20CrMnTi钢有无稀土渗碳热处理表面强化层的组织及性能研究

陶思伟，张 鑫

（大连锅炉压力容器检验检测研究院有限公司，辽宁 大连 116000）

20CrMnTi作为一种常规渗碳钢，含碳量通常为0.17%~0.24%的低碳钢。其淬透性较高，在保证淬透情况下，具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性。常规热处理有退火、正火、淬火、回火、调质和稳定化处理等等[1]。金属材料表面化学热处理是表面合金化与热处理相结合的一种表面处理技术。它是利用元素扩散性能，使合金元素渗人金属表面的一种热处理工艺。常规的化学热处理有渗碳、渗氮、渗硼、碳氮共渗和硼碳共渗等等[2，3]。渗碳是金属材料最常见的一种热处理工艺，是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。工艺简单、成本低廉、性价比高[4]。在渗碳剂里加入少量稀土元素可以改善渗碳剂的裂解、界面反应、扩散过程及内部原子结构，从而提高催渗效果，从而起到微合金化作用，改变渗层组织结构并细化组织，并在提高渗层深度强度和硬度的同时，韧性也得到一定程度的提高，可达到改善渗碳工艺的产品质量，提高产品性能的目的[5]。

1 结果与分析

1.1 不同表面强化层的20CrMnTi显微组织

1.1.1 普通热处理的20CrMnTi显微组织

如图1所示为实验中制备的840℃保温20min水淬、185℃回火保温90min的20CrMnTi钢材料放大100倍的金相照片。

从图1中可以看到普通热处理后的20CrMnTi钢表面组织存在着回火马氏体和少量白色小颗粒铁素体。而材料表面细粒状碳化物分布的不均匀，所以带有原始组织带状偏析的痕迹。普通热处理的试样没有渗层，在实验中仅作为比较试样使用。

1.1.2 渗碳处理的20CrMnTi显微组织

如图2所示为实验中制备的在箱式电阻炉920℃温度下，保温5小时渗碳后又经过840℃保温20min进行水淬、185℃回火保温90min的20CrMnTi钢材料的放大100倍的金相照片。

从图2可以看出，经过渗碳处理后的样品的渗层呈现白色光亮，厚度约为0.1mm，表面组织为高碳回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体。同时在最表面有一层约为30μm厚的均匀致密的层结构，这是由于淬火后表面组织细化。而材料表面细粒状碳化物分布的不均匀，所以带有原始组织带状偏析的痕迹。感应加热使得表面温度较高，得到了表面化合物层较为致密。

1.1.3 稀土渗碳处理的20CrMnTi显微组织

如图3所示为实验中制备的稀土含量5%，箱式电阻炉中920℃下保温5小时稀土渗碳后进行840℃保温20min水淬、185℃回火保温90min的20CrMnTi钢材料放大100倍的金相照片。

图3 稀土渗碳后做热处理的100倍20CrMnTi钢材料的显微组织

从图3可以看出，经过稀土含量为5%的稀土渗碳处理后的样品由渗碳层、过渡层、基体组织三部分组成，渗层较深，厚度约为0.4mm。表面组织为马氏体+细小颗粒状碳化物+少量残余奥氏体。在增加稀土渗碳过程中，马氏体的尺寸减小，组织细小，在表面层中有大量分散的粒状碳化物析出物，形成了良好的超显微组织和残余奥氏体组织，显微组织硬度显著增加。所以增加稀土可以细化渗层组织。

1.2 不同表面强化层20CrMnTi钢渗层硬度测试

对制备得到的不同表面强化层的20CrMnTi钢试样进行了渗层硬度测试。在HX-1000型自动测量数显显微硬度计设置试验力为HV0.1，载荷施加时间为10s，将试样放在200×的物镜下找到渗层并施加压力。测量压痕对角线宽度，得到显微硬度值，从每个样品的渗层表层开始测量，由渗层表层向中心每次间距0.1mm依次进行测量，对每个样品公测量八个点，整理得到数据如表1。

表1 不同表面强化层20CrMnTi钢材料渗层硬度

从表1中可以看到经过普通淬火、回火处理的20CrMnTi钢材料的表层硬度398.7HV，由于淬火和回火提高了最表层的硬度值，而基体硬度值约为300HV。从表1中可以看到渗碳热处理的20CrMnTi钢材料的表层有0.1mm的碳化物渗层，渗层硬度719HV，基体硬度值约350HV。稀土含量5%渗碳热处理的20CrMnTi钢材料的表层有0.4mm的碳化物渗层，渗层硬度824HV，过渡层硬度慢慢下降，基体硬度值约350HV。在经过两种表层处理后渗层硬度都有所提升。稀土元素的添加使表面渗层硬度更高，渗层更深，在表面热处理中起到催渗的作用。

从上表中可以看到，一般距离渗层表层越近，显微硬度值越大，随着打点位置向心部移动，硬度也逐渐降低，由此可见在经历过表层不同强化热处理后，表层的硬度有不同程度的增加。

比较同样热处理流程不同种热处理工艺的试样测试后，可得出结论：稀土含量为5%的稀土渗碳热处理的20CrMnTi钢的表面强化层的硬度值最高可达HV824，是所有参与比较的热处理中效果最好的。而同种热处理，因稀土的增加渗层加深，晶体结构更致密，稀土元素在这一过程中起到催渗的作用，从而使硬度增加。

1.3 不同表面强化层的20CrMnTi钢渗层的X射线衍射分析

将不同表面强化层：普通热处理、渗碳热处理、稀土渗碳热处理的试样进行X射线衍射分析，得到结果如下。

对直接热处理的试样进行X射线衍射分析得到结果如图4，材料表面物质只有Fe，因为普通热处理并没有改变它的化学成分。

图4 普通热处理的20CrMnTi材料的X射线衍射图

对渗碳热处理和稀土含量为5%的稀土渗碳热处理的试样进行X射线衍射分析得到结果如图5，图（a）显示材料表面物质α-Fe和Fe碳化物。图（b）材料表面物质Fe和Fe碳化物。相较于渗碳X射线衍射分析结果，稀土渗碳的衍射峰值强度更高，半高宽更大。

图5 渗碳、稀土渗碳热处理的20CrMnTi材料的X射线衍射图

2 结论

本文以20CrMnTi钢材料为研究对象，对比研究了普通热处理、渗碳热处理、稀土渗碳热处理不同表面热处理工艺条件下的表面强化层的组织及性能。结果如下：

（1）在化学热处理中加入稀土元素在化学热处理中起到催渗的作用，可以有效的增加渗层深度，使表层更致密从而增加表面硬度，可以有效改善材料表面的耐腐蚀性。

（2）在经历过表层不同强化热处理后，表层硬度和基体硬度有不同程度的增加，在其中稀土含量为5%的稀土渗碳热处理的20CrMnTi钢的表面强化层的硬度值最高，说明稀土渗碳热处理在加强表面硬度上是所比较的热处理中效果最好。