20CrMnTi的工艺路线分析

20CrMnTi的工艺路线分析

20CrMnTi的工艺路线：下料→锻造→正火→机械粗加工→渗碳→淬火+低温回火→机械精加工

20CrMnTi（J9：30-42HRC)主要性能特点：为中淬透性低碳钢，具有良好的综合力学性能，低温冲击韧度较高，晶粒长大倾向小，冷热加工性能均较好。

该钢由于Cr、Mn、Ti多元复合合金化的作用，淬透性好油淬临界直径约40mm;渗碳淬火后，具有较高的耐磨性和高的强韧度，特别是低温冲击吸收能量比较高；钢的渗碳工艺性能好，晶粒长大倾向小，可直接淬火，变形也比较小。

其中锰，铬主要作用是提高渗碳钢的淬透性，以使较大尺寸的零件在淬火时芯部能获得大量的板条马氏体组织。另外还可以改善渗碳层参数。钛可以组织奥氏体晶粒在高温渗碳时的长大，能细化晶粒。

20CrMnTi钢一般可制造<300mm的高速、中载、受冲击和磨损的重要零件，如汽车、拖拉机变速箱齿轮，离合器轴和车辆上的伞齿轮及主动轴等，其他钢种如20Mn2TiB、20CrMnMo等和20CrMnTi 钢相近，有些方面优于20CrMnTi钢。

一下料

下料是指确定制作某个设备或产品所需的材料形状、数量或质量后，从整个或整批材料中取下一定形状、数量或质量的材料的操

作过程。

下料一般包括号料和划线等，号料就是根据板在钢材上画出构件的实样，并打上各种加工记号，为钢材的切割下料作准备。

划线是利用加工制作图、样杆、样板及钢卷尺进行划线。

划线的要领有两条：

1.划线作业场地要在不直接收日光及外界气温影响的室内，最好是开阔、明亮的场所。

2.用划针划线比用墨尺及划线用绳的精度高，划针可用砂轮磨尖，粗细度可达0.3mm左右。

二锻造

锻造是在锻压设备及工(模)具的作用下，使坯料或铸锭产生塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。

锻造方法有自由锻和模锻。

自由锻是利用冲击力或压力使加热好的金属在上、下抵铁之间产生变形。它适用于单件和小批量生产；特别适于重型、大型锻件生产。

模锻是利用模具使毛坯变形获得锻件的方法。常用的模锻设备有蒸汽-空气模锻锤、压力机等。它又分为锤上模锻，胎膜锻，压力机上模锻。适于小型锻件的成批大量生产。

拔长时的锻造比为 y拔=F0/F=L/L0

镦粗时的锻造比为 y镦=F/F0=H0/H

通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。经锻造以后晶粒大小形状发生了变化，改变了钢的组织，增加了锻造应力，提高了硬度，在机械加工前需预备热处理。相关机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。变形温度

按变形温度，锻造又可分为热锻（锻造温度高于坯料金属的再结晶温度）、温锻（锻造温度低于金属的再结晶温度）和冷锻（常温）。钢的开始再结晶温度约为727℃，但普遍采用800℃作为划分线，高于800℃的是热锻；在300～800℃之间称为温锻或半热锻。

材料的原始状态有棒料、铸锭、金属粉末和液态金属。金属在变形前的横断面积与变形后的横断面积之比称为锻造比。正确地选择锻造比、合理的加热温度及保温时间、合理的始锻温度和终锻温度、合理的变形量及变形速度对提高产品质量、降低成本有很大关系。

一般的中小型锻件都用圆形或方形棒料作为坯料。棒料的晶粒组织和机械性能均匀、良好，形状和尺寸准确，表面质量好，便于组织批量生产。只要合理控制加热温度和变形条件，不需要大的锻造变形就能锻出性能优良的锻件。

铸锭仅用于大型锻件。铸锭是铸态组织，有较大的柱状晶和疏

松的中心。因此必须通过大的塑性变形，将柱状晶破碎为细晶粒，将疏松压实，才能获得优良的金属组织和机械性能。

经压制和烧结成的粉末冶金预制坯，在热态下经无飞边模锻可制成粉末锻件。锻件粉末接近于一般模锻件的密度，具有良好的机械性能，并且精度高，可减少后续的切削加工。粉末锻件内部组织均匀，没有偏析，可用于制造小型齿轮等工件。但粉末的价格远高于一般棒材的价格，在生产中的应用受到一定限制。

