超饱和渗碳是当气氛碳势高于门槛值时的一种渗碳工艺，其目的是在渗碳层中形成大量弥散分布的粒状碳化物，并获得高于常规渗碳的表层碳浓度，使零件表面在获得高硬度、高耐磨性、良好的耐疲劳性能和抗咬合性能的同时韧性不下降。近年来，国内外材料科学工作者积极开展了超饱和渗碳技术的研究。要实现超饱和渗碳，可从两个方面进行考虑。一是采用合金化手段，添加与碳亲和力强、能够形成稳定化合物的合金元素，如铬、钼等，研发新型超饱和渗碳专用钢;二是仍使用常规渗碳钢，但须改进渗碳工艺规范，研发新型超饱和渗碳工艺。
20CrMnTi作为一种常规渗碳钢，多用于制造截面尺寸小于30mm的中载或重载齿轮轴、齿轮和齿圈等，应用十分广泛。目前，机械设备日趋向着轻、薄、短小化发展，这就强烈要求机械零件具有更高的力学性能和可靠性，常规渗碳虽然也能使其获得高浓度的渗碳层，却很难控制碳化物的形态，表面含碳量越高，出现角状甚至网状碳化物的可能性就越大，使其力学性能极易恶化。为了克服常规渗碳工艺的缺点，挖掘材料的潜力，实现机械设备的小型化、高性能化，对20CrMnTi钢超饱和渗碳工艺进行了有益的探讨，期望为其工程实际应用提供可靠的参考数据。
实验用20CrMnTi钢的化学成分(质量分数，%)为：0.19C，0.96Mn，1.22Cr，0.29Si，0.087Ti，≤0.04S，≤0.04P;其临界点温度分别为：Ac1=760℃，Ac3=840℃，Ar1=665℃，Ar3=775℃，Ms=374℃。
20CrMnTi钢经880℃正火后，加工成准8mm×10mm圆柱试样和ML-10型磨料磨损试验机用标准试样。采用RM3-45-9D滴控箱式气体渗碳炉进行渗碳，RM3-45-9D滴控箱式气体渗碳炉为双室结构试验炉，前室有冷却装置;以甲醇和煤油混合液为滴注液，混合比例为2.3∶1;碳势、温度由WSB-3碳势、温度智能控制系统和DH-7氧探头测定、控制。同时采用纯铁箔片分析定碳法对炉内碳势进行校核。超饱和渗碳及常规渗碳工艺如下图所示。热循环阶段，试样由加热室拉出到前室，油冷至室温，再进入加热室加热，如此完成一个循环。
20CrMnTi钢经采用830℃预渗碳+两次循环渗碳淬火+低温回火工艺，实现了超饱和渗碳，可使20CrMnTi钢获得由回火马氏体、少量残余奥氏体和大量弥散分布的粒状碳化物构成的超饱和渗碳层。其表面硬度可达1057HV0.1，是常规渗碳层硬度的1.13倍;耐磨性也比常规渗碳层提高了20%。有效提高了其力学性能，为机械设备的小型化、高性能化提供了可能。