【文章內(nèi)容簡介】 傾向。20CrMnTi 鋼是滲碳鋼，通常為含碳量為 %~%的低碳鋼。汽車上多用其制造傳動齒輪。其淬透性較高，在保證淬透情況下，具有較高的強度和韌性，特別是具有較高的低溫沖擊韌性。20CrMnTi 鋼是表面滲碳硬化處理用鋼，良好的加工性，且加工變形微小，抗疲勞性能相當好 [6]。 20CrMnTi 鋼的化學成分如表 11 所示。表 11 20CrMnTi 鋼的化學成分（GB\T 12992022）元素 C Si Mn Cr P S含量 W% ~ ~ ~ ~ ≤ ≤ 20CrMnTi鋼的工作環(huán)境和性能要求20CrMnTi 鋼是應(yīng)用廣泛、用量很大的一種合金結(jié)構(gòu)鋼，用于齒輪 ,軸類，是18CrMnTi 鋼的代用鋼，廣泛用作滲碳零件，在汽車、拖拉機工業(yè)用于截面在 30mm 以下，承受高速、中或重負荷以及受沖擊、摩擦的重要滲碳零件，如齒輪、軸、齒圈、齒輪軸、滑動軸承的主軸、十字頭、爪形離合器、蝸桿等。20CrMnTi 鋼要求有高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。除材料本身性能外 , 還可依靠齒輪的表面強化處理來實現(xiàn)。并具有高的硬度和耐磨性, 以防止粘著磨損和磨粒磨損。耐磨性的提高, 主要依靠提高表面硬度和降低摩擦因數(shù)來實現(xiàn)。心部具有足夠的強度和韌性, 以提高齒輪等零件的承載能力 [7]。此外, 還要求齒輪等具有高的傳動精度。 綜上，20CrMnTi 鋼具備較好的切削加工性及熱處理工藝性等特點。當心部性能確定后，滲層組織和性能對使用壽命具有決定性作用。滲層的組織要求為馬氏體和細小、彌散、球狀分布的合金碳化物。保證滲層組織的核心仍然是淬透性。滲層應(yīng)具有高的硬度、良好的顯微組織、合理的殘余應(yīng)力分布和一定的韌性儲備。 試驗設(shè)備及儀器本次試驗主要的實驗設(shè)備有箱式電阻爐、Leica DMI5000M 倒置金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)、HXD1000TMC/LCD 顯微硬度計及圖象分析系統(tǒng)、鑲樣機、燒杯等。 箱式電阻爐加熱設(shè)備為 箱式爐和 SXG07130 節(jié)能箱式電阻爐， 箱式爐額定加熱溫度為 1000℃，主要用于實驗室作化學分析、加溫、熱處理、物理測定和一般小型鋼件熱處理時加熱之用。由鐵鉻鋁合金絲繞制成螺旋狀的加熱元件穿于內(nèi)爐襯上、下、左、右的絲槽中。爐內(nèi)為密封式結(jié)構(gòu)，電爐的爐口磚，爐門磚采用輕質(zhì)耐火材料，內(nèi)爐與爐殼之間用耐火纖維、膨脹珍珠巖制品砌筑為保溫層。SXG07130 節(jié)能箱式電阻爐額定加熱溫度為 1000℃，加熱原理和構(gòu)造與 箱式爐相似，不同的是它是由數(shù)字顯示溫度和保溫時間，能手動設(shè)置加熱步驟，然后自動執(zhí)行命令，而且它的精度更高，升溫平穩(wěn)，清潔性也相對較好，適用于溫度變化對實驗結(jié)果影響較大的熱處理。Leica DMI5000M 倒置金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)（圖 21）。