CN100365150C - 重载齿轮钢 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种重载齿轮钢，其化学成分重量百分比为：C 0.14-0.20，Mn 1.2-1.60，Si≤0.12，P≤0.03，S 0.015-0.04，Cr 1.30-1.80，W≤0.05，Ti 0.04-0.10，O≤20PPM，余量为Fe和其他杂质；本发明由于不加Ni，Mo贵重元素，使其制造成本降低了30%左右，其热处理工序简化，生产效率提高，本发明钢热处理后的收缩变形比Ni-Mo钢小，可减少齿轮热处理之后的翘曲变形，椭圆度超标，齿面啮合不好等问题，特别适合用于制造重载荷车辆驱动桥齿轮。
Description
(一)技术领域：本发明涉及冶金技术领域，属于合金钢类。是一种用于制造重载荷车辆驱动桥齿轮的齿轮钢。
(二)背景技术：重载荷车辆一般是指能承载6吨以上载荷的工程载重卡车。例如：EQ153为8吨载重卡车，EQ2402(460)为12吨载重卡车，这种车辆的驱动桥齿轮用来传输动力，驱动车辆前进；齿轮的模数大，承受的载荷大。这种齿轮要求具有很高的抗弯强度和很高的接触疲劳强度。为了满足高抗弯强度的要求，钢材的淬透性必须高。为了满足齿轮的高接触疲劳强度的要求，要求钢材具有很高的渗层淬透性，保证齿轮在渗碳和淬火之后，渗碳层能获得99％以上的马氏体组织。第三，钢材淬透性的设计应保证齿轮的热处理变形小，以保证主动齿与被动齿之间正确的啮合。如果钢材的淬透性能力不能保证齿轮在热处理后的抗弯强度(或心部硬度)将会发生断齿事故。如果钢材成份的设计不能保证齿轮渗碳层具有很高的淬透性，将会出现非马氏体组织，(例如：黑色托氏体网)，齿面会出现麻点，齿面剥落。如果齿轮渗碳淬火之后变形大，主、被动轮的齿面啮合不好，不仅噪音超过标准要求，齿轮的使用寿命也低。与变速箱齿轮相比，重载驱动桥齿轮对钢材的要求要高的多，齿轮的制造工艺要复杂的多。目前国内外采用的重载齿轮钢其化学成份如表1所列。
表1：目前国内外重载工程用车后桥齿轮用钢化学成分：
| 钢号 | C | Mn | Si | Cr | Ni | Mo | Ti | S |
| SCM822HH | 0.18/0.25 | 0.55/0.90 | 0.15/0.35 | 0.85/1.25 | - | 0.35/0.45 | - | - |
| 22CrMoS35 | 0.19/0.24 | 0.70/1.00 | ≤0.40 | 0.70/1.00 | - | 0.40/0.50 | - | - |
| 17CrNiMo6HL | 0.15/0.20 | 0.40/0.60 | ≤0.40 | 1.50/1.80 | 1.40/1.70 | 0.25/0.35 | - | - |
| 15CrNi6H | 0.14/0.19 | 0.40/0.60 | ≤0.40 | 1.40/1.70 | 1.40/1.70 | - | - | - |
| 20Ni4MoH | 0.17/0.23 | 0.40/0.80 | 0.15/0.35 | - | 3.20/3.80 | 0.20/0.30 | ||
| 20CrNi3H | 0.17/0.23 | 0.30/0.65 | 0.17/0.37 | 0.60/0.95 | 2.70/3.25 | - | ||
| 12Cr2Ni4HH | 0.10/0.17 | 0.30/0.65 | 0.17/0.37 | 1.20/1.75 | 3.20/3.75 | - | ||
| 10CrNi3MoHH | 0.07/0.13 | 0.40/0.70 | 0.15/0.35 | 1.00/1.45 | 2.95/3.55 | 0.08/0.15 |
目前国内外已有的，用于制造重型载重卡车驱动桥齿轮的钢种，在热处理变形、抗弯强度、渗层淬透性等方面都能满足使用要求。存在的问题是：
