渗碳合金结构钢(carburised alloy structural steel)
经表面渗碳和适当热处理的低碳合金钢简称渗碳钢。经过这种工艺处理的零件整体有足够高的强度和韧性，而表面则具有高硬度和耐磨性。这类钢是表面硬化合金结构钢中开发最早，用途最广的一种。它们广泛用于制造齿轮、销杆及轴类等，在使用过程中承受弯曲、冲击、交变等多种负荷，而且相互之间还有一定接触应力导致相对摩擦的零部件。
技术要求 渗碳钢应具备的主要性能有：强度、韧性、表面硬度和工艺性能。
强度 渗碳钢要有足够高的强度。例如齿轮在渗碳后心部应有足够高的屈服强度，以保证齿轮齿部经受弯曲负荷时，在渗碳层出现裂纹以前，心部或过渡层不发生塑性变形。实践证明，随着心部强度的提高，渗碳层的强度也随之提高。
冲击韧性 渗碳钢要有良好的冲击韧性。由于渗碳层的硬度高，而韧性较低，在冲击负荷下，渗碳件往往在渗碳层先产生裂纹。因此，为了要提高渗碳件的韧性，首先要改善渗碳层的组织，提高渗碳层的韧性，使裂纹不易产生。其次，要使心部具有高的韧性，以便一旦渗碳层形成裂纹，不会迅速扩展到整个断面，发生脆性破坏。
表面硬度 渗碳钢的表面层要有高的硬度(HRc56～63)，才能有好的耐磨性，保证渗碳件不过早磨损或因接触疲劳破坏而失效。
工艺性能 渗碳钢应具有一般结构钢所具有的锻造性、切削性。在热处理方面，除要求过热敏感性小和淬火变形小以外，还要求有良好的渗碳适应性，即渗碳速度快、表面碳含量适合、过渡层平缓、渗碳层的残余奥氏体量少等。
合金化 其目的主要是提高钢的淬透性。根据渗碳零件的非均质特点，渗碳钢的合金化应从基体(心部)和渗层两个方面来考虑。
合金化对渗碳钢心部性能的影响与一般结构钢是一样的。为了使心部具有较高的强度，首先必须有一定的碳含量。碳含量太低，强度达不到要求，但是过高的碳含量会使钢的塑性和韧性下降。渗碳钢的碳含量一般为0.10％～0.25％。个别钢种碳含量高到0.30％～0.35％，虽然强度提高，但脆性增大。其次，必须有足够的淬透性。淬透性提高了，渗碳件在淬火时心部能得到马氏体组织，不易出现游离铁素体和非淬火组织，从而保证心部的强度和韧性。提高淬透性的元素有硅、锰、镍、铬、钼、钨、硼等。合金元素对基体淬透性的影响见图1。此外，渗碳钢必须有低的晶粒长大敏感性，以保证渗碳和以后的淬火加热时奥氏体晶粒不过分粗化。为此通常用铝细化晶粒或加入强碳化物形成元素钛、钒等。
合金元素／％
图1 合金元素对基体淬透性的影响
为了使渗碳层具有高的强度和一定的塑性，合金化首先必须保证表面有足够的碳含量，表面层碳含量太低了，硬度达不到要求，但过高的碳含量会使碳化物大量增加，碳化物分布不均匀，有时还呈网状分布。碳还将使马氏体点(Mo)降低，从而增加淬火后渗层中的残余奥氏体量。而碳化物分布不均匀或残余奥氏体量增加都会使渗层的强度、疲劳性能及耐磨性能降低。
碳化物形成元素铬、钼等增大钢表面吸收碳原子的能力，增大渗碳层中的碳浓度，但是阻碍碳原子在奥氏体中的扩散。非碳化物形成元素硅、镍等则减小钢表面吸收碳原子的能力，降低渗碳层中的碳浓度，从而加速碳原子在奥氏体中的扩散。
合金元素对渗碳层淬透性的影响见图2。
铬、锰是提高渗层淬透性的主要元素。钼提高渗层(高碳)淬透性更大，可显著地增大有效硬化层深度。硅强烈地提高渗层的淬透性，但是在渗碳过程中容易发生晶界氧化而形成黑色网状缺陷。镍对渗层淬透性的贡献较小，但它可以提高渗层的韧性。
随合金元素添加量的增加，钢的马氏体点(坛)下降，使淬火后渗层中含有大量残余奥氏体，影响零件的715shen渗疲劳性能及耐磨性。因此，当淬透性有足够保证时，决不要过分提高合金元素含量。
