CN102586694B - 齿轮用钢及其热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种齿轮用钢及其热处理方法，所述齿轮用钢具有以下成分：C0.19-0.21％；Si 0.23-0.30％；Mn 0.75-0.85％；Cr 1.07-1.10％；Mo 0.19-0.21％；Ni 0.03-0.05％；Cu 0.03-0.09％；P≤0.020％；S 0.012-0.020％；AL 0.010-0.030％；O≤15PPm；N 30-60PPm；余量为铁及其他不可避免的元素。本发明成分科学、合理，解决了现有技术中技术问题，实现了淬透性带窄、奥氏体晶粒度级别高的优点。

Description

齿轮用钢及其热处理方法

技术领域

本发明涉及冶金技术，尤其涉及一种齿轮用钢及其热处理方法。

背景技术

汽车、摩托车齿轮主要安装在变速箱、减速器和差速器中，承担改变速度、输出扭矩、驱动汽车、摩托车行驶的任务。齿轮工作时，全部扭矩都作用在啮合的轮齿上，齿轮承受很大的弯曲应力和接触应力，而且是周期性地作用于每一个轮齿上，使其承受重复交变应力的作用。齿轮在啮合传递扭矩的过程中或在相对滚动中也会发生相对的滑动而产生摩擦。尤其是因路况、环境、车速等不同，汽车需要经常换档，使齿轮端部受到多次撞击、过载和强烈冲击的考验。研究表明齿轮用钢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。所以齿轮用钢应具有较窄的淬透性带。此外较高的奥氏体晶粒度级别可提高齿轮的抗疲劳性。

现有的20CrMoH钢，执行QJ/DT02.3245-2008标准。其成分如表1所示。

表1 20CrMoH钢成分(余量为铁)

按JIS G0551测定20CrMoH钢奥氏体晶粒度≥5。将20CrMoH钢用制成

的标准试样，按GB/T225检验钢的淬透性，其淬透性见表2所示，淬透性带宽为7HRC，其中J15为距末端距离为15mm的淬透带硬度值，单位为HRC。现有20CrMoH钢成分控制散差大，奥氏体晶粒度级别低、末端只检测1点淬透性带，且控制较宽。

表2 20CrMoH钢淬透性

随着汽车和摩托车行业的不断发展，对齿轮用钢的质量要求越来越苛刻。如何调整钢的元素成分，研制一种淬透性带窄、且多点淬透性带都得到控制、晶粒度级别高的齿轮用钢是行业内备受关注和亟待解决的课题。

发明内容

本发明的第一个方面是提供一种齿轮用钢，以克服现有技术的缺点，实现淬透性带窄、晶粒度级别高的优点。

本发明提供一种齿轮用钢，具有以下成分：

余量为铁及其他不可避免的元素。本发明中单位％均为质量百分含量。

齿轮用钢的元素成分，不仅对齿轮心部性能(如淬透性)产生直接影响，同时又对渗层的性能产生直接(气体含量及夹杂物级别)和间接(渗层碳浓度、内氧化、淬火后显微组织形态)影响。

淬透性是试样在规定的工艺条件下淬火，可获得的最高硬度值，是保证齿轮具有高强度(高的弯曲疲劳强度和接触疲劳寿命)和高耐磨性的基础。即淬透性是试样在规定的工艺条件下淬火，所能获得的最大淬硬层的深度。渗碳钢的淬透性主要取决于所含合金元素的类型和含量、同时还与渗层表面的含碳量和渗碳时发生内氧化的程度有关。本发明齿轮用钢包括成分配比为0.19-0.21％的碳，是低碳齿轮钢。本发明齿轮用钢中包括成分配比为0.75-0.85％的Mn、1.03-1.13％的Cr、0.03-0.05％的Ni和0.03-0.09％的Cu，可保证齿轮用钢的渗层表面淬硬性。相比现有技术本发明齿轮用钢减少了对易发生内氧化的元素Mn和Cr的添加量，并限定在一个窄范围区间，避免轻度内氧化发生对表层性能的形响，淬透性由抗氧化元素的Ni和Cu元素弥补。钢的淬透性要保证齿轮表面和心部淬火时不发生过冷奥氏体分解为合适，稳定的成分控制范围是保证淬火热处理制度稳定的关键，从而稳定齿轮用钢的产品质量。

