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[摘 要]本文对渗碳齿轮钢20CrMnTi的不同加热温度等温正火工艺进行了分析，通过对比试验对渗碳齿轮钢20CrMnTi的亚温加热等温正火工艺进行研究。
[关键词]20CrMnTi；亚温加热；等温正火；金相组织；硬度
中图分类号：TG162.73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）36-0259-01
1 课题简介
近几年我国汽车工业飞速发展，汽车齿轮特别是载重汽车、工程汽车齿轮需求量激增。汽车齿轮、传动轴等重要零件一般均采用低合金渗碳钢制造（大多采用20CrMnTi材料），经锻造、预先热处理、切削加工、渗碳、淬火、回火等多道冷热加工工序后获得高的表面硬度和较好的心部韧性，使工件具有耐磨、耐疲劳和耐点蚀等良好的特性。
等温正火工艺能够提高机械加工效率、为最终热处理准备均匀的组织、同时大大降低热处理生产成本、具有显著的节能降耗效果，可以很好的解决预先热处理需要解决的问题。
采用亚温加热等温正火工艺，加热温度进一步降低，能降低热处理生产成本，节能降耗。
亚温热处理加热温度在Ac1和Ac3之间 ，使亚共析钢获得铁素体（F）和奥氏体两相混合组织，加热温度比普通正火低50%～70%，有利于降低能耗，延长热处理设备使用寿命，减少机械零件的热处理变形和开裂倾向 ，提高产品的力学性能。由于亚温正火加热温度低，减少了组织应力，并保持有少量的游离F和细小残余奥氏体，使冲击韧性有较大的提高。
从等温正火所要得到的组织分析，如果亚温加热同样能得到合理的晶粒度及等轴铁素体+珠光体（P）晶粒的话，将是本次实验的追求结果。
2 研究目的
本设计主要通过对比试验研究能否以低温加热等温正火工艺替代目前广泛采用的高温加热等温正火工艺，从而達到在不降低热处理质量的前提下降低能耗、改善切削性能及为最终热处理做组织准备的目的。
3 试验方案
3.1 实验材料及等温正火工件技术要求
本次试验采用20CrMnTi，属于亚共析合金结构钢，材料原始组织是经锻造后正火。材料切割成大小约Φ4mm×3mm的试样采用DSC404C进行处理。
金相组织要求：均匀等轴状F+P，不允许有粒状贝氏体组织。晶粒度：5-8级。带状组织：≤3级。硬度范围：155-207HV
3.2 亚温加热等温正火工艺参数的确定
查询热处理技术手册，可以得到20CrMnTi材料的的Ac3温度为825℃，Ac1温度为727℃。
本次试验亚温加热温度在Ac1～Ac3之间选择，设定为800℃。正火工艺的加热温度按照Ac3+（30～50）℃计算，设定为860℃。为与传统的等温正火工艺相比较，另一等温正火加热温度定为930℃。
等温正火的加热保温时间与常规正火的加热保温时间一致。合金钢按每20mm保温60min[2]。本次试样的有效厚度3mm，按单面加热计算，确定保温时间为10min，为确定保温时间对带状组织的影响补充保温时间为45min的实验。
根据20CrMnTi的等温转变曲线，其孕育期在600℃之间最短，同时参考现行的等温正火工艺方案选择冷却温度为：550℃、600℃、650℃。
根据材料的等温转变曲线同时兼顾试样的有效厚度，等温时间应比曲线上要求的等温转变时间长。试验中观察到相变在等温时间开始不久就转变完成，故将等温时间设为15min。为研究等温时间对组织及性能的影响补充等温时间为60min的实验。
3.3 工艺方案确定（表1）
3.4 试验主要设备
SX2-6-13号加热炉、DSC404C、T12系列红外测温仪、普通金相显微镜4×C、Nikon EPIPHOT 300型显微镜、FM-700型显微维氏硬度计。
4 实验结果与分析
处理后的试样金相检验的主要内容及评定依据：
金相组织形态：正常组织应为等轴的F+P；
珠光体含量：网格法计算；
组织的晶粒度粗细：《GB 6394-2002金属平均晶粒度测定方法》；
带状组织级别：《GB/T13299-91带状组织评级》。
4.1 加热温度的影响及原因
4.1.1 加热温度对组织影响及原因