1、钢的晶粒长大倾向大：用于制造重型卡车后桥(驱动桥)齿轮的钢材，制成齿轮毛坯之后，要在高温(920℃)下长时间渗碳。由于现有钢种的晶粒长大倾向大，齿轮在高温长时间渗碳之后，如果直接淬火，常出现晶粒粗大，进行金相检验，马氐体针超过标准要求。这样的组织会大大降低齿轮的接触疲劳寿命，出现麻点、剥落。为了避免产生这样的问题，国际上普遍采用渗碳后将齿轮冷到室温(或临界相变温度之下)，再重新加热到淬火温度(820℃)，保温后淬火。利用二次重结晶的原理避免粗大晶粒的形成。二次加热淬火工艺可以有效的解决晶粒粗大问题。但是二次加热容易造成齿面的二次氧化，产生表面脱碳和沿晶界形成黑色托氏体网。从而降低齿轮的接触疲劳强度，另一方面二次加热工艺生产周期长，制造成本高。如果研制出能够渗碳后直接淬火的钢种，不仅简化了生产过程，还可提高齿轮的质量。
2、现有钢种的化学成份中Ni，Mo元素的含量很高。专利P2001～303173A，P2004～238702A，WO001～23632提出的渗碳齿轮钢中Ni，MO元素的含量也非常高。Ni，Mo元素属于地球资源稀缺元素，电解Ni板与Mo-Fe合金价格昂贵，钢材价格高。生产周期长，钢材采购成本过高，两个因素造成重载齿轮的制造成本太高。为了降低制造成本，国内外采用过两种技术方案：
(1)用微量硼(B)元素代替Ni，Mo元素，例如中国第二汽车制造厂为降低制造成本，采用20MnVBH钢制造5吨载重卡车的后桥齿轮，专利P2004～238702A，提出用0.0020％的B代替部分Ni，Mo元素，中国洛阳拖拉机制造厂采用20SiMnVB制造大马力拖拉机驱动桥齿轮，其结果是因为B在渗碳层的失效，降低了齿轮的渗层淬透性。齿轮表面接触疲劳性能低下，出现齿面剥落，早期损坏。20MnVBH钢20SiMnVB钢均被淘汰。目前德国ZF公司采用16CrMnB，20CrMnB钢，用于制造变速箱齿轮。应当指出：该公司用B元素的目的是降低钢中的固溶N含量，提高钢的韧性。B在钢中与N形成球状的BN夹杂。硼对齿轮渗层淬透性不起任何作用。16CrMnB和20CrMnB钢的成份设计，既不能满足重载啮合齿轮心部高抗弯强度的要求，又不能满足齿轮渗层淬透性的要求，不能用于制造重载齿轮。
(2)用20CrMnTiH钢制造重型车后桥齿轮：近几年中国的许多齿轮制造企业为降低钢材采购成本，用20CrMnTiH钢代替国外引进的SCM822H，20CrNi3H钢生产重型卡车后桥齿轮，由于20CrMnTiH钢的成份设计无法满足重载齿轮高抗弯性能与渗层淬透性的要求，出现断齿，齿面剥落、麻点及台架寿命太低等问题。
国内外经过几十年的探索，到目前为止一直没有找到一个可行的方案，能够降低重载齿轮的制造成本。上述表1所列的常见重载齿轮钢中，按现行成本计算，最低的SCM822HH每吨成本为8500元，其余钢种都在1万元以上。
(三)发明内容：本发明要解决目前重载啮合齿轮制造成本过高的问题。提供一种不含Mo-Ni稀缺贵重元素，齿轮渗碳后能直接淬火，能缩短生产周期的重载齿轮用钢。
本发明钢的化学成分(重量百之比)为：
C 0.14-0.20 Mn 1.2-1.60 Si≤0.12
P≤0.03 S 0.015-0.04 Cr1.30-1.80
W≤0.05 Ti0.04-0.10 O≤20PPm
余量为Fe和其他杂质。
在炼钢时，当C含量一定时，相应Mn、Cr、Mo、W及Ni的含量按下列要求控制成份：
C(％重量) (Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni) (％重量)
0.20 2.85±0.03
0.19 2.97±0.03
0.18 3.05±0.03
0.17 3.12±0.03
0.16 3.19±0.03
0.15 3.25±0.03
0.14 3.32±0.03
