高温渗碳钢、快速渗碳钢和快速渗氮钢及其应用探讨

高温渗碳钢的应用，可使渗碳温度由目前广泛采用的930℃提高到980℃，可使获得相同渗碳层深度的渗碳时间缩短1/2，而当渗碳温度提高到1050℃时，可使渗碳时间再缩短40%；快速渗碳钢的应用，可使常规渗碳时间缩短20%；快速渗氮钢的应用，可显著缩短传统渗氮工艺周期。这些钢材在化学热处理中的应用均达到了节能减排的效果。

（1）高温渗碳钢 为了克服钢件在1000℃以上高温渗碳时的晶粒过分长大，并可实施渗碳降温的直接淬火过程，要求开发出更多的本质细晶粒的渗碳结构钢。在钢中添加Ti、V、Zr和Nb等细晶粒元素，可以满足高温渗碳要求。

我国钢铁研究总院与宝钢和抚顺特钢研发的含Nb的渗碳钢新钢种，980℃渗碳温度下可保持ASTM9级左右的晶粒度。国产含Nb的齿轮用钢如20CrMoNb和20Cr2Ni2MoNb钢，可以应用于高温渗碳。

日本的高温渗碳用抑制晶粒粗化钢，如大同钢铁公司开发的质量分数为0.2%C、0.10%Si、0.50%Mn、1.0%～2.0%Cr、0.0015%B、0.05%Nb钢在1050℃渗碳仍可保持ASTM8级左右的奥氏体晶粒度；另有H∗Cr4Mo4Ni4V高温渗碳钢。

表4-11为国外高温渗碳齿轮钢的主要化学成分。

表4-11 国外高温渗碳齿轮钢的主要化学成分

（2）快速渗碳钢 除了适用于高温渗碳的渗碳钢，为加速常规渗碳过程，可通过以下途径获得所需的钢种。

1）提高碳含量可减少对渗入碳量的要求，从而可缩短渗碳过程。研究认为，适当提高碳含量至0.27%（质量分数）最为适合。与此同时，降低抑制渗碳的元素的含量，如减少Si的含量则更为有效。

2）适当添加提高渗碳层淬透性的合金元素，可以有效地增加渗碳层深度。研究表明，稍许增加Mo含量便可以获得显著效果，即为获得相等的有效硬化层深，增加Mo含量后可以缩短渗碳时间。例如，质量分数为0.27%C、0.6%Mn、0.6%Cr、0.15%～0.25%Mo的渗碳钢，可以缩短20%渗碳时间。

3）在以往含Cr的渗碳钢中添加Ni。因为含Cr的钢要达到过剩渗碳[w（C）＞0.9%]很困难，而Ni则不同，它有利于过剩渗碳。如日本ES1快速渗碳钢中w（Ni）为0.12%。

（3）快速渗碳钢的化学成分及渗碳效果 日本所采用的快速渗碳钢的化学成分及渗碳效果列于表4-12、表4-13中。其中SCM420H、SCM822H、SCr420H钢分别相当于我国20CrMoH、22CrMoH、20CrH钢。通过表4-12、表4-13可以看出，在获得相同的有效硬化层深时，这些钢种在常规渗碳时，可以缩短20%～40%时间，因此可以相应节省电能和渗剂的消耗。(www.xing528.com)

表4-12 快速渗碳钢的主要化学成分

表4-13 快速渗碳钢渗碳效果

（4）快速渗氮钢 针对渗氮周期长的问题，提高温度可以缩短渗氮时间，但也同时会使普通渗氮钢的表面硬度显著降低。在钢中加Ti可以保证在650℃以上渗氮时获得高的表面硬度，复合加Ni，可获得Ni₃Ti的析出硬化，并提高心部强度，经650℃、5h渗氮后可获得0.5mm渗层（600HV处）。提高V含量，减少Al含量以及多元合金化，也可以缩短渗氮工艺过程。表4-14为一些快速渗氮钢的主要化学成分。

表4-14 快速渗氮钢的主要化学成分

注：30CD12钢（法国牌号）相当于30Cr3MoA钢；32CDV13钢（意大利牌号）相当于32Cr3MoVA钢。

普通渗氮钢采用气体渗氮时，获得0.5mm氮化层深需要50h以上。日本矢岛博士发明的一种N6快速渗氮钢，与普通渗氮钢SACM1钢相比，渗氮工艺时间从48h缩短到6h。两钢种的化学成分见表4-15。

表4-15 N6钢和SACM1钢的化学成分