20CrNiMo

1.概述
??? 20CrNiMo系引進美國的AISI/SAE標準的鋼號8620，淬透性與20CrNi鋼相近，強度比20CrNi鋼高。該鋼是廣泛用于滲碳和碳氮共滲的一種表面硬化鋼。淬火狀態(tài)的表面硬度一般約為37～43HRC，淬透性相當高，有良好的可鍛性和可焊性，但在焊接時應該用合金鋼的焊接操作方法，以使其對焊接裂紋的敏感性減少到最低程度。切削加工性相當好。當生產(chǎn)過程中用鉛作添加劑時，可以大大改善切削加工性能而不會降低熱處理敏感性。
??? 常用于制造中小型汽車、拖拉機的發(fā)動機和傳動系統(tǒng)中的齒輪，也可替代12CrNi3鋼制造要求心部性能較高的滲碳和碳氮共滲零件，如石油鉆探和冶金采礦用的牙輪轉頭的牙爪和牙輪體。

2.化學成分
??? 化學成分見表2-1

表2-1? 化學成分(質(zhì)量分數(shù))/%

CSiMnCrMoPSCuNi0.17～0.230.17～0.370.60～0.900.40～0.700.20～0.30≤0.035≤0.035≤0.300.35～0.75

注：摘自GB3072－1999

3.力學性能

表3-1? 力學性能

試樣毛坯尺寸/mm熱處理力學性能鋼材退火或
高溫回火供
應狀態(tài)布氏
硬度
HB10/3000
不大于淬火回火抗拉強度
/MPa屈服點
/MPa斷后
生產(chǎn)率/％斷面
收縮率/％沖擊
吸收功/J加熱溫度/℃冷卻劑加熱溫度/℃冷卻劑第一次
淬火第二次
淬火不小于15850-油200空980785?94045197

注：摘自GB3072－1999

4.物理性能
臨界點/℃

表4-1? 臨界點/℃

Ac1Ac3Ar3Ar1730830770660

等溫轉變曲線

圖4-1 20CrNiMo鋼的等溫轉變曲線

(試驗鋼的化學成分，％：C0.20，Si0.38，Mn0.9，P0.023，S0.009，Cr0.89，
Ni1.02，Mo0.34；原始狀態(tài)：正火+高溫回火，奧氏體化，860℃，20分鐘)

5.熱處理
5.1??常用熱處理操作工藝
5.1.1 正常化：加熱到925℃，空冷。
5.1.2 退火：正?；蚣訜岬?85℃，迅速冷卻到660℃，保持4h，這樣所得到的組織具有最好的機械切削加工性能；另一種方法是加熱到790℃,迅速冷卻到660℃并保持8h。
5.1.3 滲碳：一般地說，20CrNiMo鋼的滲碳操作和其它低碳鋼、普通碳鋼和合金鋼的滲碳操作是一樣的，由于裝箱固體滲碳方法效率低，僅用于高度專業(yè)化的零件。常常采用液體滲碳，但主要是用它來得到比較薄的滲碳層。任何一種有專利權的熔融鹽浴都可采用，溫度范圍一般在870℃～925℃。通常，零件是從滲碳溫度直接淬火。該鋼最常用的氣體滲碳，這是一種易于控制的效率大得到的方法。
5.1.4 氣體滲氮：對20CrNiMo鋼來說許多不同的工藝均有效，但下列工藝用得比較廣泛
????●在925℃得制備好的含碳氣氛中滲碳4h，要求的碳勢一般為0.90％左右
????●溫度降低到845℃，碳勢降低到接近于共析成分，然后擴散1h
????●油淬
????●在150℃回火1h。
??? 采用上述任何一種工藝可得到約為1.3mm的總滲碳層。用較長的周期可以得到較深的滲碳層，但這是得不償失的，因為用增加滲碳時間得到較厚得滲碳層在消耗能量方面是很昂貴的。滲碳層的深度可以通過增加滲碳溫度按指數(shù)規(guī)律地增加，但是這種方法在經(jīng)濟上也不合算，因為加熱爐得合金和耐熱合金材料在925℃左右得惡化速度可能非常之快，因此爐子維護費用很高。最經(jīng)濟的深層滲碳方法是應用真空爐滲碳，這種爐子可在高達1095℃的溫度下工作。
5.1.5 碳氮共滲：為了得到薄的銼刀硬度碳氮共滲層，該鋼通常在845℃的溫度下和在添加10％無水氨的含碳氣氛中進行碳氮共滲。曾經(jīng)采用790℃～900℃的溫度，但是845℃似乎最普遍。零件直接從碳氮共滲溫度油淬。正如滲碳時一樣，增加碳氮共滲溫度下的時間，碳氮共滲層的深度也會增加。采用845℃的碳氮共滲溫度，在約15min內(nèi)就可以得到約0.305mm深的碳氮共滲層。
5.1.6 回火：所有滲碳或碳氮共滲的零件都在150℃回火，實際上不會降低滲層的硬度。如果容許降低某些硬度，可以在稍高的硬度（260℃以下）下回火以增加韌性。