需要说明的是：Mo，W，Ni均为钢中残余元素。当残余元素含量不为零时，应当从Mn、Cr含量中扣除残余元素的含量。目的是精确控制钢的淬透性。
本发明技术方案的特点在于：
1、同目前广泛应用的重载齿轮用钢比较：
本发明钢的心体淬透性，渗层淬透性均可达到Ni-Mo钢的同等水平(见表2)。能保证重载啮合齿轮具有足够的抗弯强度与接触疲劳寿命。本发明钢不含Ni，Mo元素，钢材采购成本可降低30％左右。
表2：重载齿轮用钢的心体淬透性与渗层淬透性
| 钢号 | 心体淬透性(HRC) | 渗碳层淬透性(J-mm) | |||
| J15(HRC) | J25(HRC) | C浓度0.70％ | C浓度0.80％ | C浓度0.90％ | |
| SCM822HH | 35～41 | 29～35 | J30 | J28 | J20 |
| 22CrMoS35 | 34～40 | 29～35 | J30 | J28 | J20 |
| 15CrNi6HH | 33～39 | 29～35 | J30 | J28 | J20 |
| 20Ni4MoH | 32～38 | 21～31 | J30 | J28 | J20 |
| 20CrNi3HH | 35～40 | 28～32 | J26 | J25 | J18 |
| 17NiCrMo6HL | 35～45 | 34～41 | ＞J40 | ＞J40 | J40 |
| 12Cr2Ni4HH | 35～41 | 34～40 | ＞J40 | ＞J40 | J40 |
| 10CrNi3MoHH | 35～40 | 26～35 | ＞J40 | ＞J40 | J40 |
| 本发明钢 | 35～41 | 34～40 | ＞J40 | ＞J40 | J40 |
说明：
1、钢材的末端淬透性决定了齿轮的心体淬透性，二者等同。
2、钢材的渗层淬透性是指在特定的C浓度区域，齿轮淬火后获得99％马氏体组织所允许的最慢冷却速度。例如：表中对应SCM822H钢，在齿轮表面碳浓度为0.80％的区域，获得99％马氏体的允许的最慢冷却速度是J28mm，是指距末端淬火试样水冷端28mm处的冷却速度。
2、本发明钢中含有0.04～0.10％的Ti元素，当钢中的Ti含量超过0.04％以后，钢的奥氏体晶粒在1000℃长时间保温，仍能保持7-8级的细晶粒。因此，本发明钢在920℃长时间渗碳过程中，晶粒不会粗化。能够做到渗碳后直接淬火。目前国内外广泛应用的Ni～Mo重载啮合齿轮用钢不含Ti。
用微量AL-N阻止钢在高温下的晶粒粗化，效果非常不稳，不得不采用二次加热淬火工艺或马鞍型淬火工艺克服晶粒粗化问题。因此，本发明简化了重载齿轮的热处理工序。提高了生产效率。
3、本发明钢碳含量中限控制0.17％与SCM822H钢，20CrNi3H相比，齿轮心体马氐体中的碳含量下降了0.03～0.06％。马氏体的比容大小随C含量降低而减小，因此，本发明钢热处理后的收缩变形比Ni～Mo钢小，可减少齿轮热处理之后的翘曲变形，椭园度超标，齿面啮合不好等问题。
4、本发明钢中Si含量≤0.12％，比目前常用的重载齿轮钢中的Si含量低。这可大大减轻齿轮在渗碳过程中的内氧化，避免非马氏组织沿晶界形成黑网。提高齿轮的接触疲劳寿命。
(四)附图说明：
附图是齿轮的渗碳淬火回火工艺。
(五)具体实施方式：
实施例1：EQ153八吨载重卡车后桥齿的制造
(1)齿轮钢成份(重量％)：(采用通用技术炼钢)
C 0.18，Mn 1.30，Si 0.08，Cr 1.70，Ti 0.07，P 0.01，S 0.02，Ni0.04，Mo 0.01，Cu 0.15，AL 0.03，W 0.01，O 15PPm。
淬透性检验：J15＝39HRC J25＝35.5HRC
[Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni]＝3.03
(2)EQ153八吨车后桥主被动齿轮热处理工艺：
