CN1107736C - 齿轮用微变形渗碳钢及热加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明获得一种齿轮用微变形渗碳钢及热加工工艺，特别是一种汽车齿轮用微变形渗碳钢及热加工工艺通过采用Mn和Si元素，其化学成分范围如下：C 0.15～0.3、Mn 1.5～2.5、Si 0.6～1.5、Mo 0.15～0.35、Re 0.05～0.2，其余为Fe；该钢经渗碳后空冷表面可获得高的表面硬度HRC 58～63，心部硬度HRC 34～43，表层组织为马氏体+过渡形态的贝氏体和部分残留奥氏体，心部为贝氏体，表层硬度梯度平缓、无块状和网状碳化物，从而获得高的耐磨性和接触疲劳性能，心部具有高的强韧性。由于渗碳后采用缓冷，不进行淬火和回火处理，因而这种齿轮无淬火变形开裂、尺寸精度高、热加工工艺简单，加工成本低，同时还避免了淬火介质带来的环境污染。
Description
本发明是一种齿轮用微变形渗碳钢及热加工工艺，特别是汽车齿轮用微变形渗碳钢及热加工工艺，属于冶金工业的技术领域。
长期以来我国汽车渗碳齿轮主要采用20CrMnTi、20CrMnMo以及Cr-Ni-Mo系列钢种，前者应用最为广泛，后者成本较高，国外采用的渗碳钢主要有20CrMnMo、20CrMo(美国)、20CrMnH(日本)等，这些材料在渗碳后均要直接淬火或重新加热淬火然后低温回火，其缺点是淬火过程由于齿轮形状复杂，不可避免产生变形或淬火裂纹；在我国，渗碳淬火变形超差导致齿轮报废的废品率很高，不仅经济损失严重，而且齿部变形的齿轮在汽车运行中，噪音大，油耗高，使用寿命短；同时，现有的渗碳钢在渗碳过程中容易在表层形成块状和网状碳化物，使其在汽车运行过程中渗层易于产生剥落，接触疲劳寿命低等，为了减少变形，通常采用两个途径，一个是渗碳后不直接淬火，而是重新第二次加热淬火或在压床上淬火，这种方法可减少变形，但在第二次加热过程时表面会产生氧化脱碳，而且也不能完全解决淬火变形问题；第二是渗碳淬火后进行磨齿加工、将变形部分磨掉，这一方面使表面局部渗碳硬化层被磨掉，降低使用寿命，加工成本大大提高，另一方面也无法对变形超差量较大的齿轮进行磨齿加工。此外，现行渗碳钢在渗碳后必须淬火，淬火介质会污染环境，淬火槽设备及淬火介质的费用也比较高。当前，国内外对齿轮材料及工艺进行了大量的研究，但多是需要淬火处理工序，难以解决上述问题。近年来，已有人采用空冷贝氏体钢代替现行的调质钢制做机器零件，工程构件，以及一些大截面尺寸的零件，如Mn-B，Mn-Si-B系贝体体钢，并在此基础上添加少量多种其它元素。另一类是Si-Mn-Mo系空冷贝氏体钢，这些材料具有高的淬透性，在较大尺寸范围内空冷均能获得贝氏体组织，该组织强度高，经过中温回火后，具有较高的韧性，但对汽车要达到高韧性指标必须进行中温回火，这必然会导致表面硬度降低而达不到耐磨的要求；若不进行中温回火，就必须在钢中添加贵重元素，如Cr，W，Nb，Ni等，以及同时添加其它的多种元素来细化晶粒和提高淬透性，如Ti，B，Re，V，Al等，另一方面表层要达到一定的碳浓度和渗层深度不能加入较多的廉价元素Si，必须加入较贵重的碳化物形成元素，如Cr、W、Nb等，因此使成本增加。
本发明的主要目的是要获得一种成本低、无变形开裂、工艺简单以及表面和心部性能优异的渗碳钢，据此采用廉价元素Mn-Si为主加合金元素，再添加微量或少量Mo和Re元素，获得的一种齿轮的新型渗碳钢，特别是用于汽车齿轮的新型渗碳钢及热加工工艺。
