什麼是滲碳合金結構鋼
經表面滲碳和適當熱處理的低碳合金鋼簡稱滲碳鋼。經過這種工藝處理的零件整體有足够高的强度和韌性，而表面則具有高硬度和耐磨性。這類鋼是表面硬化合金結構鋼中開發最早，用途最廣的一種。它們廣泛用於製造齒輪、銷杆及軸類等，在使用過程中承受彎曲、衝擊、交變等多種負荷，而且相互之間還有一定接觸應力導致相對摩擦的零部件。
科技要求滲碳鋼應具備的主要性能有：强度、韌性、表面硬度和工藝效能。
强度滲碳鋼要有足够高的强度。例如齒輪在滲碳後心部應有足够高的屈服强度，以保證齒輪齒部經受彎曲負荷時，在滲碳層出現裂紋以前，心部或過渡層不發生塑性變形。實踐證明，隨著心部强度的提高，滲碳層的强度也隨之提高。
衝擊韌性滲碳鋼要有良好的衝擊韌性。由於滲碳層的硬度高，而韌性較低，在衝擊負荷下，滲碳件往往在滲碳層先產生裂紋。囙此，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，不會迅速擴展到整個斷面，發生脆性破壞。
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，保證滲碳件不過早磨損或因接觸疲勞破壞而失效。
工藝效能滲碳鋼應具有一般結構鋼所具有的鍛造性、切削性。在熱處理方面，除要求過熱敏感性小和淬火變形小以外，還要求有良好的滲碳適應性，即滲碳速度快、表面碳含量適合、過渡層平緩、滲碳層的殘餘奧氏體量少等。
合金化其目的主要是提高鋼的淬透性。根據滲碳零件的非均質特點，滲碳鋼的合金化應從基體（心部）和滲層兩個方面來考慮。
合金化對滲碳鋼心部效能的影響與一般結構鋼是一樣的。為了使心部具有較高的强度，首先必須有一定的碳含量。碳含量太低，强度達不到要求，但是過高的碳含量會使鋼的塑性和韌性下降。滲碳鋼的碳含量一般為0.10%～0.25%。個別鋼種碳含量高到0.30%～0.35%，雖然强度提高，但脆性增大。其次，必須有足够的淬透性。淬透性提高了，滲碳件在淬火時心部能得到馬氏體組織，不易出現游離鐵素體和非淬火組織，從而保證心部的强度和韌性。提高淬透性的元素有矽、錳、鎳、鉻、鉬、鎢、硼等。合金元素對基體淬透性的影響見圖1。此外，滲碳鋼必須有低的晶粒長大敏感性，以保證滲碳和以後的淬火加熱時奧氏體晶粒不過分粗化。為此通常用鋁細化晶粒或加入强碳化物形成元素鈦、釩等。
合金元素／%
圖1 合金元素對基體淬透性的影響
為了使滲碳層具有高的强度和一定的塑性，合金化首先必須保證表面有足够的碳含量，表面層碳含量太低了，硬度達不到要求，但過高的碳含量會使碳化物大量新增，碳化物分佈不均勻，有時還呈網狀分佈。碳還將使馬氏體點（Mo）降低，從而新增淬火後滲層中的殘餘奧氏體量。而碳化物分佈不均勻或殘餘奧氏體量新增都會使滲層的强度、疲勞效能及耐磨效能降低。
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散。非碳化物形成元素矽、鎳等則减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散。
合金元素對滲碳層淬透性的影響見圖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。矽强烈地提高滲層的淬透性，但是在滲碳過程中容易發生晶界氧化而形成黑色網狀缺陷。鎳對滲層淬透性的貢獻較小，但它可以提高滲層的韌性。
隨合金元素添加量的新增，鋼的馬氏體點（壇）下降，使淬火後滲層中含有大量殘餘奧氏體，影響零件的715shen滲疲勞效能及耐磨性。囙此，當淬透性有足够保證時，决不要過分提高合金元素含量。
熱處理滲碳鋼零件的熱處理包括機械加工前的預處理和最終處理。預處理的目的是消除鍛造應力及保證適當的硬度，改善切削加工效能。根據不同鋼種和預處理要求進行不同的預處理：正火、正火+回火、淬火+回火。例如製造齒輪的20CrMnTi鋼鍛造後進行950～970℃正火是為了消除鍛造應力，並保證進行正常切削加工所需的硬度。淬透性高的中合金滲碳鋼18Cr2Ni4wA在正火後得到馬氏體組織，硬度很高，必需再進行高溫回火進行軟化。12CrNi3A齒輪鋼則需用調質來改善切削加工效能。最終處理的目的是使滲碳鋼零件達到規定的效能要求。滲碳後一般進行淬火和低溫回火處理。根據鋼種和效能要求的不同，可以進行各種組合的最終處理。
滲碳後仍能保持細晶粒，淬火時表面層不易出現網狀碳化物的鋼和在滲碳後不再需要切削加工的零件（如20CrMnTi鋼制齒輪），可以採用滲碳後直接淬火+低溫回火工藝。直接淬火工序簡單，成本低，變形小，而且滲碳層的殘餘奧氏體量少。這是現時許多工廠都採用的工藝。