圖5-1 20CrNiMo鋼頂端淬火淬透性

(成分，％：C0.18，Mn0.79，Ni0.52，Cr0.52，Mo0.19。
奧氏體化900℃。晶粒度9～10級)

圖5-2? 20CrNiMo鋼奧氏體化溫度與硬度深度的關系

(A：900℃保持15min，伊普森爐；B：1000℃保持15min，伊普森爐；C：1100℃
保持15min，馬弗爐和伊普森爐。距表面深度：1：0.3mm；2：2.5mm)

圖5-3??冷卻時間和硬度深度的關系

從730℃冷卻至540℃～260℃的時間，845℃淬火

圖5-4??氣體滲碳

在井式循環(huán)爐中滲碳，在不同滲碳溫度從下保持7.5小時，
滲碳氣氛為12％CH4， 心部含有0.22％的碳。
○ －925℃，●－900℃；△－870℃

圖5-5??液體滲碳

滲碳層的硬度梯度。9次試驗，分散度是因為標準的變化而引起的

圖5-6?

表5-1?

至淬火表面
的距離/mm1.583.164.746.327.909.4811.0612.6414.2215.8017.3818.96硬度HRC41～
4837～
4732～
4427～
4123～3721～34323029282726至淬火表面
的距離/mm20.5422.1223.7025.2828.4431.6034.7637.9241.0844.2447.4050.56硬度HRC252524242323232323222222

20CrNiMo鋼頂端淬火淬透性

圖5-7??20CrNiMo鋼頂端淬火淬透性

頂端淬火的結果和理論曲線的對比

圖5-8? 20CrNiMo鋼液體滲碳產(chǎn)生的碳梯度

試驗直徑19mm，長51mm，910℃滲碳8h

圖5-9? 20CrNiMo鋼滲碳層深度和含碳0.4％及硬度59HRC的關系

??? 25.4mm直徑的試樣用生產(chǎn)齒輪的方法在雙列式連續(xù)氣體滲碳爐中并用含天然氣的富化吸熱式氣氛和擴散工藝進行處理；在卸料端通過空氣。至50HRC處有效滲碳層深度是在漸開線點形和齒根圓角的接合處的齒輪牙齒橫截面兩端之間的顯微硬度橫截線上測量的。（a）至含碳0.4％處的滲碳層深度，48次試驗。25.4mm直徑的棒材在650℃的鉛液中回火。（b）至50HRC處的滲碳層深度，47次試驗。齒輪在160℃回火

圖5-10??20CrNiMo鋼硬度與回火溫度的關系

(圖中硬度是以完全淬火組織為基礎的平均值)

圖5-11 20CrNiMo鋼碳、氮和硬試梯度

圖5-12 20CrNiMo鋼碳、氮和硬試梯度??? 在845℃的輻射管狀分批爐中碳氮共滲4h。試驗采用標準的碳氮共滲工藝。試驗的試樣在23Kg的齒輪和軸類零件中一起進行碳氮共滲。碳氮共滲氣氛用紅外線控制設備進行控制，包括控制14.1m3/h的吸熱式氣體、0.71m3/h的氨氣，0.01m3/h～0.02m3/h的丙烷以及0.32％～0.34％的CO2。在整個碳氮共滲周期內(nèi)，氣氛的露點保持在-7℃～-6℃之間。所有的試樣都從碳氮共滲溫度845℃滲入熱油中淬火。