热处理渗碳钢零件的热处理包括机械加工前的预处理和最终处理。预处理的目的是消除锻造应力及保证适当的硬度，改善切削加工性能。根据不同钢种和预处理要求进行不同的预处理：正火、正火+回火、淬火+回火。例如制造齿轮的20CrMnTi钢锻造后进行950～970℃正火是为了消除锻造应力，并保证进行正常切削加工所需的硬度。淬透性高的中合金渗碳钢18Cr2Ni4wA在正火后得到马氏体组织，硬度很高，必需再进行高温回火进行软化。12CrNi3A齿轮钢则需用调质来改善切削加工性能。最终处理的目的是使渗碳钢零件达到规定的性能要求。渗碳后一般进行淬火和低温回火处理。根据钢种和性能要求的不同，可以进行各种组合的最终处理。
渗碳后仍能保持细晶粒，淬火时表面层不易出现网状碳化物的钢和在渗碳后不再需要切削加工的零件(如20CrMnTi钢制齿轮)，可以采用渗碳后直接淬火+低温回火工艺。直接淬火工序简单，成本低，变形小，而且渗碳层的残余奥氏体量少。这是目前许多工厂都采用的工艺。
渗碳时晶粒易长大的钢，或渗碳后需要进行切削加工的零件，则需要采用渗碳后先冷却、然后再进行淬火+低温回火工艺。渗碳时晶粒长大，而力学性能又要求很高的零件有时还采用二次淬火+低温回火工艺。采用二次淬火零件变形较大，有时第一次淬火可用正火代替，以减少变形。
中合金高淬透性渗碳钢在淬火前还要求进行一次或多次高温回火，这样可以降低淬火后渗层中的残余奥氏体量，同时可以降低零件硬度和改善切削加工性能。一些心部具有很高的综合力学性能而表面又需要有高的硬度和耐磨性的重载渗碳部件，在淬火时先放入200℃左右的盐浴中进行等温处理，然后再进行500～550℃高温回火，最终进行低温回火。这样，渗碳层既可得到高碳的回火马氏体，从而保持高的硬度和耐磨性，而心部保持回火索氏体以保证高的强韧性。
分类渗碳合金结构钢按淬透性和强度高低可以分为三大类：低淬透性渗碳钢、中淬透性渗碳钢和高淬透性渗碳钢。
(1)低淬透性渗碳钢(巩兰800～1000MPa)，包括合金元素含量较低的锰钢、锰钒钢、铬钢、铬钒钢，它们用于不重要的齿轮、轴件以及小齿轮、小轴、活塞销等渗碳件。
(2)中淬透性渗碳钢(巩兰1000～1200MPa)，包括合金元素含量较高的铬锰钢、铬锰钛钢、铬锰钼钢以及多元素含硼钢。用于汽车、拖拉机主齿轮、活塞销等渗碳件。
(3)高淬透性渗碳钢(巩兰>1200MPa)，包括铬镍钢、铬锰钼钢、铬镍钨钢等多元素中合金钢，用于大型及重要的齿轮、轴件等渗碳件。
一些国家的渗碳钢典型钢种列于表1。可以看到，有不少钢种的化学成分是大同小异的，因而可互相通用。各国也根据本身的资源条件发展了自己的渗碳钢系列。
横坐标－合金元素／％ 纵坐标－倍数因子
图2 合金元素对渗碳层淬透性的影响
表1 一些国家的渗碳钢典型钢种
标准
牌号
化学成分/％
C、 Si、 Mn、S、P、Cr、Mo、 Ni
其他
JIS
SMn420H
0.17/0.23、0.15/0.35、1.20/1.50、≤0.030、≤0.030
SCr420H
0.18/0.23、0.15/0.35、0.60/0.85、≤0.030、≤0.030、0.85/1.20
SCM420H
0.18/0.23、0.15/0.35、0.60/0.85、≤0.030、≤0.030、0.85/1.20、0.15/0.30
SCM822H
0.20/0.25、0.15/0.35、0.60/0.85、≤0.030、≤0.030、0.85/1.20、0.35/0.45
SNCM420H
0.17/0.23、0.15/0.35、0.40/0.70、≤0.030、≤0.030、0.40/0.65、0.15/0.30、 1.60/2.00
SMn420H
0.17/0.23、0.15/0.35、1.20/1.50、≤0.030、≤0.030
