渗碳钢
- 渗碳钢通常指需经渗碳淬火、低温回火后使用的钢。它一般为低碳的优质碳素结构钢与合金结构钢，亦可分别称为碳素渗碳钢与合金渗碳钢。其成分特点是低的含碳量，一般为0.1%～0.25%；主要合金元素有Ni、Cr、Mn等，辅助合金元素有W、Mo、V、Ti等。合金渗碳钢具有较高的淬透性。不少机器零件如汽车、拖拉机的变速箱齿轮，内燃机上的凸轮、活塞销以及部分量具等，均采用渗碳钢制造。
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渗碳钢主要用于制造齿轮、凸轮、活塞销等零件。
渗碳钢主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机上凸轮轴、活塞销等。
渗碳钢的预先热处理通常采用正火，对于高淬透性的渗碳钢，可采用空冷淬火后高温回火，获得回火索氏体组织，改善切削加工性能。渗碳钢的最终热处理一般都是在渗碳后进行直接淬火或一次淬火，180～200℃低温回火。处理后工件表面硬度一般为58～64HRC，心部的组织和硬度则取决于钢的淬透性和截面尺寸大小。
近年来，生产中采用渗碳钢直接进行淬火加低温回火处理，获得低碳马氏体组织，用来制造某些综合力学性能要求较高的零件（如传递动力的轴、重要的螺栓等）。在某些场合，它还可以替代经调质处理的中碳钢或中碳合金钢，取得了良好的使用效果。
其热处理的特点是，对于低强度的15Cr和20Cr多则，渗碳后应直接淬火或二次淬火;中强度的20CrMnTi钢渗碳后应直接淬火;高强度的18Cr2Ni4W4钢渗碳后应采取空冷、高温回火，这样能使零件满足其在机械性能上的要求。
渗碳钢制拖链和不渗碳钢制拖链的区别钢铝拖链的主体是由链板（优质钢板镀铬）支撑板（挤拉铝合金）轴销（合金钢）等部件组成，使电缆或橡胶管与拖链之间不产生相对运动，不产生扭曲变形，链板经镀铬处理外形效果新颖...
圆钢一般都是低碳钢，螺纹有高碳钢也有普通钢的。
低碳钢、高碳钢、中碳钢含碳量的划分范围是：低碳钢(WC ≤ 0.25%),中碳钢(WC0.25%-0.6%)和高碳钢(WC>0.6%)。
渗碳钢（carlmrizing steel）一种机械结构钢。通常是含碳量较低（0.10%～0.25%）的碳素钢和合金钢（主要合金元素有Cr、Ni、Mn、B等）。制成的零件一般经渗碳、淬火和低温回火后使用。主要用作表面硬度高、耐磨、心部具有较高韧性的零件，如齿轮等。常用的渗碳钢有15、20、20Cr、20Mn2B、20Cr2Ni4、1 8Cr2Ni4W等。
渗碳钢大致可分为碳素渗碳钢和合金渗碳钢。渗碳钢中碳的质量分数一般约为0.1%～0.3%，其牌号主要是15钢和20钢。这类渗碳钢经渗碳及随后的淬火、同火处理，其表面硬度可以达到58～64HRC，具有较好的耐磨性。但是由于这类渗碳钢的淬透性较低，只能适用于心部强度要求不高、承受负载较小的小尺寸零件，如衬套、链条片以及量具、夹具等。
合金渗碳钢由于是在低碳碳素钢的基础上，加入了各种不同化学成分的合金元素，如Cr、Mo、Ni、Mn、Ti、V等，可抑制奥氏体晶粒长大，提高淬透性和增加回火稳定性，所以，能改善渗碳钢的工艺性能。这类合金渗碳钢主要用于制作轴类、齿轮类、销杆类、链轮类等承受负载较大的零件。按照淬透性的大小，合金钢渗碳钢还可分为以下三类：淬透性一般的渗碳钢，如15Cr、20Cr和20MnV等；淬透性较好的渗碳钢，如20CrMo、20CrMnTi等；淬透性最好的渗碳钢，如12CrNi3A、12Cr2Ni4A和18Cr2Ni4WA等。
渗碳用钢的选用应根据工件的服役条件及尺寸的大小来确定。对承受一定冲击载荷、有一定耐磨要求的工件，如起重、采矿、运输等设备的普通齿轮，可选用20CrMo钢和20CrMnTi钢等；对承受重载及尺寸较大的工件，如大型轧钢机减速器齿轮、大型锥齿轮、坦克齿轮等，可选用12Cr2Ni4A钢或18Cr2Ni4WA钢等。
还可以根据淬透性不同，可将渗碳钢分为三类：
