能的影響與一般結(jié)構(gòu)鋼是一樣的。為了使心部具有較高的強(qiáng)度，首先必須有一定的碳含量。碳含量太低，強(qiáng)度達(dá)不到要求，但是過(guò)高的碳含量會(huì)使鋼的塑性和韌性下降。滲碳鋼的碳含量一般為0.10％～0.25％。個(gè)別鋼種碳含量高到0.30％～0.35％，雖然強(qiáng)度提高，但脆性增大。其次，必須有足夠的淬透性。淬透性提高了，滲碳件在淬火時(shí)心部能得到馬氏體組織，不易出現(xiàn)游離鐵素體和非淬火組織，從而保證心部的強(qiáng)度和韌性。提高淬透性的元素有硅、錳、鎳、鉻、鉬、鎢、硼等。合金元素對(duì)基體淬透性的影響見(jiàn)圖1。此外，滲碳鋼必須有低的晶粒長(zhǎng)大敏感性，以保證滲碳和以后的淬火加熱時(shí)奧氏體晶粒不過(guò)分粗化。為此通常用鋁細(xì)化晶粒或加入強(qiáng)碳化物形成元素鈦、釩等。
合金元素／％
圖1 合金元素對(duì)基體淬透性的影響
為了使?jié)B碳層具有高的強(qiáng)度和一定的塑性，合金化首先必須保證表面有足夠的碳含量，表面層碳含量太低了，硬度達(dá)不到要求，但過(guò)高的碳含量會(huì)使碳化物大量增加，碳化物分布不均勻，有時(shí)還呈網(wǎng)狀分布。碳還將使馬氏體點(diǎn)(Mo)降低，從而增加淬火后滲層中的殘余奧氏體量。而碳化物分布不均勻或殘余奧氏體量增加都會(huì)使?jié)B層的強(qiáng)度、疲勞性能及耐磨性能降低。
碳化物形成元素鉻、鉬等增大鋼表面吸收碳原子的能力，增大滲碳層中的碳濃度，但是阻礙碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散。非碳化物形成元素硅、鎳等則減小鋼表面吸收碳原子的能力，降低滲碳層中的碳濃度，從而加速碳原子在奧氏體中的擴(kuò)散。
合金元素對(duì)滲碳層淬透性的影響見(jiàn)圖2。
鉻、錳是提高滲層淬透性的主要元素。鉬提高滲層(高碳)淬透性更大，可顯著地增大有效硬化層深度。硅強(qiáng)烈地提高滲層的淬透性，但是在滲碳過(guò)程中容易發(fā)生晶界氧化而形成黑色網(wǎng)狀缺陷。鎳對(duì)滲層淬透性的貢獻(xiàn)較小，但它可以提高滲層的韌性。
隨合金元素添加量的增加，鋼的馬氏體點(diǎn)(壇)下降，使淬火后滲層中含有大量殘余奧氏體，影響零件的715shen滲疲勞性能及耐磨性。因此，當(dāng)淬透性有足夠保證時(shí)，決不要過(guò)分提高合金元素含量。
熱處理滲碳鋼零件的熱處理包括機(jī)械加工前的預(yù)處理和最終處理。預(yù)處理的目的是消除鍛造應(yīng)力及保證適當(dāng)?shù)挠捕龋纳魄邢骷庸ば阅堋８鶕?jù)不同鋼種和預(yù)處理要求進(jìn)行不同的預(yù)處理：正火、正火+回火、淬火+回火。例如制造齒輪的20CrMnTi鋼鍛造后進(jìn)行950～970℃正火是為了消除鍛造應(yīng)力，并保證進(jìn)行正常切削加工所需的硬度。淬透性高的中合金滲碳鋼18Cr2Ni4wA在正火后得到馬氏體組織，硬度很高，必需再進(jìn)行高溫回火進(jìn)行軟化。12CrNi3A齒輪鋼則需用調(diào)質(zhì)來(lái)改善切削加工性能。最終處理的目的是使?jié)B碳鋼零件達(dá)到規(guī)定的性能要求。滲碳后一般進(jìn)行淬火和低溫回火處理。根據(jù)鋼種和性能要求的不同，可以進(jìn)行各種組合的最終處理。
滲碳后仍能保持細(xì)晶粒，淬火時(shí)表面層不易出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物的鋼和在滲碳后不再需要切削加工的零件(如20CrMnTi鋼制齒輪)，可以采用滲碳后直接淬火+低溫回火工藝。直接淬火工序簡(jiǎn)單，成本低，變形小，而且滲碳層的殘余奧氏體量少。這是目前許多工廠都采用的工藝。
