CN1172918A - 高疲劳强度齿轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有高疲劳强度,且较价廉的齿轮。该齿轮为塑性加工齿轮,在固溶处理后,施以兼作人工时效处理的软氮化处理,该齿轮具有充分深的表面硬化层,且因在制造过程中将人工时效处理与软氮化处理合二为一,可节能和降低造价。所用钢材的组成成分为各元素重量比为:C≤0.01%,Si≤1%,0.05%≤Mn≤0.5%,P≤0.1%,S≤0.03%,0.02%≤sol.Al≤0.1%,0.8%≤Cu≤1.7%,0.02%≤Sol.Ti≤0.1%,余量为Fe及其它不可缺元素。

Description

高疲劳强度齿轮

本发明涉及高疲劳强度齿轮。

现有的高疲劳强度齿轮，大都由含Al、Cr等成分的中、低炭钢，如JISSACM645等钢号，适用于软氮化处理的钢材制成。但，向来所用钢材，单凭软氮化处理，并不能得到有很高的疲劳强度的齿轮，尚必须施加例如对钢材进行调质处理，以提高其内部硬度(亦即内部强度)的措施。

然而，一般都是对经过机械加工的齿轮的中间体进行软氮化处理，所以，考虑到机械加工性，上述由调质处理而增加的硬度提高的程度，自有其限度，其结果，齿轮的疲劳强度，尤其是齿根的抗弯曲疲劳强度常不能符合要求，此抗弯曲疲劳强度常较渗炭处理的齿轮为低。这是现有技术存在的问题。

本发明之目的旨在提供一种具有高疲劳强度且尺寸精确的齿轮，上述齿轮的制造材料为具有良好的塑性加工性能和机械加工性能，且在固溶处理后，可以进行兼做人工时效处理的软氮化处理的特定钢材。

为达到上述目的，本发明是在使用下述成分钢材，经过塑性加工的齿轮上，施行固溶处理后，再施加兼作人工时效处理的软氮化处理，而提供出一种高疲劳强度的齿轮；该钢材成分如下：C≤0.01％(重量比)、Si≤1％(重量比)，0.05％≤Mn≤0.5％(重量比)，P≤0.1％(重量比)，S≤0.03％(重量比)，0.02％≤sol.Al≤0.1％(重量比)，0.8％≤Cu≤1.7％(重量比)，0.02％≤Ti≤0.1％(重量比)，其余为Fe以及其它不可缺少元素等。

含有上述成分的钢材，由于在金属组织上有铁素体单相组织，故具有和软钢大致相同的良好塑性加工性能，和机械加工性能。

另外，上述钢材，由于伴随着Cu的过饱和固溶，发挥时效硬化性能，故在经过固溶淬火以后的齿轮中间产品上，再施加人工时效处理则可将齿轮的机械强度予以提高。

更进一步，由于是在含炭量极低状态下含有Ti，上述钢材在固溶处理后的人工时效的温度下，有良好的软氮化特性。换言之，此种钢材的人工时效温度与软氮化温度约大略一致。

依此原因，通过对齿轮中间产品施加兼作人工时效处理的软氮化处理以后，不做调质处理，也可将齿轮的疲劳强度提高很多。另外不言而喻，将两种处理过程合并在一起进行，可得到节能和降低造价的效果。

从提高疲劳强度的角度看来，最好是表面硬化层(亦即全氮化层，下同)的深度d≥0.6mm。但是，该深度d的上限数值，譬如齿轮的厚度为2.2mm以上时，应定为d＝1.0mm。因当d＞1.0mm时齿轮将要脆化。

另外，软氮化处理是在较低温下进行，所以齿轮产生的热处理变形也很小。因此，如果在软氮化处理以前做好剃齿加工(shaving)，则在齿轮软氮化处理后仍可保持高的尺寸精度。因此不需要渗炭处理后必需的齿面研磨精加工。