对浇注在模膛的液态金属施加静压力，使其在压力作用下凝固、结晶、流动、塑性变形和成形，就可获得所需形状和性能的模锻件。液态金属模锻是介于压铸和模锻间的成形方法，特别适用于一般模锻难于成形的复杂薄壁件。

不同的锻造方法有不同的流程，其中以热模锻的工艺流程最长，一般顺序为：锻坯下料；锻坯加热；辊锻备坯；模锻成形；切边；冲孔；矫正；中间检验，检验锻件的尺寸和表面缺陷；锻件热处理，用以消除锻造应力，改善金属切削性能；清理，主要是去除表面氧化皮；矫正；检查，一般锻件要经过外观和硬度检查，重要锻件还要经过化学成分分析、机械性能、残余应力等检验和无损探伤。

金属经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更

加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。

铸件的力学性能低于同材质的锻件力学性能。此外，锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命采用精密模锻、冷挤压、温挤压等工艺生产的锻件，都是铸件所无法比拟的锻件是金属被施加压力，通过塑性变形塑造要求的形状或合适的压缩力的物件。这种力量典型的通过使用铁锤或压力来实现。铸件过程建造了精致的颗粒结构，并改进了金属的物理属性。在零部件的现实使用中，一个正确的设计能使颗粒流在主压力的方向。铸件是用各种铸造方法获得的金属成型物件，即把冶炼好的液态金属，用浇注、压射、吸入或其它浇铸方法注入预先准备好的铸型中，冷却后经落砂、清理和后处理等，所得到的具有一定形状，尺寸和性能的物件。

钢的可锻性

在锻造中常用可锻性这一名词表示金属材料在锻造时变形的难易程度。可锻性一般用塑性和变形抗力两个指标来衡量。高温下塑性好、变形抗力低的钢或合金，较容易锻造，由可锻性好；而塑性差、变形抗力大的钢或合金，锻造时易产生裂纹等缺陷，或所需设备吨位较大，锻造较困难，故可锻性差。在国外常评价各种钢及合金的相对可锻性。相应可锻性是基于各种合金在各自锻造温度范围内每消耗单位能量所得到的变形量，同时还考虑了合金在锻造工

艺条件下达到规定的急剧变形程度的困难性以及断裂倾向性。

可锻性对锻件成形和锻件质量有重要影响，了解和研究各种金属材料的可锻性，对于正确制定锻造工艺和确定锻造设备吨位具有重要意义。

杂质及合金元素对钢的塑性影响钢的高温塑性除与冶金质量和锻造热参数等因素有关外，主要取决于它的化学成分。

氧在钢中形成的氧化物夹杂如MnO,SiO2,Al2O3等，它们的熔点高，硬而脆，其数量、大小及分布情况对钢的塑性有一定影响。而FeO与FeS可形成低熔点(约930℃)共晶体，加剧钢的热脆性。氢含量高的钢锻造时易产生龟裂，并在冷却过程中易形成白点等缺陷。碳在锻造温度范围内，若能全部溶入奥氏体，则对钢的塑性影响不大。只有当钢的含碳量较高时，由于较多渗碳体甚至莱氏体从固溶体中析出，钢的塑性才大为下降。

锰在钢中可优先形成MnS(熔点为1620℃)，从而减小钢的热脆性。当锰含量大于0.8%时，作为合金元素，促进晶粒长大，使钢容易产生过热。镍在冶炼过程中可提高钢的吸气能力，尤其是吸收氢的能力，促进钢中形成气泡或产生裂纹。

钛与硫形成TiS，其熔点高于FeS，可减轻高硫钢的热脆性。

钢锻后的性能

锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与

长的使用寿命。

三预先热处理--- 正火

定义：将钢加热至Ac3或Accm以上30～50℃保温，在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。

目的：①细化组织，消除热加工造成的过热缺陷，使组织正常化；

②提高普通结构零件的机械性能。③用于低碳钢，提高硬度，改善钢的切削加工性能；④用于中碳钢代替调制处理,为高频淬火做准备.⑤用于高碳钢可消除网状渗碳体,为球化退火做准备.