本发明是这样构成的：一种齿轮用微变形渗碳钢，它是以C、Si、Mn为主加合金元素，再添加微量或少量Mo或Re元素，具体的化学成份(重量百分数)范围为：C 0.15～0.3、Mn 1.5～2.5、Si 0.6～1.5、Mo 0.15～0.35、Re 0.05～0.2，其余为Fe；这种齿轮用微变形渗碳钢的热加工工艺，熔炼浇铸温度1570℃～1620℃，在800℃～1200℃锻造成形后空冷，预备热处理：880℃～950℃加热后随炉冷却到600℃以下出炉空冷，然后加工成齿轮，炉内碳势控制在1.0～1.25％C，900℃～930℃渗碳后直接出炉空冷或降温出炉空冷，也可以在860℃～890℃进行碳氮共渗后出炉空冷。
在本发明的渗碳钢中各元素的作用如下：
Mn：是提高淬透性的主要元素，同时还有降低贝氏体转变温度提高强度的作用，由于汽车渗碳齿轮的有效厚度并不大，因此Mn加入量不需要很高，也可根据一定的齿轮模数范围对Mn量进行调整。
Si：在钢中Si起到抑制碳化物从奥氏体中析出，避免渗碳和空冷过程中出现块状、网状碳化物，从而提高表层疲劳磨损性能；Si也能强化贝氏体铁素体，使材料心部强度增加，Si元素降低碳的浓度梯度，还有促进碳扩散作用。
Mo：是显著推迟珠光体转变，对贝氏体转变影响不大的元素，也是获得贝氏体的主要元素。
Re：加入少量的Re元素可起到细化奥氏体晶粒、大幅度提高钢在空冷条件下的冲击韧性。在冶炼过程中，进行良好的脱氧、脱硫，同时控制好易于与Re结合的其它元素便能使较多的Re元素固溶到奥氏体中。
与现有技术相比，本发明能够获得一种成本低、无变形开裂、工艺简单以及表面和心部性能优异的渗碳钢，据此采用廉价元素Mn-Si为主加合金元素，再添加微量或少量Mo和Re元素，获得的齿轮的新型渗碳钢，生产成本特别低廉，材料组织结构好，不容易产生疲劳伤害，提高了齿轮的使用寿命，该钢经渗碳后空冷表面可获得高的表面硬度HRC 58～63，心部硬度HRC 34～43，表层组织为马氏体+过渡形态的贝氏体和部分残留奥氏体，心部为贝氏体，表层硬度梯度平缓、无块状和网状碳化物，从而获得高的耐磨性和接触疲劳性能，心部具有高的强韧性。由于渗碳后采用缓冷，不进行淬火和回火处理，因而这种齿轮无淬火变形开裂、尺寸精度高、热加工工艺简单，同时还避免了淬火介质带来的环境污染。
用本发明制造汽车齿轮的工序：
1、对熔炼过程前期和中期进行良好的脱氧和脱硫，然后按常规工艺加入其它合金元素。熔炼浇铸温度1570℃～～1620℃，锻轧1200℃～800℃成形后空冷，预备热处理：880℃～950℃加热后，随炉冷却或冷却到600℃以下出炉空冷。硬度范围HB 220～290，HRC 18～32，然后进行齿轮加工，表面光洁度良好，热处理工艺：渗碳温度900℃～930℃，碳势控制在1.0％～1.25％C，渗碳后直接出炉空冷或降温出炉空冷。
主要性能指标：表面硬度HRC 58～63，心部硬度HRC 33～42，心部强度及塑性：σb＝1100～1400MPa，σ0.2＝850～950MPa，δ5＝13～18％，ψk＝45～56％
冲击韧性：(U型缺口)65～120J
本发明的主要特点：
1、本发明的渗碳钢制做的齿轮经渗碳后空冷，表层组织为马氏体+过渡形态的贝氏体和少量残留奥氏体，心部主要是贝氏体，表层硬度梯度平缓，无块状和网状碳化物，从而获得高的耐磨性和接触疲劳性能，心部也具有很高的强韧性。在获得高表面硬度(HRC 58～63)的同时，基本上不产生变形、无淬火开裂等缺陷，使齿轮的尺寸精度大大提高。完全满足汽车齿轮的性能要求。
2、本发明的微变形渗碳齿轮钢不需要淬火和回火处理，避免了淬火介质带来的环境污染，而且还节省了淬火设备的投资以及淬火介质的费用，无需对碳势进行精确的控制，因而具有工艺简单、加工成本低、不污染环境、成品率高的优点。