现将上述钢材内含有的化学成分的作用效果，以及数量上所以有限制的理由简述如下：

C：为了在钢材内将其金属组织形成铁素体单向组织而确保高的延展性，且加深依软氮化处理产生的表面硬化层，C之含量最好尽量地少。C之含量若为：C＞0.01％(重量比)时，则钢材的延展性将变低，同时表面硬化层也将变薄。

Si：Si为使钢材强度提高的元素，可依所需强度而调配其含有量。但，Si的含量当在Si＞1％(重量比)时，钢材之延展性下降，从而钢材的塑性加工性能将下降。

Mn：Mn与Si一样都是可令钢材提高强度的元素，依所需强度要求可以调配其含有量。但Mn的含量若达到Mn＞0.5％(重量比)时，钢材的延展性能会低下，而当Mn＜0.05％(重量比)时，则失去掺加该元素的效果，同时在钢材的表面易生瑕疵。

P：P与Si、Mn一样是提高钢材强度的元素，依所需强度要求可以调配其含有量。但当P的含量为P＞0.1％(重量比)时将产生二次加工裂隙。

S：为提高钢材的延展性，S的含量低较好。当S的含量是S＞0.03％(重量比)时，钢材的延展性将会大幅度降低。

Al：Al具有提高钢材的软氮化处理的效果。但当Al的含量为Al＞0.1％(重量比)时，钢材的塑性加工性能和机械加工性能都下降，另一方面，若Al＜0.02％(重量比)则无掺入该元素的效果。

Cu：如前所述，Cu可赋予钢材以时效硬化性。但当Cu含量达到Cu＞1.7％(重量比)时，钢材表面的质量恶化，另一方面，若Cu含量Cu＜0.8％(重量比)时则无掺入该元素的效果。

Ti：如前所述，Ti在含炭极低条件下，可给钢材赋予良好的软氮化特性。即，Ti和Fe形成微细的复氮化物，有使表面硬化层加深的效果。但当Ti的含量Ti＜0.1％(重量比)时，表面硬化层过深，将使钢材变脆。另一方面，若Ti＞0.02％(重量比)则无掺入该元素的效果。

上述钢材之中，作为其它掺入元素Ni，其含量可为0.15％(重量比)≤Ni≤0.7％(重量比)。Ni可提高钢材的表面质量，另外也具有防止热脆性的效果。

在钢材为钢板的场合，固溶处理多在热轧之同时进行，在轧制加工过程中，是通过将钢板从精轧温度急冷至卷板温度来进行的。在钢材为钢条的场合，也可在轧制加工的最终阶段进行固溶处理，但若该钢条被用作热锻造加工时，则固溶处理是通过在热锻造加工完成后进行急冷，或在兼作结晶粒度调整用的再加热后进行急冷来进行的。

对上述精加工温度及热锻造加工的最终温度，也即固溶处理温度T₁，设定为780℃≤T₁≤1050℃。但是，若固溶处理温度Ti＜780℃则不能使Cu过饱和地固溶，另一方面，若T₁＞1050℃则产生结晶粒的粗大化现象从而导致强度和韧性下降。

上述钢材的人工时效温度T₂为550℃≤T₂≤600℃之间。若人工时效温度T₂＞600℃则成为过时效，内部硬度下降，故不能充分提高疲劳强度；另一方面，若T₂＜550℃，则不能进行人工时效处理以及软人氮化处理。又，处理时间t最好为2小时≤t≤4小时。若处理时间t＜2小时，则表面硬化层之深度d将为d＜0.6mm，又；若t＞4小时，则该深度d将超出上述上限值d＝1.0mm。