20CrMnTi的正火工艺为：加热温度920~950摄氏度，保温，空冷 156~207HBS

加热温度在Ac3线以上，细化晶粒，消除组织缺陷，以获得珠光体+少量铁素体。

正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而正火组织与退火组织相比，组织中的珠光体量相对要多，且片层较细密，得到的珠光体邻域小,因此其机械性能也有所提高。正火后零件的强度和硬度比退火时要高,且随着含碳量的增加差别越显著。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。

正火之前工艺一般为锻造，锻造温度在1200左右，使晶粒粗大，正火加热温度比锻造低但零件也完全奥氏体化，因此得到的奥氏体晶粒较锻造细小，冷却到两相区时，从奥氏体中析出铁素体，由于

奥氏体晶粒细小，空冷后得到的铁素体与索氏体晶粒也很细小，使晶粒得以细化，机械性能也有所提高。

正火的应用场合

1.用于低碳钢

低碳钢由于退火后硬度太低，切削加工时产生粘刀的现象，切削性能差，正火后硬度略高于退火，韧性也比较好，可作为切削加工的预备热处理。

2.用于中碳钢

正火代替退火提高零件的力学性能，一些受力不大的工件，正火可替代调制处理作为最终热处理，简化热处理工艺;也可作为用感应加热方式进行表面淬火前的预备热处理。

3.用于工具钢、轴承钢等

过共析钢球化退火前进行一次正火，过共析钢正火加热到Accm以上，使原先成网状的渗碳体全部溶入到奥氏体中，然后用较快的速度冷却，抑制渗碳体在奥氏体晶界的析出，可消除或抑制网状碳化物的析出，从而得到球化退火所需的良好组织。

4.用于大型锻件

可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。

5.用于消除热加工的缺陷

中碳构钢铸、锻、扎件以及焊接件在加热加工后易出现粗大晶粒及带状组织。通过正火可以消除这些缺陷组织，达到细化晶粒，

均匀组织，消除内应力的目的。

四机械粗加工

1、在尽量短的时间内切除大部分多余材料。

2、为精加工提供定位精基准。

3、及时发现毛坯缺陷。

机械加工中粗加工余量的大小要看加工件的形状、大小、厚薄、长短来确定。一般来说，短粗、厚实的零件的加工余量可以少留一些，细而长、薄而大的零件的加工余量要多留一些。因为前者不太容易变形，而后者容易变形。

一般来说，粗加工是指去掉毛坯上铸造，锻造的不规则表皮，按照零件要求简单加工到加工余量在5毫米左右。之后精加工直接将材料加工到指定尺寸。加工设备可能是数控机床等的高级设备。

粗加工：加工方法一般为，粗车、粗刨、粗铣、钻、毛锉、锯断等，可见刀痕。应用在非配合尺寸或不重要的配合，用于一般要求，加工精度在IT13—IT8，Ra≤80—20.半精加工：加工方法为半精车、精车、精刨、精铣、粗磨，表面可见加工痕迹或加工痕迹不明显。加工精度在IT10—IT7，Ra≤10—2.5，用于重要配合。精加工：加工方法为精车、精刨、精磨、铰，加工精度在IT8—IT6，Ra≤1.25—0.32，用于精密配合。超精加工：加工方法为精

磨、研磨、镜面磨、超精加工，表面光泽或达到镜面。加工精度在IT6—IT5或更高，Ra≤0.16—0.01。主要用于量块、量仪和精密仪表、精密零件的光整加工

刀具材料的选择

刀具材料需满足一些基本要求：1.高硬度。刀具的最低硬度应在60HRC以上。对于碳素工具钢材料，在室温条件下硬度应在62HRC 以上。高速钢硬度为63HRC--70HRC以上。硬质合金刀具硬度为89HRC--93HRC。 2.高强度与强韧性。刀具在切削时受到很大的切削力和冲击力，一般刀具材料的韧性用冲击韧性Ak表示，反应刀具材料抗脆性和崩刀的能力。 3.较高的耐磨性和耐热性（刀具耐热性是衡量刀具切削性能的主要标志，通常用高温下高强度的性能来衡量，也称热硬性）一般刀具硬度越高，耐磨性越好。刀具金相组织中硬质点越多，颗粒越小，分布越均匀，则刀具耐磨性越好。刀具材料高温硬度越高，则耐热性越好，在高温抗塑性变形能力、抗磨损能力越强。 4.优良的导热性。刀具导热性好，表示切削产生的热量容易传导出去，降低了刀具切削部分的温度，减少了刀具磨损。刀具材料导热性好其抗耐热冲击和抗热裂纹性能也越强。 5.良好的工艺性与经济性。刀具不但具有良好的切削性能，本身还应易于制造，这要求刀具材料具有良好的工艺性。