滲碳時(shí)晶粒易長(zhǎng)大的鋼，或滲碳后需要進(jìn)行切削加工的零件，則需要采用滲碳后先冷卻、然后再進(jìn)行淬火+低溫回火工藝。滲碳時(shí)晶粒長(zhǎng)大，而力學(xué)性能又要求很高的零件有時(shí)還采用二次淬火+低溫回火工藝。采用二次淬火零件變形較大，有時(shí)第一次淬火可用正火代替，以減少變形。
中合金高淬透性滲碳鋼在淬火前還要求進(jìn)行一次或多次高溫回火，這樣可以降低淬火后滲層中的殘余奧氏體量，同時(shí)可以降低零件硬度和改善切削加工性能。一些心部具有很高的綜合力學(xué)性能而表面又需要有高的硬度和耐磨性的重載滲碳部件，在淬火時(shí)先放入200℃左右的鹽浴中進(jìn)行等溫處理，然后再進(jìn)行500～550℃高溫回火，最終進(jìn)行低溫回火。這樣，滲碳層既可得到高碳的回火馬氏體，從而保持高的硬度和耐磨性，而心部保持回火索氏體以保證高的強(qiáng)韌性。
分類(lèi)滲碳合金結(jié)構(gòu)鋼按淬透性和強(qiáng)度高低可以分為三大類(lèi)：低淬透性滲碳鋼、中淬透性滲碳鋼和高淬透性滲碳鋼。
(1)低淬透性滲碳鋼(鞏蘭800～1000MPa)，包括合金元素含量較低的錳鋼、錳釩鋼、鉻鋼、鉻釩鋼，它們用于不重要的齒輪、軸件以及小齒輪、小軸、活塞銷(xiāo)等滲碳件。
(2)中淬透性滲碳鋼(鞏蘭1000～1200MPa)，包括合金元素含量較高的鉻錳鋼、鉻錳鈦鋼、鉻錳鉬鋼以及多元素含硼鋼。用于汽車(chē)、拖拉機(jī)主齒輪、活塞銷(xiāo)等滲碳件。
(3)高淬透性滲碳鋼(鞏蘭>1200MPa)，包括鉻鎳鋼、鉻錳鉬鋼、鉻鎳鎢鋼等多元素中合金鋼，用于大型及重要的齒輪、軸件等滲碳件。
一些國(guó)家的滲碳鋼典型鋼種列于表1。可以看到，有不少鋼種的化學(xué)成分是大同小異的，因而可互相通用。各國(guó)也根據(jù)本身的資源條件發(fā)展了自己的滲碳鋼系列。
橫坐標(biāo)－合金元素／％ 縱坐標(biāo)－倍數(shù)因子表1 一些國(guó)家的滲碳鋼典型鋼種
標(biāo)準(zhǔn) | 牌號(hào) | 化學(xué)成分/％ | |
C、 Si、 Mn、S、P、Cr、Mo、 Ni | 其他 | ||
JIS | SMn420H | 0.17/0.23、0.15/0.35、1.20/1.50、≤0.030、≤0.030 | |
SCr420H | 0.18/0.23、0.15/0.35、0.60/0.85、≤0.030、≤0.030、0.85/1.20 | ||
SCM420H | 0.18/0.23、0.15/0.35、0.60/0.85、≤0.030、≤0.030、0.85/1.20、0.15/0.30 | ||
SCM822H | 0.20/0.25、0.15/0.35、0.60/0.85、≤0.030、≤0.030、0.85/1.20、0.35/0.45 | ||
SNCM420H | 0.17/0.23、0.15/0.35、0.40/0.70、≤0.030、≤0.030、0.40/0.65、0.15/0.30、 1.60/2.00 | ||
SMn420H | 0.17/0.23、0.15/0.35、1.20/1.50、≤0.030、≤0.030 | ||
SCr420H | 0.18/0.23、0.15/0.35、0.60/0.85、≤0.030、≤0.030、0.85/1.20 | ||
SCM420H | 0.18/0.23、0.15/0.35、0.60/0.85、≤0.030、≤0.030、0.85/1.20、0.15/0.30 | ||
SCM822H | 0.20/0.25、0.15/0.35、0.60/0.85、≤0.030、≤0.030、0.85/1.20、0.35/0.45 | ||
SNCM420H | 0.17/0.23、0.15/0.35、0.40/0.70、≤0.030、≤0.030、0.40/0.65、0.15/0.30、1.60/2.00 | ||
DIN | 16MnCr5 | 0.14/0.19、 ≤0.12、 1.00/1.40、0.020/0.035、<0.035、0.80/1.20 | Al 0.020～0.055 |