组织及分析：20CrMnTi分别在930℃、860℃加热，在550℃～650℃等温后的显微组织全部为等轴P+T。P含量控制在20%～50%之间且变化规律与加热温度无明显关联；晶粒度在8～9级，随加热温度降低组织略有细化；带状组织级别在0级～3级且与加热温度无明显关联。
800℃加热条件下的试样金相组织是分布均匀的F+P，组织粗细、带状组织及硬度指标也符合技术要求。但是观察高倍显微镜下的组织可以发现其组织不全是等轴的F+P，F晶界不清晰，部分P没有聚集成团，比较细小分散，即其组织不均匀。
4.1.2 加热温度对硬度影响及原因
600℃与650℃等温处理的试样硬度随加热温度降低而变大，550℃等温处理的试样硬度没有明显变化。分析原因是在较高的加热温度下原子扩散比较容易，使奥氏体晶粒之间相互吞并以减少晶粒表面积即减少晶界尺寸，从而晶粒长大比较快。因此当加热温度较高时奥氏体晶粒长大导致转变后的组织较粗，相应的硬度也较低。
4.2.1 加热保温时间对组织的影响及原因
试样等温时间延长至45min处理后的显微组织全部为等轴F+P。虽然800℃加热条件下的组织与900℃相比珠光体团比较分散，大小也不均匀，但是已经能够达等温正火工艺的技术要求，且带状组织最严重时不超过1级。因此适当延长加热保温时间可以使奥氏体更加均匀化，等温转变后得到符合技术要求的金相组织。
本组实验试样中的带状组织主要是由C偏析造成的，保温时间延长C得到充分扩散，带状组织得到改善，但是对冷却过程中由于F首先形成而导致的带状组织并无改善，所以试样仍然有部分带状。
4.2.2 加热保温时间对硬度的影响及原因
当加热温度相同等温温度相同时，保温45min处理的硬度值相对较小。在一定范围内保温时间长短对材料硬度无明显影响，但保温时间过长会导致硬度减小。
5 结论
研究的亚温加热等温正火工艺不能替代现行的高温等温正火工艺。亚温加热等温正火加热温度在800～825℃，等温温度在550～650℃之间，控制加热时间及前期冷却速度能够得到符合要求的显微组织和硬度，但是显微组织质量不如传统等温正火质量好。处理后材料具有良好的机加工性能。在设定的温度范围内，由于加热保温时间的延长，不仅没有达到节能降耗效果，反而耗能高。
[关键词]20CrMnTi；亚温加热；等温正火；金相组织；硬度
中图分类号：TG162.73 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）36-0259-01
1 课题简介
近几年我国汽车工业飞速发展，汽车齿轮特别是载重汽车、工程汽车齿轮需求量激增。汽车齿轮、传动轴等重要零件一般均采用低合金渗碳钢制造（大多采用20CrMnTi材料），经锻造、预先热处理、切削加工、渗碳、淬火、回火等多道冷热加工工序后获得高的表面硬度和较好的心部韧性，使工件具有耐磨、耐疲劳和耐点蚀等良好的特性。
等温正火工艺能够提高机械加工效率、为最终热处理准备均匀的组织、同时大大降低热处理生产成本、具有显著的节能降耗效果，可以很好的解决预先热处理需要解决的问题。
采用亚温加热等温正火工艺，加热温度进一步降低，能降低热处理生产成本，节能降耗。
亚温热处理加热温度在Ac1和Ac3之间 ，使亚共析钢获得铁素体（F）和奥氏体两相混合组织，加热温度比普通正火低50%～70%，有利于降低能耗，延长热处理设备使用寿命，减少机械零件的热处理变形和开裂倾向 ，提高产品的力学性能。由于亚温正火加热温度低，减少了组织应力，并保持有少量的游离F和细小残余奥氏体，使冲击韧性有较大的提高。
从等温正火所要得到的组织分析，如果亚温加热同样能得到合理的晶粒度及等轴铁素体+珠光体（P）晶粒的话，将是本次实验的追求结果。
2 研究目的
本设计主要通过对比试验研究能否以低温加热等温正火工艺替代目前广泛采用的高温加热等温正火工艺，从而達到在不降低热处理质量的前提下降低能耗、改善切削性能及为最终热处理做组织准备的目的。
3 试验方案
3.1 实验材料及等温正火工件技术要求
本次试验采用20CrMnTi，属于亚共析合金结构钢，材料原始组织是经锻造后正火。材料切割成大小约Φ4mm×3mm的试样采用DSC404C进行处理。