刀具的角度

各种刀具都是由切削部分（刀头）和被夹持部分（刀体或刀柄）两

部分组成。两者既可以是一体的，也可以是由不同材料连接起来。前角：基面和前刀面的夹角。是刀具的锋利程度。我们把铁屑流经过的面成为前刀面。

后角：切削平面和后刀面的夹角。主要影响摩擦和刀具强度。

主偏角：主切削刃和刀具进给方向的夹角。影响刀具的强度，和影响背向力，主偏角减小，背向力越大，机床的消耗率也越大，并且主偏角还会影响表面粗糙度。

副偏角：副切削刃与进给方向的反方向的夹角即为副偏角。同样影响强度，摩擦，以及表面粗糙度。

刃倾角：是控制流屑的方向。主切削刃和基面的夹角。

切削硬度范围

不同的材料，其最佳切削性能所对应的硬度并不是一成不变的。不要太硬，太硬崩刀，不要太软，太软粘刀。

五渗碳

渗碳是将钢件在碳的活性介质中加热并保温，使碳原子渗入表层的一种表面化学热处理工艺。

目的：提高零件的表面硬度、耐磨性；高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度；心部保持良好的塑性与韧性.

根据所用渗碳剂在渗碳过程中聚集状态的不同，渗碳方法可以分为固体渗碳法、液体渗碳法及气体渗碳法三种。

（1）固体渗碳法

常用的固体渗碳温度为900-930摄氏度。因为据铁碳状态图，只有在奥氏体区域，铁中碳的浓度才可能在很大范围内变动，碳的扩散才能在单相的奥氏体中进行。900-930摄氏度这个温度恰好较渗碳钢的Ac3点稍高，保证了上述条件的实现。

（2）液体渗碳法

液体渗碳是在能够析出活性碳原子的盐浴中进行的渗碳方法。其优点是加热速度快，加热均匀，便于渗碳后直接淬火；缺点是多数盐浴有毒。

液体渗碳的温度一般为920-940摄氏度，其考虑原则和固体渗碳相同。

（3）气体渗碳法

气体渗碳是工件在气体介质中进行碳的渗入过程的方法，可以用碳氢化合物有机液体，如煤油、丙酮等直接滴入炉内汽化而得。

渗碳一般用于碳的质量分数为0.1%-0.3%的低碳钢和低碳合金钢。

加热温度为900---950的单相奥氏体区。因为在单相奥氏体区内，r--Fe中碳的极限溶解度为2.11%， --Fe中碳的极限溶解度仅为0.0218%，达不到渗碳浓度要求。

渗碳使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。渗碳后﹐钢件表面的化学成

分可接近高碳钢。工件渗碳后还要经过淬火﹐以得到高的表面硬度﹑高的耐磨性和疲劳强度﹐并保持心部有低碳钢淬火后的强韧性﹐使工件能承受冲击载荷。工件渗碳淬火后的表层显微组织主要为高硬度的马氏体加上残余奥氏体和少量碳化物﹐心部组织为韧性好的低碳马氏体或含有非马氏体的组织﹐但应避免出现铁素体。一般渗碳层深度范围为0.8～1.2毫米﹐深度渗碳时可达2毫米或更深。表面硬度可达HRC58～63﹐心部硬度为HRC30～42。渗碳淬火后﹐工件表面产生压缩内应力﹐对提高工件的疲劳强度有利。因此渗碳被广泛用以提高零件强度﹑冲击韧性和耐磨性﹐借以延长零件的使用寿命。

六淬火+低温回火

渗碳+淬火+低温回火为最终热处理。

表面：回火马氏体+颗粒状碳化物+残余奥氏体；

心部：低碳合金钢，淬透性好，为回火马氏体+残余奥氏体+铁素体性能表面：具有较高的硬度、耐磨性以及疲劳强度；心部：具有良好的塑性与韧性

淬火

把钢加热到Ac3或Ac1以上，保温一定时间，以大于临界冷却速度的冷速冷却，从而获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。

组织：主要为M、B或M+B的混合物

目的：提高零件的硬度、强度和耐磨性；如刃具、量具、模具等；

获得良好的综合力学性能；如各种机器零件；改善钢的物理和化学性能；如用高碳钢和磁钢制的永久磁铁、不锈钢和耐热钢。

为正确进行淬火，必须考虑以下三个因素：淬火加热温度，保温时间和冷却速度

1）淬火加热温度 820~850

2）保温时间淬火加热时间实际上是将试样加热到淬火温度所需的时间及在淬火温度停留所需时间的总和。

3）冷却速度应大于临界冷速，以保证获得马氏体组织，在这个前提下又应尽量缓慢冷却，以减小内应力，防止变形和开裂。

为了保证淬火效果，应选用适当的冷却介质。淬火冷却速度太快，奥氏体向马氏体转变剧烈、积收体缩，引起很大的内应力，容易造成齿轮的变形和开裂，由于20CrMnTi是合金钢，淬透性较好，故选择油冷减小冷却速度，防止淬火造成齿轮变形或开裂。时也能获得马氏同体组织，达到较高的硬度。回火

