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普通渗碳钢常规渗碳处理时,渗碳层表面的含碳量一般控制在0.8%1.0%,经淬火、低温回火处理后渗碳层金相组织为:在回火马氏体和残余奥氏体所构成的基体上分布着碳化物。碳化物的存在及其数量、形态、分布、大小对于工件表面的硬度、强度及耐磨性起着至关重要的作用。为提高工件的力学性能,增加碳化物数量而采用在较高碳势条件下渗碳时,往往会沿奥氏体晶界析出网状碳化物,而碳化物形态的恶化将导致其力学性能的显著下降。为了充分发挥材料的潜力,获得比常规渗碳更优越的渗碳层组织和力学性能,本文从渗碳工艺和渗碳用钢方面入手进行超饱和渗碳的研究。针对普通低合金渗碳钢研发了预渗碳加循环渗碳处理的超饱和渗碳工艺,20CrMnTi钢经超饱和渗碳、淬火加低温回火处理后,用XJL-02A立式金相显微镜观察得知:渗碳层的金相组织为:在回火马氏体和残余奥氏体所构成的基体上弥散分布着碳化物,超饱和渗碳层硬度达到HV0.1958,约是常规渗碳层表面硬度的1.1倍。在相同磨损条件下,耐磨性比常规渗碳层提高了20%。有效提高了其力学性能。针对冷拔钢管模具,运用固体与分子经验电子理论（EET）,以43Si2CrNi2MoV钢为例,计算了钢中奥氏体和马氏体晶胞单元基本价电子结构参数、统计分布几率、实际分布几率、相结构因子和宏观相结构因子,使用Visual Frotran6.5语言和矩阵理论,建立了多元中碳中低合金钢成分设计经验公式,并据此设计了新型超饱和渗碳钢。35Cr3SiMnMoV钢经超饱和渗碳、随炉冷却后用剥层化学分析法测得其渗碳层为1.8%的含碳量,经淬火、低温回火处理后,扫描电镜分析表明:渗碳层组织为在回火马氏体和残余奥氏体所构成的基体上弥散分布着细小的碳化物,X-射线衍射分析表明渗层中的碳化物主要为（Fe.Cr）7C3、Mo2C,并对弥散碳化物的形成机理进行了分析探讨。35Cr3SiMnMoV钢经渗碳、淬火加低温回火处理后,渗碳层硬度达到HV0.11025,比20CrMnMo、20Cr2Ni4钢常规渗碳层硬度高约20%。35Cr3SiMnMoV钢超饱和渗碳层有着极高的耐磨性,在相同磨损条件下,其耐磨性比20CrMnMo和20Cr2Ni4常规渗碳层提高了约60%。35Cr3SiMnMoV钢含有适量的Cr、Mo、V等强碳化物形成元素和非碳化物形成元素Si,其成分满足超饱和渗碳的要求,无需特殊设备,用简单的渗碳工艺就可获得满意的超饱和渗碳层。在已研发的35Cr3SiMnMoV钢基础上,加入少量稀土,并进一步合理调整合金元素,研制新型稀土超饱和渗碳钢。30Cr4SiMoRE钢经超饱和渗碳、淬火、低温回火处理后,经扫描电镜分析表明:渗层组织为在回火马氏体、残余奥氏体所构成的基体上弥散分布着超细碳化物;研究认为稀土的加入使渗碳速度和渗层深度都有所提高,渗层含碳量高达1.9%;在稀土与铬、钼的共同作用下得到了比35Cr3SiMnMoV钢的更为细小的超细碳化物。经淬火、低温回火处理后,渗碳层硬度可达HV0.11057,比20CrMnTi钢常规渗碳层硬度提高约20%;30Cr4SiMoRE钢超饱和渗碳层有着极高的耐磨性,在相同磨损条件下,其耐磨性比20CrMnTi钢常规渗碳层耐磨性提高了60%以上,大幅提高了工件的力学性能。30Cr4SiMoRE钢含有适量的Cr、Mo、Si、RE元素,其成分满足超饱和渗碳的要求,无需特殊设备,用简单的渗碳工艺就可获得优异的超饱和渗碳层。本文研发的超饱和渗碳工艺和超饱和渗碳钢所制作的工件在满足技术条件的前提下有利于实现机械设备小型化和高性能化;若工件的几何尺寸相同,则具有更长的使用寿命。太钢不锈钢管厂原使用45#钢调质+氰化处理,因使用寿命不高和环保的限制。现改用Cr12MoV钢淬火、回火处理,但其力学性能、使用寿命均不理想且成本较高。我们将研发的30Cr4SiMoRE钢和超饱和渗碳、淬火、低温回火工艺应用于太钢不锈钢管厂的冷拔钢管模具,在生产线上已拉拔各种材质的不锈钢管80余吨,模具工作面光亮,宏观检验发现仅发生轻微磨损,尺寸亦无明显变化,仍在继续使用。30Cr4SiMoRE钢制冷拔钢管模具超饱和渗碳、淬火+低温回火处理后表面硬度、耐磨性极高,具有良好的强韧性,与Cr12MoV钢淬火+回火和45#钢调质+氰化处理相比不仅力学性能突出,而且克服了生产成本高、氰化污染等致命缺陷。在工程实际中的使用寿命分别提高了400%和800%以上,大幅提高了冷拔钢管模具的使用寿命,产生了良好的经济效益和社会效益。