滲碳時晶粒易長大的鋼，或滲碳後需要進行切削加工的零件，則需要採用滲碳後先冷卻、然後再進行淬火+低溫回火工藝。滲碳時晶粒長大，而力學性能又要求很高的零件有時還採用二次淬火+低溫回火工藝。採用二次淬火零件變形較大，有時第一次淬火可用正火代替，以减少變形。
中合金高淬透性滲碳鋼在淬火前還要求進行一次或多次高溫回火，這樣可以降低淬火後滲層中的殘餘奧氏體量，同時可以降低零件硬度和改善切削加工效能。一些心部具有很高的綜合力學性能而表面又需要有高的硬度和耐磨性的重載滲碳部件，在淬火時先放入200℃左右的鹽浴中進行等溫處理，然後再進行500～550℃高溫回火，最終進行低溫回火。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强韌性。
分類滲碳合金結構鋼按淬透性和强度高低可以分為三大類：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，它們用於不重要的齒輪、軸件以及小齒輪、小軸、活塞銷等滲碳件。
（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。用於汽車、耕耘機主齒輪、活塞銷等滲碳件。
（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，用於大型及重要的齒輪、軸件等滲碳件。
一些國家的滲碳鋼典型鋼種列於錶1。可以看到，有不少鋼種的化學成分是大同小异的，因而可互相通用。各國也根據本身的資源條件發展了自己的滲碳鋼系列。
橫坐標－合金元素／% 縱坐標－倍數因數
錶1 一些國家的滲碳鋼典型鋼種
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標準 |
牌號 |
化學成分/% |
|
|
C、 Si、 Mn、S、P、Cr、Mo、 Ni |
其他 |
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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 |
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錶2 中國的滲碳鋼牌號
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牌 號 |
化 學 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：優質合金結構鋼中：P≤0.035%，S≤0.035%；高級優質合金結構鋼中：P≤0.030%，S≤0.030%。
中國的滲碳鋼牌號列於錶2。用量最大，範圍最廣的是（18）20CrMnTi鋼。實踐證明，鈦加入鋼中形成具有棱角的難變形的TiN夾雜，在使用過程中，它與基體的介面處易萌生疲勞裂紋，導致零件過早失效。囙此，除前蘇聯標準中有加鈦鋼種外，其他工業已開發國家幾乎不用含鈦鋼種。1978年以來汽車行業從不同國家引進了多條齒輪鋼生產線，相應地引進了許多滲碳齒輪鋼種，除了常見的鉻錳鋼、鉻鉬鋼和鉻鎳鋼系列鋼種外，值得注意的是硼處理改性鋼。冶煉傳統的硼鋼時，為了保護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，以達到鋼中盡可能保留大量的固溶硼。德國的硼處理改性鋼卻完全不同，明確規定禁止加鈦，並要求氮量保持在0.015%左右，從而形成足够多的氮化硼，只留下痕量的固溶硼（約0.0005%），從而既提高淬透性，又避免了傳統硼鋼淬透性大的缺點。
展望 滲碳鋼的發展，除了要求繼續提高現有鋼材的質量以外，還不斷開發綜合效能更好的新鋼種：（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。晶界氧化層對滲碳淬火鋼的接觸疲勞效能有重要影響，實踐證明，矽促進晶界氧化的能力是錳或鉻的10倍，囙此在設計鋼種時盡可能把矽减到最少。錳和鉻也應减少並適當提高鎳、鉬的含量。磷、硫等促進脆化的雜質元素也應儘量降低。根據這些原理，日本開發了低矽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，從而使接觸疲勞效能提高一倍以上；（3）超細晶粒滲碳鋼。在前蘇聯開發了含鈮、釩的超細晶粒的高强度滲碳鋼，晶粒度達到AsTMN012.13與（12）20Cr2Ni4和（12）20CrNi3相比，降低了鎳的含量，滲層中不產生非馬氏體組織，殘餘奧氏體量少，排除了淬火時重複加熱的必要性，從而减少零件變形。與20Cr2Ni4相比，這個鋼種的疲勞抗力在滲碳條件下可提高20%。
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