20CrMnTi鋼有無(wú)稀土滲碳熱處理表面強(qiáng)化層的組織及性能研究

陶思偉，張 鑫

（大連鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院有限公司，遼寧 大連 116000）

20CrMnTi作為一種常規(guī)滲碳鋼，含碳量通常為0.17%~0.24%的低碳鋼。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。常規(guī)熱處理有退火、正火、淬火、回火、調(diào)質(zhì)和穩(wěn)定化處理等等[1]。金屬材料表面化學(xué)熱處理是表面合金化與熱處理相結(jié)合的一種表面處理技術(shù)。它是利用元素?cái)U(kuò)散性能，使合金元素滲人金屬表面的一種熱處理工藝。常規(guī)的化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮、滲硼、碳氮共滲和硼碳共滲等等[2，3]。滲碳是金屬材料最常見(jiàn)的一種熱處理工藝，是指使碳原子滲入到鋼表面層的過(guò)程。工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、性價(jià)比高[4]。在滲碳劑里加入少量稀土元素可以改善滲碳劑的裂解、界面反應(yīng)、擴(kuò)散過(guò)程及內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)，從而提高催滲效果，從而起到微合金化作用，改變滲層組織結(jié)構(gòu)并細(xì)化組織，并在提高滲層深度強(qiáng)度和硬度的同時(shí)，韌性也得到一定程度的提高，可達(dá)到改善滲碳工藝的產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品性能的目的[5]。

1 結(jié)果與分析

1.1 不同表面強(qiáng)化層的20CrMnTi顯微組織

1.1.1 普通熱處理的20CrMnTi顯微組織

如圖1所示為實(shí)驗(yàn)中制備的840℃保溫20min水淬、185℃回火保溫90min的20CrMnTi鋼材料放大100倍的金相照片。

從圖1中可以看到普通熱處理后的20CrMnTi鋼表面組織存在著回火馬氏體和少量白色小顆粒鐵素體。而材料表面細(xì)粒狀碳化物分布的不均勻，所以帶有原始組織帶狀偏析的痕跡。普通熱處理的試樣沒(méi)有滲層，在實(shí)驗(yàn)中僅作為比較試樣使用。

1.1.2 滲碳處理的20CrMnTi顯微組織

如圖2所示為實(shí)驗(yàn)中制備的在箱式電阻爐920℃溫度下，保溫5小時(shí)滲碳后又經(jīng)過(guò)840℃保溫20min進(jìn)行水淬、185℃回火保溫90min的20CrMnTi鋼材料的放大100倍的金相照片。

從圖2可以看出，經(jīng)過(guò)滲碳處理后的樣品的滲層呈現(xiàn)白色光亮，厚度約為0.1mm，表面組織為高碳回火馬氏體+碳化物+少量殘余奧氏體。同時(shí)在最表面有一層約為30μm厚的均勻致密的層結(jié)構(gòu)，這是由于淬火后表面組織細(xì)化。而材料表面細(xì)粒狀碳化物分布的不均勻，所以帶有原始組織帶狀偏析的痕跡。感應(yīng)加熱使得表面溫度較高，得到了表面化合物層較為致密。

1.1.3 稀土滲碳處理的20CrMnTi顯微組織

如圖3所示為實(shí)驗(yàn)中制備的稀土含量5%，箱式電阻爐中920℃下保溫5小時(shí)稀土滲碳后進(jìn)行840℃保溫20min水淬、185℃回火保溫90min的20CrMnTi鋼材料放大100倍的金相照片。

圖3 稀土滲碳后做熱處理的100倍20CrMnTi鋼材料的顯微組織

從圖3可以看出，經(jīng)過(guò)稀土含量為5%的稀土滲碳處理后的樣品由滲碳層、過(guò)渡層、基體組織三部分組成，滲層較深，厚度約為0.4mm。表面組織為馬氏體+細(xì)小顆粒狀碳化物+少量殘余奧氏體。在增加稀土滲碳過(guò)程中，馬氏體的尺寸減小，組織細(xì)小，在表面層中有大量分散的粒狀碳化物析出物，形成了良好的超顯微組織和殘余奧氏體組織，顯微組織硬度顯著增加。所以增加稀土可以細(xì)化滲層組織。