①低淬透性渗碳钢：典型钢种如20、20Cr等，其淬透性和心部强度均较低，水中临界直径不超过20~35mm。只适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，如小轴、小齿轮、活塞销等。
②中淬透性渗碳钢：典型钢种如20CrMnTi等，其淬透性较高，油中临界直径约为25~60mm，力学性能和工艺性能良好，大量用于制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。
③高淬透性渗碳钢：典型钢种如18Cr2Ni4WA等，其油中临界直径大于100mm，且具有良好的韧性，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克的曲轴和齿轮等。
渗碳钢的热处理一般是渗碳后进行淬火及低温回火，以获得高硬度的表层及强而韧的心部。根据钢的成分的差异，常用的热处理方法有以下几种。
（1）渗碳后预冷直接淬火及低温回火
这种方法适用于合金元素含量较低又不易过热的钢，如20CrMnTi、20CrTi等。
（2）一次淬火
渗碳后缓冷至室温，重新加热淬火并低温回火。适用于渗碳时易过热的碳钢、低合金钢工件及固体渗碳后的零件等。
（3）两次淬火
渗碳后缓冷至室温，重新加热两次淬火并低温回火。适用于本质粗晶粒钢及对性能要求很高的工件，但生产周期长，成本高，易脱碳氧化和变形。
对于合金化程度较高的18Cr2Ni4WA等钢种，如果渗碳后预冷淬火，渗层将存在大量残留奥氏体，使硬度降低。为此，生产上采用渗碳空冷后进行高温回火，使残留奥氏体分解，然后再进行加热淬火和低温回火。
热处理和组织特点渗碳件一般的工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火 低温回火→磨削。渗碳温度为900~950℃，渗碳后的热处理通常采用直接淬火加低温回火，但对渗碳时易过热的钢种如20、20Mn2等，渗碳后需先正火，以消除晶粒粗大的过热组织，然后再淬火和低温回火。淬火温度一般为Ac1 30~50℃。使用状态下的组织为：表面是高碳回火马氏体加颗粒状碳化物加少量残余奥氏体（硬度达HRC58~62），心部是低碳回火马氏体加铁素体（淬透）或铁素体加托氏体（未淬透）。
渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是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。一般渗碳的温度为900~950℃，淬火温度为800~850℃油淬，回火温度为180~200℃。
具有高碳的耐磨层和低碳的高强韧性心部，能承受巨大的冲击载荷、接触应力和耐磨。汽车、工程机械和机器制造等行业中，大量使用的齿轮，是渗碳钢应用中最具有代表性的实例。
渗碳钢常用的合金钢系列主要是CrMn系、Cr-Mo 系和Cr-Ni-Mo系等。
保证渗碳钢心部的组织和性能的核心是淬透性。一般用途的渗碳钢件的心部组织为50%左右的马氏体加其他非马氏体组织。重要用途(如航空渗碳齿轮)，心部组织亦应为马氏体或马氏体/贝氏体组织。提高淬透性的常用合金元素有铬、锰、镍、钼和硼。从合金化的经济角度考虑，CrMn系(特别是含硼钢)值得推荐，但就生产和使用的角度而言，Cr-Mo 系钢更为优越。重要用途的、高质量要求的渗碳钢一般均含有一定量的钼，尤其是对于重载的大型渗碳件更需要。
当心部性能确定后，渗层组织和性能对其使用寿命具有决定性作用。渗层的组织要求为全马氏体和细小、弥散、球状分布的合金碳化物。保证渗层组织的核心仍然是淬透性。渗层应具有高的硬度、良好的显微组织、合理的残余应力分布和一定的韧性储备。
1、用途渗碳钢主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机上凸轮轴、活塞销等。
2、性能要求①表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧;②具有良好的热处理工艺性能，如高的淬透性和渗碳能力，在高的渗碳温度下，奥氏体晶粒长大倾向小以便于渗碳后直接淬火。
