淺析20CrMnTi碳氮共滲組織與性能

1 碳氮共滲工藝簡介

碳氮共滲是指將碳原子與氮原子同時滲入工件表面的一種化學熱處理工藝，主要適用于齒輪、軸等要求表面有較高耐磨性且心部有較好韌性的零部件。與滲碳或滲氮工藝相比，有如下特點：

（1）氮的滲入降低了鋼的臨界點。由于氮是擴大γ相區的合金元素，可以降低滲層的相變溫度，碳氮共滲可以在較低的溫度進行，溫度不易過熱，便于直接淬火，且淬火變形小。

（2）氮的滲入增加了共滲層過冷奧氏體的穩定性，降低了臨界淬火速度。采用碳氮共滲工藝比滲碳淬火的冷卻方式緩和，減少了零件變形開裂的傾向。

（3）碳氮同時滲入，提高了擴散系數。

（4）碳氮共滲層比滲碳層具有較高的耐磨性、耐腐蝕性和疲勞強度；比滲氮層具有較高的抗壓強度和較低的表面脆性。

2 選材與工藝參數確定

20CrMnTi是滲碳鋼，通常為含碳量為0.17%～0.24%，其淬透性較高。在保證淬透的情況下，20CrMnTi具有較高的強度和韌性、良好的加工性，且加工變形較小，特別是抗疲勞性能與低溫沖擊韌性相當好，多用于制造汽車傳動齒輪。

碳氮共滲根據溫度不同可分為低溫碳氮共滲（700℃～760℃）、中溫碳氮共滲（760℃～860℃）和高溫碳氮共滲（860℃～960℃）。其中應用最多的為中溫碳氮共滲，主要特點是處理溫度較滲碳低，且工藝時間短，滲層性能好，適用面廣。

根據合金滲碳鋼的特點，最好采用液體碳氮共滲的工藝進行化學熱處理。實驗中采用共滲劑為木炭粉大于80目、活化劑、氯化鉀、氯化鈉，按8：12：1：1配比，具體熱處理工藝為：

（1）碳氮共滲溫度選擇在820℃～860℃之間，共滲時間為2～3h；

（2）利用淬火和低溫回火進行滲后熱處理，使零件強化。具體采用840℃～880℃直接淬火方式，淬火時間為15min，且以室溫下機油做為淬火介質；淬火后進行180℃低溫回火2h，使工件達到要求。

3 碳氮共滲后的組織

碳氮共滲直接淬火后，試樣組織從表層到心部依次為碳氮化物層、過渡層、心部基體組織。表層碳氮化物層具體為少量粒狀碳氮化合物+含碳氮的馬氏體+少量殘余奧氏體；過渡層組織為含碳氮的馬氏體+網狀鐵素體；心部為鐵素體+少量低碳馬氏體。通過觀察金相組織，發現共滲溫度為860℃時，滲層組織形貌最好，且共滲時間為3h的滲層組織要比2h的滲層組織更均勻和致密。具體金相組織圖片如圖所示：

圖1 加熱860℃保溫3h滲層 200×

圖2 加熱860℃保溫2h滲層 200×

圖3 加熱860℃保溫3h過渡層 200×

圖4 加熱860℃保溫2h過渡層 200×

圖5 加熱860℃保溫3h心部 200×

圖6 加熱860℃保溫2h心部 200×

4 碳氮共滲后的力學性能

試樣經過碳氮共滲化學熱處理，主要改變的是工件的表層組織性能，使其表面具有高硬度、高耐磨性、抗高溫氧化性、高耐蝕性及較高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度等良好的力學性能。與滲碳相比，氮的加入增加了共滲層過冷奧氏體的穩定性，降低了臨界淬火速度，提高了零件淬透性，并且增強了固溶強化效果，使共滲層的最高硬度值更高。