1.2 不同表面強(qiáng)化層20CrMnTi鋼滲層硬度測(cè)試

對(duì)制備得到的不同表面強(qiáng)化層的20CrMnTi鋼試樣進(jìn)行了滲層硬度測(cè)試。在HX-1000型自動(dòng)測(cè)量數(shù)顯顯微硬度計(jì)設(shè)置試驗(yàn)力為HV0.1，載荷施加時(shí)間為10s，將試樣放在200×的物鏡下找到滲層并施加壓力。測(cè)量壓痕對(duì)角線寬度，得到顯微硬度值，從每個(gè)樣品的滲層表層開(kāi)始測(cè)量，由滲層表層向中心每次間距0.1mm依次進(jìn)行測(cè)量，對(duì)每個(gè)樣品公測(cè)量八個(gè)點(diǎn)，整理得到數(shù)據(jù)如表1。

表1 不同表面強(qiáng)化層20CrMnTi鋼材料滲層硬度

從表1中可以看到經(jīng)過(guò)普通淬火、回火處理的20CrMnTi鋼材料的表層硬度398.7HV，由于淬火和回火提高了最表層的硬度值，而基體硬度值約為300HV。從表1中可以看到滲碳熱處理的20CrMnTi鋼材料的表層有0.1mm的碳化物滲層，滲層硬度719HV，基體硬度值約350HV。稀土含量5%滲碳熱處理的20CrMnTi鋼材料的表層有0.4mm的碳化物滲層，滲層硬度824HV，過(guò)渡層硬度慢慢下降，基體硬度值約350HV。在經(jīng)過(guò)兩種表層處理后滲層硬度都有所提升。稀土元素的添加使表面滲層硬度更高，滲層更深，在表面熱處理中起到催滲的作用。

從上表中可以看到，一般距離滲層表層越近，顯微硬度值越大，隨著打點(diǎn)位置向心部移動(dòng)，硬度也逐漸降低，由此可見(jiàn)在經(jīng)歷過(guò)表層不同強(qiáng)化熱處理后，表層的硬度有不同程度的增加。

比較同樣熱處理流程不同種熱處理工藝的試樣測(cè)試后，可得出結(jié)論：稀土含量為5%的稀土滲碳熱處理的20CrMnTi鋼的表面強(qiáng)化層的硬度值最高可達(dá)HV824，是所有參與比較的熱處理中效果最好的。而同種熱處理，因稀土的增加滲層加深，晶體結(jié)構(gòu)更致密，稀土元素在這一過(guò)程中起到催滲的作用，從而使硬度增加。

1.3 不同表面強(qiáng)化層的20CrMnTi鋼滲層的X射線衍射分析

將不同表面強(qiáng)化層：普通熱處理、滲碳熱處理、稀土滲碳熱處理的試樣進(jìn)行X射線衍射分析，得到結(jié)果如下。

對(duì)直接熱處理的試樣進(jìn)行X射線衍射分析得到結(jié)果如圖4，材料表面物質(zhì)只有Fe，因?yàn)槠胀崽幚聿](méi)有改變它的化學(xué)成分。

圖4 普通熱處理的20CrMnTi材料的X射線衍射圖

對(duì)滲碳熱處理和稀土含量為5%的稀土滲碳熱處理的試樣進(jìn)行X射線衍射分析得到結(jié)果如圖5，圖（a）顯示材料表面物質(zhì)α-Fe和Fe碳化物。圖（b）材料表面物質(zhì)Fe和Fe碳化物。相較于滲碳X射線衍射分析結(jié)果，稀土滲碳的衍射峰值強(qiáng)度更高，半高寬更大。

圖5 滲碳、稀土滲碳熱處理的20CrMnTi材料的X射線衍射圖

2 結(jié)論

本文以20CrMnTi鋼材料為研究對(duì)象，對(duì)比研究了普通熱處理、滲碳熱處理、稀土滲碳熱處理不同表面熱處理工藝條件下的表面強(qiáng)化層的組織及性能。結(jié)果如下：

（1）在化學(xué)熱處理中加入稀土元素在化學(xué)熱處理中起到催滲的作用，可以有效的增加滲層深度，使表層更致密從而增加表面硬度，可以有效改善材料表面的耐腐蝕性。

（2）在經(jīng)歷過(guò)表層不同強(qiáng)化熱處理后，表層硬度和基體硬度有不同程度的增加，在其中稀土含量為5%的稀土滲碳熱處理的20CrMnTi鋼的表面強(qiáng)化層的硬度值最高，說(shuō)明稀土滲碳熱處理在加強(qiáng)表面硬度上是所比較的熱處理中效果最好。