3、成分特点①低碳:含碳量一般为0.1~0.25%，以保证心部有足够的塑性和韧性，碳高则心部韧性下降。②合金元素:主加元素为Cr、Mn、Ni、B等，它们的主要作用是提高钢的淬透性，从而提高心部的强度和韧性;辅加元素为W、Mo、V、Ti等强碳化物形成元素，这些元素通过形成稳定的碳化物来细化奥氏体晶粒，同时还能提高渗碳层的耐磨性。
4、热处理和组织特点渗碳件一般的工艺路线为:下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火→磨削。渗碳温度为900~950℃，渗碳后的热处理通常采用直接淬火加低温回火，但对渗碳时易过热的钢种如20、20Mn2等，渗碳后需先正火，以消除晶粒粗大的过热组织，然后再淬火和低温回火。淬火温度一般为Ac1+30~50℃。使用状态下的组织为:表面是高碳回火马氏体加颗粒状碳化物加少量残余奥氏体(硬度达HRC58~62)，心部是低碳回火马氏体加铁素体(淬透)或铁素体加托氏体(未淬透)。
5、常用钢种
根据淬透性不同，可将渗碳钢分为三类:
①低淬透性渗碳钢:典型钢种如20、20Cr等，其淬透性和心部强度均较低，水中临界直径不超过20~35mm。只适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，如小轴、小齿轮、活塞销等。
②中淬透性渗碳钢:典型钢种如20CrMnTi等，其淬透性较高，油中临界直径约为25~60mm，力学性能和工艺性能良好，大量用于制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。
③高淬透性渗碳钢:典型钢种如18Cr2Ni4WA等，其油中临界直径大于100mm，且具有良好的韧性，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克的曲轴和齿轮等。
根据机器零件的工作条件及对性能的要求，渗碳钢的化学成分有以下特点。
1．低碳
含碳量一般为ωC=0.10%～0.25%。渗碳钢的含碳量实际上是渗碳零件心部的含碳量，这对于保证心部有足够的塑性和韧性是十分必要的。若含碳量过低，表面的渗碳层易于剥落；含碳量过高，则心部的塑性和韧性下降，并使表层的压应力减少，从而降低弯曲疲劳强度。
2．加入提高淬透性的合金元素
提高心部的强度将提高齿轮的承载能力，并防止渗层剥落。而心部的强度则取决于钢中含碳量及淬透性。当淬透性足够时，心部得到全部位错马氏体组织；如淬透性不足，则出现非马氏体组织。常加入的合金元素有Cr、Mn、Ni、B、Mo、W和Si等。Ni对渗层和心部的韧性和强度都十分有利，因而高级渗碳钢中都含有较多的Ni。
3．加入阻止奥氏体晶粒长大的元素
渗碳工艺是在910～930℃高温下进行的，为了阻止奥氏体晶粒长大，渗碳钢用以铝脱氧的本质细晶粒钢。Mn在钢中有促进奥氏体晶粒长大的倾向，所以在含Mn渗碳钢中常加入少量的V、Ti等阻止奥氏体晶粒长大的元素。
此外，为了提高渗层的碳浓度、渗层深度和渗入速度，可加入碳化物形成元素Cr、Mo、W等，非碳化物形成元素Si、Ni等则降低渗层碳浓度及厚度。但是碳化物形成元素过多，则导致渗层碳浓度分布曲线过陡，块状碳化物增多，降低渗层性能，所以对钢中合金元素的种类及数量必须全面考虑。
渗碳钢球化渗碳工艺研究
渗碳钢球化渗碳工艺研究
研究了20CrMnTi钢渗碳层中碳化物形态对渗碳件力学性能的影响。结果表明:碳化物形态的改善可进一步提高零件的耐磨性;当碳化物呈球状均匀分布时,其耐磨性更优于网状。
齿轮用渗碳钢20CrMnTi渗碳畸变的研究
齿轮用渗碳钢20CrMnTi渗碳畸变的研究