金相组织要求：均匀等轴状F+P，不允许有粒状贝氏体组织。晶粒度：5-8级。带状组织：≤3级。硬度范围：155-207HV
3.2 亚温加热等温正火工艺参数的确定
查询热处理技术手册，可以得到20CrMnTi材料的的Ac3温度为825℃，Ac1温度为727℃。
本次试验亚温加热温度在Ac1～Ac3之间选择，设定为800℃。正火工艺的加热温度按照Ac3+（30～50）℃计算，设定为860℃。为与传统的等温正火工艺相比较，另一等温正火加热温度定为930℃。
等温正火的加热保温时间与常规正火的加热保温时间一致。合金钢按每20mm保温60min[2]。本次试样的有效厚度3mm，按单面加热计算，确定保温时间为10min，为确定保温时间对带状组织的影响补充保温时间为45min的实验。
根据20CrMnTi的等温转变曲线，其孕育期在600℃之间最短，同时参考现行的等温正火工艺方案选择冷却温度为：550℃、600℃、650℃。
根据材料的等温转变曲线同时兼顾试样的有效厚度，等温时间应比曲线上要求的等温转变时间长。试验中观察到相变在等温时间开始不久就转变完成，故将等温时间设为15min。为研究等温时间对组织及性能的影响补充等温时间为60min的实验。
3.3 工艺方案确定（表1）
3.4 试验主要设备
SX2-6-13号加热炉、DSC404C、T12系列红外测温仪、普通金相显微镜4×C、Nikon EPIPHOT 300型显微镜、FM-700型显微维氏硬度计。
4 实验结果与分析
处理后的试样金相检验的主要内容及评定依据：
金相组织形态：正常组织应为等轴的F+P；
珠光体含量：网格法计算；
组织的晶粒度粗细：《GB 6394-2002金属平均晶粒度测定方法》；
带状组织级别：《GB/T13299-91带状组织评级》。
4.1 加热温度的影响及原因
4.1.1 加热温度对组织影响及原因
组织及分析：20CrMnTi分别在930℃、860℃加热，在550℃～650℃等温后的显微组织全部为等轴P+T。P含量控制在20%～50%之间且变化规律与加热温度无明显关联；晶粒度在8～9级，随加热温度降低组织略有细化；带状组织级别在0级～3级且与加热温度无明显关联。
800℃加热条件下的试样金相组织是分布均匀的F+P，组织粗细、带状组织及硬度指标也符合技术要求。但是观察高倍显微镜下的组织可以发现其组织不全是等轴的F+P，F晶界不清晰，部分P没有聚集成团，比较细小分散，即其组织不均匀。
4.1.2 加热温度对硬度影响及原因
600℃与650℃等温处理的试样硬度随加热温度降低而变大，550℃等温处理的试样硬度没有明显变化。分析原因是在较高的加热温度下原子扩散比较容易，使奥氏体晶粒之间相互吞并以减少晶粒表面积即减少晶界尺寸，从而晶粒长大比较快。因此当加热温度较高时奥氏体晶粒长大导致转变后的组织较粗，相应的硬度也较低。
4.2.1 加热保温时间对组织的影响及原因
试样等温时间延长至45min处理后的显微组织全部为等轴F+P。虽然800℃加热条件下的组织与900℃相比珠光体团比较分散，大小也不均匀，但是已经能够达等温正火工艺的技术要求，且带状组织最严重时不超过1级。因此适当延长加热保温时间可以使奥氏体更加均匀化，等温转变后得到符合技术要求的金相组织。
本组实验试样中的带状组织主要是由C偏析造成的，保温时间延长C得到充分扩散，带状组织得到改善，但是对冷却过程中由于F首先形成而导致的带状组织并无改善，所以试样仍然有部分带状。
4.2.2 加热保温时间对硬度的影响及原因
当加热温度相同等温温度相同时，保温45min处理的硬度值相对较小。在一定范围内保温时间长短对材料硬度无明显影响，但保温时间过长会导致硬度减小。
5 结论
研究的亚温加热等温正火工艺不能替代现行的高温等温正火工艺。亚温加热等温正火加热温度在800～825℃，等温温度在550～650℃之间，控制加热时间及前期冷却速度能够得到符合要求的显微组织和硬度，但是显微组织质量不如传统等温正火质量好。处理后材料具有良好的机加工性能。在设定的温度范围内，由于加热保温时间的延长，不仅没有达到节能降耗效果，反而耗能高。