齿轮毛坯的等温正火工艺：
加热温度：900℃，等温温度：630℃，风冷时间3分。
齿轮的渗碳淬火回火工艺参见附图。
淬火油温：80℃ 回火温度：200℃
每料盘周期50分，距齿表面0.1mm处最大C浓度0.82％
(3)齿轮毛坯的正火硬度HB175，冷加工表面光洁度高，断屑性好。
(4)EQ153八吨载重车后桥主被动齿轮成品：
| 心部硬度(HRC) | 层深(mm) | 表面硬度(HRC) | 心部铁素体(级) | C化合物(级) | 马氐体(级) | 残余奥氏体(级) | ||
| 标准 | 30～40 | 1.6～2.0 | 58～64 | ≤3 | 1～4 | 1～4 | 1～4 | |
| 次数 | 1 | 39 | 2.0 | 62 | 1 | 1 | 1 | 3 |
| 2 | 39 | 2.0 | 63 | 1 | 2 | 1 | 3 | |
| 3 | 38 | 2.0 | 62 | 1 | 1 | 1 | 3 | |
齿轮的不平度，椭园度，主被动齿啮合区均符合要求。
台架寿命：输出扭矩：30000N-M，疲劳寿命30万次
输出扭矩：18000N-M，疲劳寿命90万次
分别符合10万次与70万次的标准要求。
实施例2：EQ2402(460)载重工程车(12吨)后桥齿的制造：
(1)齿轮钢成分(重量％)：
C 0.17，Mn 1.37，Si 0.10，Cr 1.70，Ti 0.07，P 0.011，S 0.03，Ni0.04，Mo 0.02，Cu 0.15，AL 0.025，W 0.01，O 15PPm。
[Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni]＝3.11
钢材淬透性：J15＝39HRC J25＝35.7HRC
(2)EQ2402(460)载重工程车后桥主被动齿热处理工艺：
齿轮毛坯的等温正火工艺：
加热温度：900℃，等温温度：630℃，风冷时间3分。
齿轮的渗碳淬火回火工艺参见附图。
淬火油温：80℃ 回火温度：200℃
每料盘周期：50分；距齿表面0.1mm处最大C浓度0.81％。
(3)齿轮毛坯的正火硬度HB170，冷加工表面光洁度高，断屑性好。
(4)EQ2402(460)载重工程车后桥主被动齿轮成品：
| 心部硬度(HRC) | 层深(mm) | 表面硬度(HRC) | 心部铁素体(级) | C化合物(级) | 马氐体(级) | 残余奥氏体(级) | ||
| 标准 | 30～40 | 1.6～2.0 | 58～64 | ≤3 | 1～4 | 1～4 | 1～4 | |
| 次数 | 1 | 38 | 2.0 | 60 | 1 | 2 | 2 | 3 |
| 2 | 39 | 2.1 | 63 | 1 | 2 | 2 | 3 | |
| 3 | 38.5 | 2.1 | 62 | 1 | 2 | 2 | 3 | |
齿轮的不平度，椭园度，主被动齿啮合区均符合要求，
台架寿命：输出扭距45000N-M，疲劳寿命标准为≥50万次，实际寿命为80万次。
实施例3：EQ153八吨载重卡车后桥齿的制造：
(1)齿轮钢成分(重量％)：
钢材的淬透性检验：J15＝39.2HRC J25＝35HRC
C 0.20，Mn 1.30，Cr 1.50，Si 0.08，P 0.02，S 0.03，Ni 0.05，Cu0.15，Mo 0.02，W 0.02，Ti 0.06，O 10PPm，AL 0.02。
[Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni]＝2.85
(2)EQ153八吨车后桥主被动齿轮热处理工艺：
齿轮毛坯的等温正火工艺：
加热温度：900℃，等温温度：630℃，风冷时间3分。
齿轮的渗碳淬火回火工艺参见附图。
淬火油温：80℃ 回火温度：200℃