用正交试验法研究了渗碳温度、碳势和淬火温度对汽车用20CrMnTi钢渗碳变形的影响。结果表明,渗碳温度、碳势和淬火温度对渗碳畸变有很大影响,其中碳势的影响最为显著。随着渗碳温度的升高,会造成奥氏体晶粒的增加,从而使渗碳畸变量增加;当碳势升高时,会在表面形成不良碳化物,使渗碳畸变量增加,同时也使材料的力学性能有所降低;当淬火温度升高时,由于热应力和组织应力的升高,也会造成渗碳畸变量增加。
轴承君在拜访客户时遇到客户定轴承时，想提高轴承使用寿命，要求厂家在定做轴承时采用渗碳钢制造，并且规定了渗碳钢牌号：G20CrNi2Mo。但是这种材料真的适合吗？
一、G20Cr2Ni4A
G20Cr2Ni4A的强度大，其淬透性比G0CrNi2Mo钢好，用它加工重载工件在使用性能上可以得到保证。
G20Cr2Ni4A的热处理工艺复杂。G0Cr2Ni4A普通正火得到的为马氏体组织或马氏体与贝氏体混合组织，这样的组织硬度大，切削加工困难，为此轴承锻坯的预备热处理工艺应为正火坑冷(灰冷)或进行高温回火。
由于切削加工困难，此种渗碳钢常用来制造轴承。应为轴承无需大量的切削加工，同时轴承需要很强的淬透性因此是制造渗碳钢轴承的理想材料。
二、G20CrNi2Mo
G20CrNi2Mo钢中的合金元素为Cr、Ni、Mo，其中Cr、Mo为碳化物形成元素，Ni为非碳化物形成元素。碳化物形成元素可以在渗碳时增加表面碳浓度，使得碳浓度梯度变陡，非碳化物形成元素则可减少表面碳浓度，使碳浓度变平缓，G20CrNi2Mo钢中碳化物形成元素与非碳化物形成元素相互配合可使渗碳钢有较好的渗碳能力。
Mo的加入使钢的晶粒细化，降低了钢的过热敏感性，使得钢在高温下长时间渗碳时晶粒不易长大。此外，Mo的另一显著作用是改善了钢中碳化物的形态。细小且呈球状的碳化物不但可以提工件的接触疲劳强度，而且可以提高其弯曲疲劳强度和耐磨性。
G20CrNi2Mo与G20Cr2Ni4A相比具有良好的切削性能，因此，是制造渗碳钢齿轮的理想材料。
三、渗碳层深度
渗碳层深度主要受渗碳温度、渗碳时间和碳势等因素的影响。
碳在工件中的扩散系数随着温度的升高而急剧增加。当温度一定时，渗层深度与渗碳时间呈抛物线的关系，可见温度和时间对渗层深度起主要影响。在时间、气氛相同的条件下，提高渗碳温度，可以大大加快渗碳速度，使得表面碳浓度高，浓度梯度平缓。降低渗碳温度，效果则相反，因此提高渗碳温度对加速渗碳有利。一般对于浅层渗碳，对时间的控制要求很高，浅层渗碳温度不宜太高，若温度太高，渗碳时间不宜控制，会影响渗层的深度，同时温度太高心部组织易于粗化，增加心部的淬透性，使心部硬度超差。
我国对渗碳层的深度有明确的标准，渗碳层深度与渗碳钢材料无关。
从上表看出，渗碳层的深度要按照工件的厚度来确定。
1. 用途
主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。
2. 性能要求
(1) 表面渗碳层硬度高，以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性。
(2) 心部具有高的韧性和足够高的强度。心部韧性不足时，在冲击载荷或过载作用下容易断裂；强度不足时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。
(3) 有良好的热处理工艺性能 在高的渗碳温度（900℃～950℃）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。
3. 成分特点
(1)低碳：碳含量一般为0.10%～0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。
(2) 加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等。
(3) 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。
4.钢种及牌号
20Cr低淬透性合金渗碳钢。这类钢的淬透性低，心部强度较低。
20CrMnTi中淬透性合金渗碳钢。这类钢淬透性较高、过热敏感性较小，渗碳过渡层比较均匀，具有良好的机械性能和工艺性能。