齿轮心部合适的强度和韧性，既可以保证齿的整体强度和渗层的抗剥落能力，又可以具有足够的抗冲击脆力，防止齿的脆断，在相同的淬火条件下，心部强度的高低还会影响齿轮表面残余应力的性质(拉应力还是压应力)和大小，齿轮心部强度低时有利于形成表面残余压应力和使其数值增大，从而有利于疲劳抗力的提高。渗碳钢的心部强度和韧性，在淬透的情况下主要取决于钢的含碳量，当钢中碳的百分含量大于0.25％时，塑性和韧性降低幅度加大，所以本发明齿轮用钢中C含量设计成0.19-0.21％。为改善低碳齿轮钢切削加工困难的问题，本发明齿轮用钢中还包括成分百分含量为0.012-0.020％的S。本发明齿轮用钢中包括成分配比为0.010-0.030％的AL，可保证实现材料氧含量小于15PPm。本发明齿轮用钢中包括成分配比为30-60PPm的N，可保证钢中形成足够细小弥散分布的难熔化合物-ALN细化晶粒，实现晶粒度级别大于6级。

本发明的另一个方面是提供一种上述齿轮用钢的热处理方法，以解决现有技术中的缺陷，获得需要的金相组织和较高的力学性能。

本发明提供的一种上述齿轮用钢的热处理方法，包括以下步骤：

(1)、正火：温度925±5℃，保温时间40-60min然后空冷至室温；

(2)、末端淬火：温度925±5℃，保温时间30±5min，然后空冷至室温。

本发明的又一个方面是提供一种齿轮，以克服现有技术的缺点，实现性能稳定、寿命长的优点。

本发明提供的一种齿轮，采用上述齿轮用钢制备而成。

本发明的又一个方面是提供一种上述齿轮用钢的用途，用于锻造汽车和摩托车齿轮。所述锻造可采用常规锻造方法。

本发明一种齿轮用钢及其热处理方法的技术效果是：

1、淬透性带窄，本发明通过降低易发生氧化的Mn和Cr含量，并通过抗氧化元素的Ni和Cu元素弥补淬透性，使齿轮用钢的五点淬透性带J3、J8、J13、J30、J40波动小于5HRC(其中Ji为距末端距离为imm的淬透带硬度值，单位为HRC)；

2、奥氏体晶粒度高，本发明包括重量配比为30-60PPm的N，使钢中形成难熔化合物-ALN细化晶粒，实现晶粒度级别大于6级。

具体实施方式

对照例1-3

表3对照例1-3成分(余量为铁)

选取三组20CrMoH钢作为对照例，成分如表3所示，按JIS G0551测定对照例1-3的晶粒度如表4所示，其级别为5-6级。将实施例1-3制成

的标准试样，按GB/T225检验钢的淬透性，其淬透性见表4所示，对照例1淬透性J15为15HRC，处理后获得铁素体和珠光体，硬度太低，不利切削加工。对照例2淬透性适中，处理后获得铁素体加细珠光体，J15为28HRC符合技术要求。对照例3淬透性J15为42HRC，处理获得的是铁素体、珠光体和贝氏体，显微组织和硬度均不符合要求。由表4可见，对照例1-3所述钢的淬透性带较宽，无法满足齿轮切削加工的需要，且由其制备的齿轮易发生形变。

表4对照例1-3的淬透性和晶粒度级别

实施例1-14

实施例1-14齿轮用钢的成分如表5所示。热处理方法为：在925±5℃保温40-60分钟正火后的毛坯Φ30-32mm，制成Φ25±0.5mm标准试样，末端淬火温度925℃±5℃均温保温30±5分钟端淬。

表5实施例1-14齿轮用钢的成分

按JIS G0551测定实施例1-14齿轮用钢奥氏体晶粒度如表6所示，实施例1-14齿轮用钢的晶粒度级别均大于6级。按GB/T225对实施例1-14齿轮用钢不同规格的钢材作淬透性实验，实验结果如表6所示，可见本发明齿轮用钢淬透性J3、J8、J13、J30、J40五点带宽(计算方法采用GB/T225-2006/ISO642：1999)均控制在5RCH以下。通过实施例1-14可见本发明齿轮用刚淬透性带窄、晶粒度级别高，满足汽车和摩托车行业齿轮用钢的质量要求。

表6实施例1-14齿轮用钢的淬透性和晶粒度

实施例15

采用实施例1-14齿轮用钢通过锻造生产齿轮，所生产的齿轮应用在汽车或摩托车上，可减少断齿的变形，提高齿轮的使用寿命

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种齿轮用钢，其特征在于，具有以下成分：

余量为铁及其他不可避免的元素。

2.一种权利要求1所述齿轮用钢的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、正火：温度925±5℃，保温时间40-60min，然后空冷至室温；

(2)、末端淬火：温度925±5℃，保温时间30±5min，然后空冷至室温。

3.一种齿轮，其特征在于，采用权利要求1所述齿轮用钢制备而成。

4.一种权利要求3所述齿轮的制备方法，其特征在于，包括将权利要求1所述的齿轮用钢实施锻造制成齿轮的步骤。