20CrMnTi鋼有無稀土滲碳熱處理表面強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檢測研究院有限公司，遼寧 大連 116000）

20CrMnTi作為一種常規滲碳鋼，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，具有較高的強度和韌性，特別是具有較高的低溫沖擊韌性。常規熱處理有退火、正火、淬火、回火、調質和穩定化處理等等[1]。金屬材料表面化學熱處理是表面合金化與熱處理相結合的一種表面處理技術。它是利用元素擴散性能，使合金元素滲人金屬表面的一種熱處理工藝。常規的化學熱處理有滲碳、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的一種熱處理工藝，是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。工藝簡單、成本低廉、性價比高[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、擴散過程及內部原子結構，從而提高催滲效果，從而起到微合金化作用，改變滲層組織結構并細化組織，并在提高滲層深度強度和硬度的同時，韌性也得到一定程度的提高，可達到改善滲碳工藝的產品質量，提高產品性能的目的[5]。

1 結果與分析

1.1 不同表面強化層的20CrMnTi顯微組織

1.1.1 普通熱處理的20CrMnTi顯微組織

如圖1所示為實驗中制備的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有滲層，在實驗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所示為實驗中制備的在箱式電阻爐920℃溫度下，保溫5小時滲碳后又經過840℃保溫20min進行水淬、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，經過滲碳處理后的樣品的滲層呈現白色光亮，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。同時在最表面有一層約為30μm厚的均勻致密的層結構，這是由于淬火后表面組織細化。而材料表面細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所示為實驗中制備的稀土含量5%，箱式電阻爐中920℃下保溫5小時稀土滲碳后進行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，經過稀土含量為5%的稀土滲碳處理后的樣品由滲碳層、過渡層、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+細小顆粒狀碳化物+少量殘余奧氏體。在增加稀土滲碳過程中，馬氏體的尺寸減小，組織細小，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化滲層組織。

1.2 不同表面強化層20CrMnTi鋼滲層硬度測試

對制備得到的不同表面強化層的20CrMnTi鋼試樣進行了滲層硬度測試。在HX-1000型自動測量數顯顯微硬度計設置試驗力為HV0.1，載荷施加時間為10s，將試樣放在200×的物鏡下找到滲層并施加壓力。測量壓痕對角線寬度，得到顯微硬度值，從每個樣品的滲層表層開始測量，由滲層表層向中心每次間距0.1mm依次進行測量，對每個樣品公測量八個點，整理得到數據如表1。

表1 不同表面強化層20CrMnTi鋼材料滲層硬度

從表1中可以看到經過普通淬火、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，過渡層硬度慢慢下降，基體硬度值約350HV。在經過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，隨著打點位置向心部移動，硬度也逐漸降低，由此可見在經歷過表層不同強化熱處理后，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試后，可得出結論：稀土含量為5%的稀土滲碳熱處理的20CrMnTi鋼的表面強化層的硬度值最高可達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，晶體結構更致密，稀土元素在這一過程中起到催滲的作用，從而使硬度增加。

1.3 不同表面強化層的20CrMnTi鋼滲層的X射線衍射分析

將不同表面強化層：普通熱處理、滲碳熱處理、稀土滲碳熱處理的試樣進行X射線衍射分析，得到結果如下。

對直接熱處理的試樣進行X射線衍射分析得到結果如圖4，材料表面物質只有Fe，因為普通熱處理并沒有改變它的化學成分。

圖4 普通熱處理的20CrMnTi材料的X射線衍射圖

對滲碳熱處理和稀土含量為5%的稀土滲碳熱處理的試樣進行X射線衍射分析得到結果如圖5，圖（a）顯示材料表面物質α-Fe和Fe碳化物。圖（b）材料表面物質Fe和Fe碳化物。相較于滲碳X射線衍射分析結果，稀土滲碳的衍射峰值強度更高，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 結論

本文以20CrMnTi鋼材料為研究對象，對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化層的組織及性能。結果如下：

（1）在化學熱處理中加入稀土元素在化學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）在經歷過表層不同強化熱處理后，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鋼的表面強化層的硬度值最高，說明稀土滲碳熱處理在加強表面硬度上是所比較的熱處理中效果最好。