18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A高淬透性合金渗碳钢。这类钢含有较多的Cr、Ni等元素，淬透性很高，且具有很好的韧性和低温冲击韧性。
5. 热处理和组织性能
合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接淬火，再低温回火。 热处理后，表面渗碳层的组织为合金渗碳体 回火马氏体 少量残余奥氏体组织，硬度为60HRC～62HRC。心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关，完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为40HRC～48HRC；多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体，硬度为25HRC～40HRC。心部韧性一般都高于700KJ/m2。
G20CrNi2Mo渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈，在使用过程中出现开裂现象。由于该轴承产量高，使用部位关键，为避免再出现同样的开裂现象，必须找出其产生失效的原因。本文通过宏观分析、微观分析、扫描电镜的分析，就开裂的原因进行了讨论。
1．外圈开裂宏观特征
失效的渗碳钢制圆锥滚子轴承外圈外表面除有一条贯通的、且与轴线平行的开裂裂纹外，还有两条源自大裂缝的散射细裂纹。除两端及中部非工作区外，套圈上有两道大的磨损区，呈不同的亮白色光泽带。从距端面约20mm的磨损区边缘开始分布有多条“刻度”状细小直裂纹，方向与大裂纹平行，最长的40mm左右，多数为5～10mm，如图1、图2所示。这些特征说明，贯通的大裂纹是由这些细小裂纹之一发展而成。
2．断口扫描电镜检查 外圈原始大裂纹的断口宏观特征如图3所示，呈现脆断特征，在外圈断口外表面“刻度”裂纹区对应的断口处能见到疲劳源特征，如图4所示。据此可判断套圈的开裂为疲劳脆断。
在扫描电镜下检查发现，疲劳源区位于套圈外表面的白亮带中，如图5、图6所示，从不同放大倍率的断口组织可以看到该白亮区位于渗碳淬火层的表面，即靠近套圈的外表面处。疲劳区域以下的渗碳淬火层开裂呈解理开裂特征，如图7所示，说明疲劳开裂不久就发生了一次性的快速断裂。套圈心部的断口组织以韧窝为主，是由于心部为较软的板条马氏体组织所致，如图8所示。 外圈外表面上的白亮磨损区大量的细小开裂在扫描电镜下的细节如图9所示，可以看出这些细小开裂都平行于贯通的主开裂，与外圈表面上的磨损方向完全垂直。在与小开裂平行方向制成的金相试样的磨损区进行显微硬度对比测试发现，磨损区以下约0．1mm深度的截面上的硬度值比渗碳淬火层的硬度高（见图10），这说明套圈外表面上的磨损区产生了硬化现象，磨损硬化层硬度为923HV、941HV，渗碳淬火层硬度为730HV、719HV。
3．金相组织检查 外表面磨损区有一层约0．05mm厚的耐浸蚀白亮区， 白亮区之下为正常的渗碳淬火层，即细小针状马氏体组织（见图11），套圈心部为板条状淬火马氏体组织（见图12）。
4．化学成分分析 能谱分析如图13所示，成分分析见附表，能谱和化学分析都表明套圈材料的化学成分符合G20CrNi2Mo标准要求。
5．结语
（1）开裂套圈材料的化学成分、渗碳热处理工艺及金相组织正常。
（2）套圈的开裂属疲劳引起的脆性断裂，疲劳源位于套圈外表面磨擦损伤硬化区。
（3）轴承在磨削加工时表面有磨削烧伤或二次硬化现象，轴承在运行中外圈有偏载滑动磨损现象，导致轴承外圈在磨擦损伤区中产生了硬化和开裂。同时运行中套圈受到较大的压力，在套圈四周方向上产生较大交变拉应力，促成了磨损区表面的细小开裂并引发疲劳源萌生，最终造成套圈贯穿性开裂。
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