用于觀察分析材料的金相顯微組織，具有高性能無限遠光學系統(tǒng)、完善的觀察功能、先進的圖像采集分析系統(tǒng)，可進行自動智能管理、控制操作、圖像分析并生成報告；具體操作規(guī)程：① 根據(jù)要求選擇目鏡、物鏡、樣品托盤，從干燥器取出放于鏡座上。② 接通電源，啟動主機和控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)載物臺的機械中心與顯微鏡光軸重合。③ 將充分清潔、干燥的金相試樣放于載物臺上。④ 粗調(diào)旋鈕，視場逐漸變亮，微調(diào)至圖像清晰。調(diào)節(jié)物臺旋鈕找到試樣的觀測區(qū)域。⑤ 調(diào)節(jié)光強、孔徑光闌和視場光闌至視場亮度適中，圖象反差依需要而定。⑥ 進行金相組織觀察、攝取、保存及分析。⑦ 工作結(jié)束，關(guān)閉電源，取下物鏡、目鏡放于干燥器中，蓋上鏡筒防塵蓋，載物臺調(diào)至低位。⑧ 罩上儀器罩，清理實驗現(xiàn)場，填寫儀器使用記錄。HXD1000TMC/LCD 顯微硬度計及圖象分析系統(tǒng)（圖 22） 。儀器用于測定精密零件、金屬組織及滲碳等硬化層的顯微硬度，完成硬化層深度測量及曲線繪制，能夠進行數(shù)據(jù)測量、統(tǒng)計分析、報告存儲打印，還可用于觀察和拍攝金相顯微組織。包括機體、升降工作臺、物鏡壓頭轉(zhuǎn)塔、自動加載機構(gòu)、攝像照明系統(tǒng)、測微目鏡系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、圖象分析系統(tǒng)等。本次實驗選擇的實驗參數(shù)為：200gf 的試驗力，試驗力保持時間 5s，放大倍率 40 倍。顯微硬度是一種壓入鍍層硬度，反映被測物體對抗另一硬物體壓入的能力。測量儀器是顯微硬度計，它實際上是一臺設(shè)有加負荷裝置且?guī)в心跨R測微器的顯微鏡。測定時，將試樣置于顯微硬度計的載物臺上，通過加負荷裝置對四棱錐形的金剛石壓頭加壓。金剛石壓頭壓入試樣后，在試樣表面上產(chǎn)生一個菱形凹坑，測量凹坑對角線長度，根據(jù)所加負荷及凹坑對角線長度就可計算出所測物質(zhì)的顯微硬度值。由于所用金剛石壓頭的形狀不同，顯微硬度又分為維氏（Vickers）顯微硬度和努普（KnooP）硬度兩種。維氏顯微硬度是用對象為 136176。的金剛石四棱錐作壓入頭，其值按下式計算:HV= = 212)sin(dp?式中: HV——維氏硬度；Α——正方形四棱角錐體，二相對面夾角（規(guī)定為 136176。） ；ｐ——荷重，g；D——凹坑對角線長度，μm。努普硬度是用對棱角為 170176。30′，和 130176。的金剛石四棱錐作壓入頭，其值按下式計算： 2222149LpctgHk????式中：HK10——努普硬度；Α——正方形四棱角錐體，二相對面夾角（規(guī)定為 170176。30′） ；β——相對于短對角線的夾角（規(guī)定為 130176。） ；ｐ——荷重，g；L——凹坑對角線長度，μm [8]。具體操作規(guī)程：① 確認儀器處于正常工作狀態(tài)，將試樣用不同方法固定在工作臺上，并粗調(diào)高度，嚴禁碰撞物鏡和壓頭；② 接通電源，啟動主機和控制系統(tǒng)，選擇載荷大小及保荷時間；③ 微調(diào)手輪，視場逐漸變亮，至試樣表面像清晰為止。