SCr420H
0.18/0.23、0.15/0.35、0.60/0.85、≤0.030、≤0.030、0.85/1.20
SCM420H
0.18/0.23、0.15/0.35、0.60/0.85、≤0.030、≤0.030、0.85/1.20、0.15/0.30
SCM822H
0.20/0.25、0.15/0.35、0.60/0.85、≤0.030、≤0.030、0.85/1.20、0.35/0.45
SNCM420H
0.17/0.23、0.15/0.35、0.40/0.70、≤0.030、≤0.030、0.40/0.65、0.15/0.30、1.60/2.00
DIN
16MnCr5
0.14/0.19、 ≤0.12、 1.00/1.40、0.020/0.035、<0.035、0.80/1.20
Al 0.020～0.055
20MnCr5
0.17/0.22、 ≤0.12、 1.10/1.50、0.020/0.035、<0.035、1.00/1.30
N0.020～0.055
25MnCr5
0.23/0.28、 ≤0.12、 0.60/0.80、0.020/0.035、<0.035、0.80/1.00
A10.020～0.055
28MnCr5
0.25/0.30、 ≤0.12、 0.60/0.80、0.020/0.035、<0.035、0.80/1.00
AI0.020～0.055
ZFl
0.15/0.19、0.15/0.40、0.40/0.60、0.015/0.035、<0.030、1.40/1.70、1.40/1.70
ZFlA
0.15/0.19、0.15/0.40、0.40/0.60、0.015/0.035、 t<0.030、1.50/1.80、0.25/0.35、1.40/1.70
ZF6
0.13/0.18、0.15/0.40、1.00/1.30、0.015/0.035、<0.030、0.80/1.10
B0.0010～0.003C
ZF7
0.15/0.20、0.15/0.40、1.00/1.30、0.015/0.035、<0.030、1.00/1.30
B0.0010～0.003C
NF
16CD4
0.13/0.20、<0.35、 0.60/0.90、≤0.035、 ≤0.025、0.85/1.15、0.15/0.30
20CD4
0.17/0.23、<0.30、<0.60、≤0.035、≤0.025、 0.85/1.15、0.15/0.30
18NCD6
<0.13、<0.40、0.35/0.70 ≤0.035、≤0.035、1.20/1.60、0.15/0.30、0.80/1.00
16NCDl3
0.12/0.18、<0.35、<0.50、≤0.020、≤0.025、0.85/1.15、0.15/0.35、3.30/3.50
15CDV6
0.1e/0.18、<0.20、0.80/1.10、≤0.010、≤0.015、1.25/1.50、0.80/1.10
V0.20～0.30
SAE
4320H
0.16/0.23、0.20/0.35、0.40/0.70 、<0.040、<0.040、0.35/0.65、0.20/0.30、1.5/2.0
4820H
0.17/0.24、0.20/0.35、0.45/0.75、<0.040、<0.040、0.20/0.30、3.20/3.80
B>0.0005
8620H
0.17/0.24、0.20/0.35、0.60/0.95、<0.040、<0.040、0.35/0.65、0.10/0.25、0.35/0.75
9310H