20MnCr5 | 0.17/0.22、 ≤0.12、 1.10/1.50、0.020/0.035、<0.035、1.00/1.30 | N0.020～0.055 | |
25MnCr5 | 0.23/0.28、 ≤0.12、 0.60/0.80、0.020/0.035、<0.035、0.80/1.00 | A10.020～0.055 | |
28MnCr5 | 0.25/0.30、 ≤0.12、 0.60/0.80、0.020/0.035、<0.035、0.80/1.00 | AI0.020～0.055 | |
ZFl | 0.15/0.19、0.15/0.40、0.40/0.60、0.015/0.035、<0.030、1.40/1.70、1.40/1.70 | ||
ZFlA | 0.15/0.19、0.15/0.40、0.40/0.60、0.015/0.035、 t<0.030、1.50/1.80、0.25/0.35、1.40/1.70 | ||
ZF6 | 0.13/0.18、0.15/0.40、1.00/1.30、0.015/0.035、<0.030、0.80/1.10 | B0.0010～0.003C | |
ZF7 | 0.15/0.20、0.15/0.40、1.00/1.30、0.015/0.035、<0.030、1.00/1.30 | B0.0010～0.003C | |
NF | 16CD4 | 0.13/0.20、<0.35、 0.60/0.90、≤0.035、 ≤0.025、0.85/1.15、0.15/0.30 | |
20CD4 | 0.17/0.23、<0.30、<0.60、≤0.035、≤0.025、 0.85/1.15、0.15/0.30 | ||
18NCD6 | <0.13、<0.40、0.35/0.70 ≤0.035、≤0.035、1.20/1.60、0.15/0.30、0.80/1.00 | ||
16NCDl3 | 0.12/0.18、<0.35、<0.50、≤0.020、≤0.025、0.85/1.15、0.15/0.35、3.30/3.50 | ||
15CDV6 | 0.1e/0.18、<0.20、0.80/1.10、≤0.010、≤0.015、1.25/1.50、0.80/1.10 | V0.20～0.30 | |
SAE | 4320H | 0.16/0.23、0.20/0.35、0.40/0.70 、<0.040、<0.040、0.35/0.65、0.20/0.30、1.5/2.0 | |
4820H | 0.17/0.24、0.20/0.35、0.45/0.75、<0.040、<0.040、0.20/0.30、3.20/3.80 | B>0.0005 | |
8620H | 0.17/0.24、0.20/0.35、0.60/0.95、<0.040、<0.040、0.35/0.65、0.10/0.25、0.35/0.75 | ||
9310H | 0.07/0.14、0.20/0.35、0.40/0.70 <0.040、<0.040、1.00/1.45、0.08/1.15、2.95/3.55 | ||
表2 中國(guó)的滲碳鋼牌號(hào)
牌 號(hào) | 化 學(xué) 成 分/％ | ||||||||
C | Si | Mn | Cr | Mo | Ni | V | B | Ti | |
20CrH | 0.17/0.23 | 0.17/0.37 | 0.50/0.85 | 0.70/0.10 | |||||
20MnMOBH | 0.16/0.22 | 0.17/0.37 | 0.90/1.25 | 0.20/0.30 | 0.0005/0.0035 | ||||
20MnVBH | 0.16/0.23 | 0.17/0.37 | 1.05/1.50 | 0.07/0.12 | 0.0005/0.0035 | ||||
22MnVBH | 0.19/0.25 | 0.17/0.37 | 1.25/1.70 | 0.07/0.12 | 0.0005/0.0035 | ||||
20CrMnTi | 0.17/0.23 | 0.17/0.37 | 1.20/1.55 | 0.0005/0.0035 | 0.04/0.11 | ||||
