【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(dòng)齒輪。其淬透性較高，在保證淬透情況下，具有較高的強(qiáng)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(dāng)好 [6]。 20CrMnTi 鋼的化學(xué)成分如表 11 所示。表 11 20CrMnTi 鋼的化學(xué)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(jī)工業(yè)用于截面在 30mm 以下，承受高速、中或重負(fù)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(dòng)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(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度。除材料本身性能外 , 還可依靠齒輪的表面強(qiáng)化處理來(lái)實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)。心部具有足夠的強(qiáng)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(dòng)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(diǎn)。當(dāng)心部性能確定后，滲層組織和性能對(duì)使用壽命具有決定性作用。滲層的組織要求為馬氏體和細(xì)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(chǔ)備。 試驗(yàn)設(shè)備及儀器本次試驗(yàn)主要的實(shí)驗(yàn)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(jì)及圖象分析系統(tǒng)、鑲樣機(jī)、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(shí)驗(yàn)室作化學(xué)分析、加溫、熱處理、物理測(cè)定和一般小型鋼件熱處理時(shí)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(shí)間，能手動(dòng)設(shè)置加熱步驟，然后自動(dòng)執(zhí)行命令，而且它的精度更高，升溫平穩(wěn)，清潔性也相對(duì)較好，適用于溫度變化對(duì)實(shí)驗(yàn)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(wú)限遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)、完善的觀察功能、先進(jìn)的圖像采集分析系統(tǒng)，可進(jìn)行自動(dòng)智能管理、控制操作、圖像分析并生成報(bào)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(dòng)主機(jī)和控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)載物臺(tái)的機(jī)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(tái)上。④ 粗調(diào)旋鈕，視場(chǎng)逐漸變亮，微調(diào)至圖像清晰。調(diào)節(jié)物臺(tái)旋鈕找到試樣的觀測(cè)區(qū)域。⑤ 調(diào)節(jié)光強(qiáng)、孔徑光闌和視場(chǎng)光闌至視場(chǎng)亮度適中，圖象反差依需要而定。⑥ 進(jìn)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(tái)調(diào)至低位。⑧ 罩上儀器罩，清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，填寫儀器使用記錄。HXD1000TMC/LCD 顯微硬度計(jì)及圖象分析系統(tǒng)（圖 22） 。儀器用于測(cè)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(cè)量及曲線繪制，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量、統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)告存儲(chǔ)打印，還可用于觀察和拍攝金相顯微組織。包括機(jī)體、升降工作臺(tái)、物鏡壓頭轉(zhuǎn)塔、自動(dòng)加載機(jī)構(gòu)、攝像照明系統(tǒng)、測(cè)微目鏡系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、圖象分析系統(tǒng)等。本次實(shí)驗(yàn)選擇的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：200gf 的試驗(yàn)力，試驗(yàn)力保持時(shí)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(cè)物體對(duì)抗另一硬物體壓入的能力。測(cè)量?jī)x器是顯微硬度計(jì)，它實(shí)際上是一臺(tái)設(shè)有加負(fù)荷裝置且?guī)в心跨R測(cè)微器的顯微鏡。測(cè)定時(shí)，將試樣置于顯微硬度計(jì)的載物臺(tái)上，通過(guò)加負(fù)荷裝置對(duì)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(gè)菱形凹坑，測(cè)量凹坑對(duì)角線長(zhǎng)度，根據(jù)所加負(fù)荷及凹坑對(duì)角線長(zhǎng)度就可計(jì)算出所測(cè)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(duì)象為 136176。的金剛石四棱錐作壓入頭，其值按下式計(jì)算:HV= = 212)sin(dp?式中: HV——維氏硬度；Α——正方形四棱角錐體，二相對(duì)面夾角（規(guī)定為 136176。） ；ｐ——荷重，g；D——凹坑對(duì)角線長(zhǎng)度，μm。努普硬度是用對(duì)棱角為 170176。30′，和 130176。的金剛石四棱錐作壓入頭，其值按下式計(jì)算： 2222149LpctgHk????式中：HK10——努普硬度；Α——正方形四棱角錐體，二相對(duì)面夾角（規(guī)定為 170176。30′） ；β——相對(duì)于短對(duì)角線的夾角（規(guī)定為 130176。） ；ｐ——荷重，g；L——凹坑對(duì)角線長(zhǎng)度，μm [8]。具體操作規(guī)程：① 確認(rèn)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(tái)上，并粗調(diào)高度，嚴(yán)禁碰撞物鏡和壓頭；② 接通電源，啟動(dòng)主機(jī)和控制系統(tǒng)，選擇載荷大小及保荷時(shí)間；③ 微調(diào)手輪，視場(chǎng)逐漸變亮，至試樣表面像清晰為止。轉(zhuǎn)動(dòng)微分筒找到試樣的待測(cè)部位；④ 進(jìn)行自動(dòng)加載測(cè)量程序，測(cè)定各點(diǎn)壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度及顯微硬度；⑤ 測(cè)試中，如需調(diào)校壓痕位置和照明系統(tǒng)等，應(yīng)主動(dòng)報(bào)告；⑥ 測(cè)試完畢，關(guān)閉電源，將儀器恢復(fù)到使用前狀態(tài)，物臺(tái)降至低位；⑦ 蓋上儀器罩，清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，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(jì)第 3章 20CrMnTi 鋼的液體碳氮共滲實(shí)驗(yàn)內(nèi)容根據(jù)合金滲碳鋼的成份特點(diǎn)，采用液體碳氮共滲的工藝進(jìn)行化學(xué)熱處理，研究在液體碳氮共滲的熱處理?xiàng)l件下，合金滲碳鋼的表面組織、性能特點(diǎn)，分析具體熱處理?xiàng)l件下工藝參數(shù)的改變對(duì)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(diǎn)。 總體實(shí)驗(yàn)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(cè)試等。 具體工藝及參數(shù)確定在第二章中已經(jīng)對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的總體工藝進(jìn)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(jìn)一步詳細(xì)確定。 預(yù)先熱處理工藝確定在生產(chǎn)上對(duì)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(jìn)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(shí)，可用正火來(lái)提高強(qiáng)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(duì)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?yàn)楹剂扛?，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(lái)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?yàn)閷?shí)驗(yàn)材料為齒輪，考慮到齒輪本身表面含碳量較高，達(dá)到％~％，故采用球化退火來(lái)降低表面的硬度。 球化退火溫度 球化退火溫度為 720℃，因?yàn)榍蚧嘶鸬臏囟纫话銥锳1+（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(shí)間 球化退火保溫時(shí)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