圖5-13? 碳氮共滲

圖5-14? 碳氮共滲

??? 裝料載荷為齒輪，342Kg凈重，總重459Kg，有磚襯加熱室的分批室狀爐，用輻射管加熱；在密閉式前室淬火。爐室尺寸為：1422mm寬，1676mm長，1092mm高。載體氣：吸熱式氣體，流量為21.2m3/h，氨氣流量為1.1m3/h在共滲溫度達到33min以后開始使用這一流量。在整個碳氮共滲周期內(nèi)發(fā)生器的露點為-15℃～-14℃。加熱室的壓力：1.5mm～2.0mm水柱。共滲溫度為815℃，淬火溫度為815℃。（a）溫度和露點的變化；（b）得到的碳梯度 。

圖5-15? 20CrNiMo鋼的氣體滲碳

圖5-16? 20CrNiMo鋼的氣體滲碳??? 軸，171Kg凈重，總重440Kg。爐子前室密封式淬火，有磚襯加熱室，用輻射管加熱；。載體氣：吸熱式氣體，流量為21.8m3/h，氣體滲碳溫度保溫5h53min。富化氣：丙烷流量為0.28m3/h，在滲碳溫度通氣3h59min（66％的周期時間），氣體發(fā)生器的露點：1℃～4℃。加熱室的壓力：2.5mm～3.6mm水柱。925℃滲碳，淬火溫度為845℃。
（a）滲碳的爐溫和氣氛條件；（b）得到的碳梯度

圖5-17? 20CrNiMo鋼氣體滲碳

圖5-20? 20CrNiMo鋼氣體滲碳

??? 環(huán)形齒輪，231Kg凈重，總重390Kg，井式金屬套電加熱爐。整個加熱周期在滲碳穩(wěn)定為6h。吸熱式氣體，流量為2.83m3/h。富化氣為天然氣，在滲碳溫度下流量為0.34m3/h，保持2.5h。發(fā)生器的露點為-6℃～-4℃。加熱室的壓力：5.1mm～7.9mm水柱。滲碳溫度為925℃。從925℃在冷卻井中緩慢地冷卻。在周期結束時的氣氛為：20.8％CO，0.4％CO2，34％H2，0％O2，0.8％CH4。
（a）滲碳的爐溫和氣氛條件；（b）得到的碳梯度

圖5-21? 20CrNiMo鋼氣體滲碳

圖5-22? 20CrNiMo鋼氣體滲碳

??? 環(huán)形齒輪，231Kg凈重，總重390Kg，井式金屬套電加熱爐。吸熱式氣體在滲碳溫度下的流量為2.83m3/h，保持5.25h。富化氣流量在滲碳開始時為0.34m3/h，3h后關掉富化氣。發(fā)生器的露點為-4℃～-3℃。加熱室的壓力：8.6mm～11mm水柱。滲碳溫度為925℃。而后在冷卻井中緩慢地冷卻。
（a）滲碳的爐溫和氣氛條件；（b）得到的碳梯度

圖5-23? 20CrNiMo鋼滲層深度與滲碳時間及滲碳溫度的關系(試樣直徑12.7mm，厚度6.4mm，在855℃滲碳，油淬，在150℃回火，49℃處理)

圖5-24? 20CrNiMo鋼的氣體滲碳

圖5-25? 20CrNiMo鋼的氣體滲碳

??? 軸，245Kg凈重，總重298Kg。井式金屬套電加熱爐。載體氣：吸熱式氣體，流量為2.83m3/h，氣體滲碳溫度保溫5h5min。富化氣為天然氣，流量為0.3m3/h，在滲碳溫度通氣2h50min（66％的周期時間），氣體發(fā)生器的露點：-4℃～-3℃。加熱室的壓力：9.9mm～12mm水柱。925℃滲碳，淬火溫度為845℃。
（a）滲碳的爐溫和氣氛條件；（b）得到的碳梯度

圖5-26? 20CrNiMo鋼的滲碳時間和溫度對硬度的影響

圖5-27? 20CrNiMo鋼的滲碳時間和溫度對硬度的影響

圖5-28? 20CrNiMo鋼的滲碳時間和溫度對硬度的影響

（試樣直徑19mm，長51mm，滲碳，空冷，重新在845℃的中性鹽浴中加熱，180℃鹽浴中淬火）
（a）870℃滲碳；（b）900℃滲碳；（c）925℃滲碳