将淬火后的钢在A1以下温度加热、保温并以适当速度冷却。

回火的目的：1.提高淬火钢的淬硬性，降低脆性；2.降低或消除淬火引起的残余内应力；3.稳定组织和尺寸。

回火过程

(1)时效阶段（100℃以下）：马氏体中碳原子偏距。

(2)回火第一阶段（80-250℃）：马氏体分解及过渡碳化物析出。

(3)回火第二阶段（200-300℃）:残余奥氏体分解。

(4)回火第三阶段（250-400℃）：碳化物析出与转变。

(5)回火第四阶段（400℃以上）：渗碳体的聚集长大与a相的再结晶。

回火按温度分类：低温回火（150-250℃）、中温回火（350-500℃）、高温回火（大于500℃）

（1）低温（150~250℃）

消除淬火应力，稳定组织，减少残余奥氏体的数量，达到所需要的性能。

低温回火时，工件表面马氏体中过饱和碳原子以碳化物的形式逐步析出，马氏体晶格畸变程度减弱，内应力有所降低。此时的回火组织由马氏体和碳化物组成，称为回火马氏体。虽然马氏体的分解使α－ F e中碳的过饱和程度降低，钢的硬度相应下降，但析出的碳化物又对基体起强化作用，部分的残余奥氏体分解为回火马氏体，所以钢仍保持很高的硬度和耐磨性。同时芯部为原始组织淬火加低温回火所得到的低碳回火马氏体+残余奥氏体+铁素体，具有较好的韧性。

（2）中温回火（350-500℃）

中温回火后得到回火屈氏体组织，主要用于处理弹簧钢。

中温回火相当于一般碳钢及低合金钢回火的第三阶段温度区。此时，碳化物已经开始聚集，基体也开始恢复，第二类内应力趋于基

本消失，因此具有较高的弹性极限，又有较高的弹性和韧性。（3)高温回火（大于500℃）

这一温度区间回火的工件，常见有以下几类;

1.调制处理。即淬火加高温回火，以获得回火索氏体组织。这种处理称为调制处理，主要用于中碳钢或低合金结构钢已获得良好的综合机械性能。一般调制处理的回火温度选在600℃以上。

与正火处理相比，刚经调制处理后，在硬度相同条件下，钢的屈服强度、韧性和塑性明显的提高。

2.二次硬化型钢的回火。对一些具有二次硬化作用的高合金钢，如高速钢等，在淬火以后，需要利用高温回火来获得二次硬化的效果。

3.高合金渗碳钢的回火。高合金渗碳钢渗碳后，由于其奥氏体非常稳定，即在缓慢冷却条件下，也会转变成马氏体，并存在着大量的残余奥氏体。渗碳后进行高温回火的目的是使马氏体和残余奥氏体分解，使渗碳层中一部分碳和合金元素以碳化物的形式析出，并聚集球化，得到回火索氏体组织，使钢的硬度降低，便于切削加工，同时还可以减少后续淬火工序淬火后渗层中的残余奥氏体量。

七机械精加工

精加工是工件工艺的最后一道工序,是要求做到公差内的最后一次加工。

相对于粗加工：粗加工进给量大，效率高，精度低。精加工，进给量小，容易控制零件的尺寸精度和表面粗糙度。

粗加工余量大是为了快速达到需要的尺寸，效率占主导。而当需要达到某一个精度的时候，质量就是占主导的了，这时就需要降低切削量，提高精度。降低切削量主要是为了：

1、减低切削力，使加工中工件变形在一个可控范围内；

2、降低切削热，使工件的热变形最小；

3、通过减小加工余量，保护刀具，使刀具磨损减小，以保证加工质量；

4、通过减小加工余量，使工件的表面质量提高，并控制表面应变应力，从而获得好的表面质量。

5、从刀具方面，精加工刀具刀尖圆角小，强度不够，需要小的切削余量。

6、精加工需要更高的转速，需要将热量转移到切屑上，使用小的余量，可以在不使用切削液的情况下，保证刀具寿命及控制工件热变形。