3、本发明钢的成分元素少，冶炼工艺简单，同时在不回火的条件下具有优良的强韧性和耐磨性能。本发明钢渗碳空冷与现行渗碳钢20CrMnTi渗碳淬火、200℃回火性能比较如下：
钢号 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ5(％) ψk(％)
20CrMnTi 1200-1350 850-1050 10-12 55-58
本发明钢 1150-1350 850-950 13-18 45-56
钢号 Ak(J) HRC(表) HRC(心)
20CrMnTi 57-74 58-62 35-45
本发明钢 65-120 58-63 34-42
对滚耐磨性能比较：用规定载荷下滚动摩擦12小时的磨损量△m(g)表示：
钢号(载荷) 294N 490N 735N
20CrMnTi 0.1779 0.2699 0.7419
本发明钢 0.1919 0.2969 0.3659
(滑差10％转速200r/min)
上述性能对比表明，在相同的强度条件下，本发明钢不经回火处理的冲击韧性高于20CrMnTi，耐磨性能在高载荷下显著高于20CrMnTi。
渗碳性能对比：渗碳温度910℃ 3.5小时
钢号 碳浓渡(距表0.1mm) (距表面0.5m) (距表面0.9mm)
20CrMnTi 1.1％ 0.66％ 0.41％
本发明钢 0.91％ 0.745％ 0.65％
从碳浓度分布看本发明钢的碳浓度分布平缓，表面碳浓度低于20CrMnTi，在相同条件下具有较大的渗层深度，渗层碳浓度分布合理，有利于提高表面耐磨性能。
本发明的实施例1：对模数m＜5较小的齿轮，可采用如下的化学成分(重量百分数)：
C 0.18～0.24、Si 0.7～1.0、Mn 1.7～2.2、Mo 0.15～0.25、Re
0.06～0.15，其余为Fe。
本发明的实施例2：对模数m＜5较小的齿轮，C 0.20～0.25、Si 0.8～i.2、Mn 1.7～2.2、Mo 0.2～0.30、Re 0.1～0.2，其余为Fe。
本发明的实施例3：对模数m＞5的齿轮，采用如下的化学成分：
C 0.20～0.3、Si 1.0～1.4、Mn 2.0～2.5、Mo 0.25～0.40、Re0.1～0.2，其余为Fe。
工艺规范：熔炼浇铸1570℃～1620℃，在1200℃～800℃锻造成形——预备热处理880℃～950℃加热后随炉冷却到600℃以下出炉空冷——齿轮加工——渗碳热处理(900℃～930℃)空冷或降温后空冷。
Claims (4)
1、一种齿轮用微变形渗碳钢，其特征是：以C、Si、Mn为主加合金元素，再添加微量或少量Mo或Re元素，具体的化学成份(重量百分数)范围为：C 0.15～0.3、Mn 1.5～2.5、Si 0.6～1.5、Mo 0.15～0.35、Re0.05～0.2，其余为Fe。
2、一种齿轮用微变形渗碳钢的热加工工艺，其特征在于：以权利要求1所提供的C、Si、Mn、Mo或Re、Fe为熔炼原料，熔炼浇铸温度1570℃～1620℃，在800℃～1200℃锻造成形后空冷，预备热处理：880℃～950℃加热后随炉冷却到600℃以下出炉空冷，然后加工成齿轮。
3、按权利要求2所述的齿轮用微变形渗碳钢的热加工工艺，其特征在于：炉内碳势控制在1.0～1.25％C，900℃～930℃渗碳后直接出炉空冷或降温出炉空冷。
4、按权利要求2、3所述的齿轮用微变形渗碳钢的热加工工艺，其特征在于：在860℃～890℃进行碳氮共渗后出炉空冷。
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