滲碳是一種表面熱處理技術,指向鋼件表面擴滲碳原子后進行淬火的熱處理方式。通過碳的滲入,可顯著改善鋼部件的耐磨性、耐久性、韌性等性能。
用于制造滲碳零件的鋼稱為滲碳鋼。滲碳鋼的主要熱處理工序一般是在滲碳之后再進行淬火和低溫回火。處理后零件的心部為具有足夠強度和韌性的低碳馬氏體組織,表層為硬而耐磨的回火馬氏體和一定量的細小碳化物組織。
有些結構零件,是在承受較強烈的沖擊作用和受磨損的條件下進行工作的,例如汽車、拖拉機上的變速箱齒輪,內燃機上的凸輪、活塞銷等。
根據工作條件,要求這些零件具有高的表面硬度和耐磨性,而心部則要求有較高的強度和適當的韌性,即要求工件“表硬里韌”的性能。
為了兼顧上述雙重性能,可以采用低碳鋼通過滲碳淬火及低溫回火來達到,此時零件心部是低碳鋼淬火組織,保證了高韌性和足夠的強度,而表層(在一定的深度)則具有高碳量(0.85%～1.05%),經淬火后有很高的硬度(HRC>60),并可獲得良好的耐磨性。
滲碳鋼的成分特點
滲碳鋼的含碳量一般都很低(在0.15%～0.25%之間),屬于低碳鋼,這樣的碳含量保證了滲碳零件的心部具有良好的韌性和塑性。
為了提高鋼的心部的強度,可在鋼中加入一定數量的合金元素,如Cr、Ni、Mn、Mo、W、Ti、B等。
其中Cr、Mn、Ni等合金元素所起的主要作用是增加鋼的淬透性,使其在淬火和低溫回火后表層和心部組織得到強化。
另外,少量的Mo、W、Ti等碳化物形成元素,可形成穩定的合金碳化物,起到細化晶粒、抑制鋼件在滲碳時發生過熱的作用。
微量的B(0.001%～0.004%)能強烈地增加合金滲碳鋼的淬透性。
滲碳鋼的分類
根據淬透性或強度等級的不同,合金滲碳鋼分為三類。
1)低淬透性合金滲碳鋼
即低強度滲碳鋼(抗拉強度≤800MPa),如15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2等。這類鋼淬透性低,經滲碳、淬火與低溫回火后心部強度較低且強度與韌性配合較差。主要用于制造受力較小,強度要求不高的耐磨零件,如柴油機的凸輪軸、活塞銷、滑塊、小齒輪等。
這類鋼滲碳時心部晶粒易于長大,特別是錳鋼。若性能要求較高時,這類鋼在滲碳后經常采用二次淬火法,即在滲碳后先作正火處理,以消除滲碳時形成的過熱組織,然后再重新加熱淬火。
2)中淬透性合金滲碳鋼
即中強度滲碳鋼(抗拉強度=800～1200MPa),如20CrMnTi、12CrNi3A、20CrMnMo、20MnVB等。這類鋼含合金元素總量約在4%左右,由于主要是把Cr和Mn二元素配合加入鋼中,能更有效地提高淬透性和機械性能(抗拉強度=1000～1200MPa)。一般用來制造重負荷的中、小耐磨件和中等負荷的模數較大的齒輪。如汽車、拖拉機的變速箱與后橋齒輪、齒輪軸、十字銷頭、花鍵軸套、氣門座、凸輪盤等。
這類鋼由于含有Ti、V、Mo,滲碳時奧氏體晶粒長大傾向小,因此可采用自滲碳溫度預冷到870°C左右直接淬火,并經低溫回火后使零件具有較好的機械性能。
3)高淬透性合金滲碳鋼
即高強度滲碳鋼(抗拉強度>1200MPa),如12Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等。這類鋼含合金元素總量≤7.5%,由于含Cr、Ni元素較多,可大大地提高鋼的淬透性,特別是加入了較多的Ni,在提高強度的同時,使鋼具有良好的韌性。這類鋼可用作承受重載和強烈磨損的重要大型零件,如內燃機車的主動牽引齒輪、柴油機曲軸、連桿及缸頭精密螺栓等。
由于含有較高的合金元素,使C曲線大為右移,因而在空氣中冷卻也能得到馬氏體組織;另外,其馬氏體轉變溫度也急劇下降,使滲碳表層在淬火后將保留大量的殘余奧氏體。為了減少淬火后殘余奧氏體量,可在淬火前先高溫回火,使碳化物球化或在淬火后采用冷處理。
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