随着国民经济的发展，轴类、齿轮类零件的需求越来越多，其寿命和承载能力直接影响着机械生产厂家的经济效益，提高轴类、齿轮类零件的扭转能力和使用寿命，在机械行业越来越重要。20CrMnTi钢作为一种典型的低合金渗碳结构钢在工程中广泛用于制造轴类、齿轮类零件。应用十分广泛，它们都是在循环载荷、冲击载荷、很大接触应力和严重磨损的条件下工作的，因此要求表面硬而耐磨，心部强而韧，具有高的疲劳极限和较大的扭转强度。为进一步改善渗碳后的20CrMnTi钢的力学性能，本研究分别研究了二次淬火和深冷处理工艺对渗碳后的20CrMnTi组织和力学性能的影响，利用金相显微镜观察了处理后试件的组织，使用硬度计测试了试件的硬度，在扭转试验机用测试了试件的扭转强度。实验结果表明：一次淬火温度为860℃，二次淬火温度为860℃，回火温度为220℃，回火保温时间为4h，扭转强度最高；渗碳后经淬火、回火然后进行深冷处理，深冷处理提高了钢的硬度和扭转强度；扭转强度最大的最佳热处理工艺为：淬火温度为860℃，回火温度为200℃，深冷时间为20h；二次淬火和深冷处理工艺提高了扭转强度达40.%以上。