0.07/0.14、0.20/0.35、0.40/0.70 <0.040、<0.040、1.00/1.45、0.08/1.15、2.95/3.55
表2 中国的渗碳钢牌号
牌 号
化 学 成 分/％
C
Si
Mn
Cr
Mo
Ni
V
B
Ti
20CrH
0.17/0.23
0.17/0.37
0.50/0.85
0.70/0.10
20MnMOBH
0.16/0.22
0.17/0.37
0.90/1.25
0.20/0.30
0.0005/0.0035
20MnVBH
0.16/0.23
0.17/0.37
1.05/1.50
0.07/0.12
0.0005/0.0035
22MnVBH
0.19/0.25
0.17/0.37
1.25/1.70
0.07/0.12
0.0005/0.0035
20CrMnTi
0.17/0.23
0.17/0.37
1.20/1.55
0.0005/0.0035
0.04/0.11
20CrMnTiH
0.17/0.23
0.17/0.37
0.80/1.15
1.00/1.35
0.04/0.11
20CrNi3H
0.17/0.23
0.17/0.37
0.03/0.65
0.60/0.95
2.70/3.25
20CrNiMoH
0.17/0.23
0.17/0.37
0.60/0.95
0.35/0.65
0.15/0.25
0.35/0.75
12Cr2Ni4H
0.10/0.17
0.17/0.37
0.30/0.65
1.20/1.75
3.20/3.75
注：优质合金结构钢中：P≤0.035％，S≤0.035％；高级优质合金结构钢中：P≤0.030％，S≤0.030％。
中国的渗碳钢牌号列于表2。用量最大，范围最广的是(18)20CrMnTi钢。实践证明，钛加入钢中形成具有棱角的难变形的TiN夹杂，在使用过程中，它与基体的界面处易萌生疲劳裂纹，导致零件过早失效。因此，除前苏联标准中有加钛钢种外，其他工业发达国家几乎不用含钛钢种。1978年以来汽车行业从不同国家引进了多条齿轮钢生产线，相应地引进了许多渗碳齿轮钢种，除了常见的铬锰钢、铬钼钢和铬镍钢系列钢种外，值得注意的是硼处理改性钢。冶炼传统的硼钢时，为了保护硼的提高淬透性的作用，在加硼前必须先加717i零赫毒生囊钛固定氮，以达到钢中尽可能保留大量的固溶硼。德国的硼处理改性钢却完全不同，明确规定禁止加钛，并要求氮量保持在0.015％左右，从而形成足够多的氮化硼，只留下痕量的固溶硼(约0.0005％)，从而既提高淬透性，又避免了传统硼钢淬透性大的缺点。
展望 渗碳钢的发展，除了要求继续提高现有钢材的质量以外，还不断开发综合性能更好的新钢种：(1)超低氧渗碳钢。为了大幅度提高以齿轮钢为代表的渗碳钢的疲劳寿命，日本通过双真空处理把渗碳钢的氧含量控制在10×10“以下。(2)低晶界氧化层渗碳钢。晶界氧化层对渗碳淬火钢的接触疲劳性能有重要影响，实践证明，硅促进晶界氧化的能力是锰或铬的10倍，因此在设计钢种时尽可能把硅减到最少。锰和铬也应减少并适当提高镍、钼的含量。磷、硫等促进脆化的杂质元素也应尽量降低。根据这些原理，日本开发了低硅抗晶界氧化渗碳钢系列(Si<0.15％)。可使晶界氧化层降低到≤5μm，而SCM420H等铬一钼钢系列通常为15～20μm，从而使接触疲劳性能提高一倍以上；(3)超细晶粒渗碳钢。在前苏联开发了含铌、钒的超细晶粒的高强度渗碳钢，晶粒度达到AsTMN012.13与(12)20Cr2Ni4和(12)20CrNi3相比，降低了镍的含量，渗层中不产生非马氏体组织，残余奥氏体量少，排除了淬火时重复加热的必要性，从而减少零件变形。与20Cr2Ni4相比，这个钢种的疲劳抗力在渗碳条件下可提高20％。