20CrMnTiH | 0.17/0.23 | 0.17/0.37 | 0.80/1.15 | 1.00/1.35 | 0.04/0.11 | ||||
20CrNi3H | 0.17/0.23 | 0.17/0.37 | 0.03/0.65 | 0.60/0.95 | 2.70/3.25 | ||||
20CrNiMoH | 0.17/0.23 | 0.17/0.37 | 0.60/0.95 | 0.35/0.65 | 0.15/0.25 | 0.35/0.75 | |||
12Cr2Ni4H | 0.10/0.17 | 0.17/0.37 | 0.30/0.65 | 1.20/1.75 | 3.20/3.75 | ||||
注：優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼中：P≤0.035％，S≤0.035％；高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼中：P≤0.030％，S≤0.030％。
中國(guó)的滲碳鋼牌號(hào)列于表2。用量最大，范圍最廣的是(18)20CrMnTi鋼。實(shí)踐證明，鈦加入鋼中形成具有棱角的難變形的TiN夾雜，在使用過(guò)程中，它與基體的界面處易萌生疲勞裂紋，導(dǎo)致零件過(guò)早失效。因此，除前蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)中有加鈦鋼種外，其他工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)缀醪挥煤佷摲N。1978年以來(lái)汽車(chē)行業(yè)從不同國(guó)家引進(jìn)了多條齒輪鋼生產(chǎn)線，相應(yīng)地引進(jìn)了許多滲碳齒輪鋼種，除了常見(jiàn)的鉻錳鋼、鉻鉬鋼和鉻鎳鋼系列鋼種外，值得注意的是硼處理改性鋼。冶煉傳統(tǒng)的硼鋼時(shí)，為了保護(hù)硼的提高淬透性的作用，在加硼前必須先加717i零赫毒生囊鈦固定氮，以達(dá)到鋼中盡可能保留大量的固溶硼。德國(guó)的硼處理改性鋼卻完全不同，明確規(guī)定禁止加鈦，并要求氮量保持在0.015％左右，從而形成足夠多的氮化硼，只留下痕量的固溶硼(約0.0005％)，從而既提高淬透性，又避免了傳統(tǒng)硼鋼淬透性大的缺點(diǎn)。
展望 滲碳鋼的發(fā)展，除了要求繼續(xù)提高現(xiàn)有鋼材的質(zhì)量以外，還不斷開(kāi)發(fā)綜合性能更好的新鋼種：(1)超低氧滲碳鋼。為了大幅度提高以齒輪鋼為代表的滲碳鋼的疲勞壽命，日本通過(guò)雙真空處理把滲碳鋼的氧含量控制在10×10“以下。(2)低晶界氧化層滲碳鋼。晶界氧化層對(duì)滲碳淬火鋼的接觸疲勞性能有重要影響，實(shí)踐證明，硅促進(jìn)晶界氧化的能力是錳或鉻的10倍，因此在設(shè)計(jì)鋼種時(shí)盡可能把硅減到最少。錳和鉻也應(yīng)減少并適當(dāng)提高鎳、鉬的含量。磷、硫等促進(jìn)脆化的雜質(zhì)元素也應(yīng)盡量降低。根據(jù)這些原理，日本開(kāi)發(fā)了低硅抗晶界氧化滲碳鋼系列(Si<0.15％)。可使晶界氧化層降低到≤5μm，而SCM420H等鉻一鉬鋼系列通常為15～20μm，從而使接觸疲勞性能提高一倍以上；(3)超細(xì)晶粒滲碳鋼。在前蘇聯(lián)開(kāi)發(fā)了含鈮、釩的超細(xì)晶粒的高強(qiáng)度滲碳鋼，晶粒度達(dá)到AsTMN012.13與(12)20Cr2Ni4和(12)20CrNi3相比，降低了鎳的含量，滲層中不產(chǎn)生非馬氏體組織，殘余奧氏體量少，排除了淬火時(shí)重復(fù)加熱的必要性，從而減少零件變形。與20Cr2Ni4相比，這個(gè)鋼種的疲勞抗力在滲碳條件下可提高20％。
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