轉(zhuǎn)動微分筒找到試樣的待測部位；④ 進行自動加載測量程序，測定各點壓痕對角線長度及顯微硬度；⑤ 測試中，如需調(diào)校壓痕位置和照明系統(tǒng)等，應(yīng)主動報告；⑥ 測試完畢，關(guān)閉電源，將儀器恢復(fù)到使用前狀態(tài)，物臺降至低位；⑦ 蓋上儀器罩，清理實驗現(xiàn)場，填寫儀器使用記錄。圖 21 Leica DMI5000M 倒置金相顯微鏡 圖 22 HXD1000TMC/LCD 顯微硬度計第 3章 20CrMnTi 鋼的液體碳氮共滲實驗內(nèi)容根據(jù)合金滲碳鋼的成份特點，采用液體碳氮共滲的工藝進行化學熱處理，研究在液體碳氮共滲的熱處理條件下，合金滲碳鋼的表面組織、性能特點，分析具體熱處理條件下工藝參數(shù)的改變對組織、性能的影響，最終確定給定成份的合金滲碳鋼 20CrMnTi 的液體碳氮共滲工藝參數(shù)及組織、性能特點。 總體實驗步驟用砂紙打磨試樣表面——用丙酮或酒精去污——確定共滲滲劑配方——混合研磨共滲滲劑——將試樣埋入有滲劑的坩堝——按擬定工藝入爐熱處理——打磨熱處理后的后試樣——拋光——腐蝕（4%的硝酸酒精溶液）——金相分析、顯微硬度測試等。 具體工藝及參數(shù)確定在第二章中已經(jīng)對本次實驗的總體工藝進行了綜述，綜合分析材料的成分性能，以及要獲得的適應(yīng)工作環(huán)境的性能，本課題的具體熱處理工藝及參數(shù)需進一步詳細確定。 預(yù)先熱處理工藝確定在生產(chǎn)上對預(yù)先熱處理的應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)鋼種、前后連接的冷熱處理加工工藝、以及最終零件的使用條件等進行。根據(jù)含碳量的不同，按如下原則選擇：第一， 含碳量在 %以下的鋼，在沒有其他熱處理工序時，可用正火來提高強度。第二， 含碳量為 %~%的鋼一般采用正火處理。其中含碳量在 %~%的鋼，正火后其硬度接近于最佳切削加工硬度。對含碳量高的鋼，硬度雖稍高（200HB） ，但由于正火生產(chǎn)率高，成本低，采用正火。第三， 含碳量 %~%，采用完全退火。因為含碳量高，正火硬度太高，不利于切削加工，退火后硬度正好適宜切削。第四， 含碳量 %~%，有的用來制造彈簧，有的制造刀具。前者采用完全退火作預(yù)先熱處理，后者球化退火。第五， 含碳量大于 %的鋼用于制造刀具，均采用球化退火預(yù)先熱處理 [9]。本課題材料 20CrMnTi 鋼，含碳量為 %~%，故本應(yīng)采用的預(yù)先熱處理為正火工藝。但因為實驗材料為齒輪，考慮到齒輪本身表面含碳量較高，達到％~％，故采用球化退火來降低表面的硬度。 球化退火溫度 球化退火溫度為 720℃，因為球化退火的溫度一般為A1+（20~40） ℃，由 20CrMnTi 的 A1 臨界線溫度 715℃，所以確定球化退火的溫度為720℃。 球化退火時間 球化退火保溫時間為 4h 然后隨爐冷至室溫。球化退火熱處理工藝圖如圖 31 所示。 720℃ 4htT／℃圖 31 20CrMnTi 鋼的球化退火熱處理工藝 液體碳氮共滲熱處理工藝確定 液體碳氮共滲劑配方 鹽浴的配比：碳氮共滲鹽浴由中性鹽、碳氮共滲劑組成。中性鹽配比是氯化鉀：氯化鈉=1：1，碳氮共滲劑占鹽浴重量的 4％；碳氮共滲劑配比：木炭粉大于 80 目、活化劑、氯化鉀、氯化鈉，按 8：12：1：1 配比，其中氯化鉀、氯化鈉起增加滲劑比重