每料盘周期：50分；距齿表面0.1mm处最大C浓度0.80％。
(3)齿轮毛坯的正火硬度HB165，冷加工表面光洁度高，断屑性好。
(4)EQ153八吨载重卡车后桥主被动齿轮成品：
| 心部硬度(HRC) | 层深(mm) | 表面硬度(HRC) | 心部铁素体(级) | C化合物(级) | 马氐体(级) | 残余奥氏体(级) | ||
| 标准 | 30～40 | 1.6～2.0 | 58～64 | ≤3 | 1～4 | 1～4 | 1～4 | |
| 次数 | 1 | 37 | 1.9 | 63 | 1 | 1 | 1 | 2 |
| 2 | 38 | 2.0 | 61 | 1 | 1 | 1 | 2 | |
| 3 | 37.5 | 2.1 | 62 | 1 | 1 | 1 | 3 | |
齿轮的不平度，椭园度，主被动齿啮合区均符合要求，
台架寿命：
输出扭距30000N-M，疲劳寿命25万次。
输出扭距18000N-M，疲劳寿命85万次。
分别符合10万次与70万次的标准要求。
实施例4：EQ2402(460)载重工程车后桥主被动齿的制造：
(1)齿轮钢成分(重量％)：
C 0.14，Mn 1.55，Cr 1.72，Ti 0.08，O 12PPm，Ni 0.05，Mo 0.01，W 0.02，Cu 0.11，AL 0.03，Si 0.07，P 0.011，S 0.025。
[Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni]＝3.31
钢材淬透性检验：J15＝38.3HRC J25＝36.9HRC
(2)EQ2402(460)载重工程车后桥主被动齿热处理工艺：
齿轮毛坯的等温正火工艺：
加热温度：900℃，等温温度：630℃，风冷时间3分。
齿轮的渗碳淬火回火工艺参见附图。
淬火油温：80℃ 回火温度：200℃
每料盘周期：50分；距齿表面0.1mm处最大C浓度0.83％。
(3)齿轮毛坯的正火硬度HB173，冷加工表面光洁度高，断屑性好。
(4)EQ2402(460)载重工程车后桥主被动齿轮成品：
| 心部硬度(HRC) | 层深(mm) | 表面硬度(HRC) | 心部铁素体(级) | C化合物(级) | 马氐体(级) | 残余奥氏体(级) | ||
| 标准 | 30～40 | 1.6～2.0 | 58～64 | ≤3 | 1～4 | 1～4 | 1～4 | |
| 次数 | 1 | 39 | 1.9 | 63 | 1 | 1 | 2 | 2 |
| 2 | 38 | 2.0 | 61 | 1 | 1 | 1 | 3 | |
| 3 | 39 | 1.95 | 62 | 1 | 1 | 2 | 2 | |
齿轮的不平度，椭园度，主被动齿啮合区均符合要求。
台架寿命：输出扭距45000N-M，疲劳寿命标准为≥50万次，实际寿命为85万次。
Claims (2)
1.一种重载齿轮钢，其特征是：其化学成分重量百分比为：C 0.14-0.20，Mn 1.2-1.60，Si≤0.12，P≤0.03，S 0.015-0.04，Cr 1.30-1.80，W≤0.05，Ti 0.04-0.10，0≤20PPM，余量为Fe和其他杂质。
2.根据权利要求1所述的一种重载齿轮钢，其特征是：在炼钢时，当C含量一定时，相应Mn、Cr、Mo、W及Ni的含量按下列要求控制成份：
C(％重量) (Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni) (％重量)
0.20 2.85±0.03
0.19 2.97±0.03
0.18 3.05±0.03
0.17 3.12±0.03
0.16 3.19±0.03
0.15 3.25±0.03
0.14 3.32±0.03。
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