20CrMnTi热处理工艺

≤0.035
≤0.035
Ni
≤0.030
Cu
≤0.030
Ti
0.04～0.10
1.2 20CrMnTi 泵体齿轮的的工艺流程：
下料
锻造
正火
加工
清洗
渗碳
淬火
回火
清洗
检验
包装
1.3 20CrMnTi 钢常见的热处理工艺
热处理工 艺
完全退火
正火
淬火 回火
表 1.2 20CrMnTi 钢常见的热处理工艺表
工艺参数
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
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
图 3.2 20CrMnTi 钢渗碳后缓冷组织
表层
4. 20CrMnTi 齿轮渗碳后淬火处理工艺
7
20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺
试验分析部 袁红昆
4.1 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。
温后油冷
60~63 HRC
加热温度不超过 920℃，以避免晶粒长 大
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
共渗温度 840~860℃，出炉 油冷
回火温度 160~180℃，出炉 空冷
渗硼温度 900℃，保温 4h， 油冷(渗硼剂：
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。
2.2 正火设备
选用 RX3 箱式电炉参数见表 2.1
表 2.1
产
主要参数
相
品 产品型 额定功 额定 额定温 数
名
号
率（kv） 电压 度（℃）
称
（V）
箱
式 RX3-30-9 30 电
380 950 3
炉
炉膛尺寸（毫 外形尺寸 重量（千
米）
（毫米） 克）
950x450x350 1920x1620x 2140
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不少于 1h 不少于 1h 不少于 1h
自然升温 自然升温 自然升温
20min 20min 20min
—— —— ——
1.5h 30min
2h
30min
3h
30min
渗碳深度 /mm
0.4~0.7mm 0.6~0.9mm 0.8~1.2mm 1.1~1.6mm
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。
压（V） 度（℃）
RQ3-60-9D 60
380
950 450x600∅ 1570x2000x2240 2630
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
5
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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。
渗碳过程
表 3.4 煤油-甲醇滴注式通用气体渗碳工艺
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
——
1h
30min
6
层深 度及 时间
0.6~0.9mm 0.8~1.2mm 1.1~1.6mm
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。
名称 煤油
温度/℃ 950
表 3.2 煤油在不同温度下的分解产物及含量
分解产物
CO2 0.4~2.2
CO 1.2~4.6
H2 37~46
CH4 40~56
CmHn 1~2
800
0.4~1.2 12~18 19~26 38.4~47.3 20~29
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
8
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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
920±10 40min 1.5h
2h 2.5h
3.9 渗碳工艺
表 3.5 渗碳强渗时间
渗碳温度/℃
强渗后渗碳
930±10 940±10 层深度/mm
30min
20min
0.20~0.25
1h
30min
0.35~0.40
1.5h
1h
0.45~0.55
2h
1.5h
0.60~0.70
扩散时 间/h 1 1.5 2 3
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
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
产品 名称
井式 气体 渗碳 炉
产品型号
表 3.1 RQ3-60-9D 型井式气体渗碳炉参数
额定功
主要参数
炉膛尺寸
重量
率（KV） 额定电 额定温 （mm） 外壁尺寸（mm） （Kg）
O2+N2 0.4~0.8 0.4~7.3
介质参数见表 3.3。
名称
分子式
表 3.3 渗碳反应式
煤油
航空煤油、灯油主要成 分为：C9~C14 和 C11~C17
850℃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
用途 强渗碳剂
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 × D t——保温时间 K——工件装炉方式修正系数，见表 2.2 a——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。
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ห้องสมุดไป่ตู้1100Mpa、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 1.1
C
Si
Mn
Cr
S
P
0.17～0.23 0.17～0.37 0.80～1.10 1.00～1.30
冷
HRC
硬度不高，耐磨性差
加热 500~650℃，保温 2h， 30~36
油冷
HRC
回火索氏体组织
1
气体渗碳 渗碳后淬
火与 回火
气体碳氮 共渗
固体渗硼
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加热 900~920℃，以 0.15~0.2mm/h 计保温时间 淬火：加热 820~850℃，保
2200
2.3 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。
硬度要
工艺特点
求
加热 860~880℃，保温，炉 ≤
消除残余应力，降低硬度
冷
217HB
S
加热 920~950℃，保温，空 156~2 加热温度在 Ac3825℃线之上，细化晶
冷
07HBS 粒，消除组织缺陷，以获得珠光体+少
量铁素体组织
加热 860~900℃，保温，油 48~54 淬火温度高，淬透性中等，变形较大，
扩散后的渗 层深度/mm
0.5~0.6 0.7~0.8 0.8~0.9 1.2~1.3
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
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℃。
85%SiC+10%B4C+5%KBF4) 。 渗层
0.115~0.139mm 1689~1789 HV0.1
表： 56~62 HRC 心： 35~40 HRC 60~65 HRC 表： 58~62 HRC 心： 35~40 HRC
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
表面形成高硬度的硼化物层而心部为 淬火组织
表 2.2 工件装炉修正系数
工件装炉方式
修正系数
1.0
1.4 1.3
1.7
钢材 碳钢
表 2.3 工件加热温度 空气电阻炉的 a 值（min/mm）
0.9~1.1
2.10 正火工艺曲线
正火工艺曲线图见图 2.1
盐浴炉的 a 值 25~30
4
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温度
温度 (℃)
650 空气
时间 (m in)
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。
1.4 20CrMnTi 钢的相变点/℃
钢号
Ac1
Ac3
Ar1
20CrMnTi
730
820
690
1.5 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
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2.1 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。
20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺
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20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺
1. 前言
1.1 20CrMnTi 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。
可得t = a × K × D。
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20CrMnTi 齿轮钢的热处理工艺
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2.7 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。