图1：具有复合齿轮的曲轴的正面图。

图2：副齿轮的立体图。

图3：表示距表面距离与维氏硬度HV 0.2关系的曲线。

图4：表示应力反复次数N与应力变化幅度σ0之间关系的曲线。

如图1所示，曲轴1是用于串联四气缸内燃机的，该曲轴1的旋转扭矩，是通过设于一端部的曲臂2上，具有齿隙消除装置(图未示)的复合齿轮3而传给被动齿轮4的。

复合齿轮3是由兼作曲臂2的主齿轮5，和与主齿轮5在同心连线上嵌合于曲轴1而同主齿轮5相接触的副齿轮6所组成。

副齿轮6是一种塑性加工齿轮。如图2所示，该副齿轮6呈环形，在其中心部位设有嵌合孔7，并于其周围，在同一圆周上等间隔地形成有若干个方形窗8以及若干个圆形孔9。在各个方形窗8的一端，沿圆周方向设有弯起爪10。该弯起爪10作为齿隙消除装置的一部分而发挥其作用。各个圆形孔9是为减轻副齿轮6的重量而设置的。

副齿轮6由于设置有上述嵌接孔7、以及多个方形窗8和多个圆形孔9等，因而要求必须具备相当高的疲劳强度。

表1为制作副齿轮6所用钢板的成分组成。

表1

化  学  成  分  (重量％)
										C	Si	Mn	P	S	Al	Cu	Ti	Ni	Fe
0.002	0.018	0.25	0.014	0.002	0.05	1.24	0.05	0.7	剩余部分

该钢板由于是使用带钢热轧机制作而成，故通过从精加工温度(固溶处理温度T₁)910℃急冷至卷捆温度300℃而完成固溶处理。钢板厚度为3.5mm。

当副齿轮6为冲切而成时，在制造该副齿轮6时，按冲床冲切加工，压床弯曲加工，机械加工，以及兼作人工时效处理的软氮化处理等工序依次进行。

以下就其具体作业做简要说明。

A.冲床冲切加工

依次进行下列工序，即：从上述钢板中冲切出直径110mm的毛坯；在毛坯上进行冲切加工制成具备轮齿的副齿轮中间品；在副齿轮中间品上进行冲切加工形成嵌合孔用预孔以及各个圆孔9和各个弯起爪用字形的切槽。

B.压床弯曲加工

对副齿轮中间品施行弯曲加工形成各个弯起爪10，同时形成各个方形窗。

C.机械加工

对副齿轮中间品的嵌合孔用预孔进行车床加工形成嵌合孔7，接着对副齿轮中间品的各个轮齿面(齿尖面及齿根面)施行剃齿加工。

D.兼作人工时效处理的软氮化处理

对副齿轮的中间品施行兼作人工时效处理的软氮化处理得到副齿轮6。处理操作的各种条件规定为：周围气体环境为以N₂为主体的NH₃，人工时效温度T₂＝580℃，处理时间t＝2小时。上述副齿轮6即作为本发明之实施例1。另外将上述处理作业的处理时间设定为t＝3小时，则可得另一种副齿轮6，将它作为实施例2。

为了进行比较，列出以下比较例。

比较例1：使用3.5mm厚的软氮化用钢板制成与上述同样的副齿轮中间品，并将此副齿轮中间品进行软氮化处理从而得到副齿轮。上述所用钢板的组成成分如下：0.3％(重量比)的C，1％(重量比)的Mn，1％(重量比)的Cr，0.1％(重量比)的V，0.001％(重量比)的B，其余部分为Fe。处理时间t＝3小时，除此之外，其它条件与上述全同。

比较例2：用铝铬钼钢(JIS SACM 645)的调质钢材，从3.5mm厚的钢板制出与上述同样的副齿轮中间品，并对该副齿轮中间品实施软氮化处理得到副齿轮。处理条件之中除处理时间t＝3小时之外，其它与上述相同。

比较例3：另外，用3.5mm厚渗炭钢(JIS SCM415M)钢板制成与上述同样的副齿轮中间品，并对该副齿轮中间品施以渗炭淬火处理而得到副齿轮。处理条件为：在渗炭环境中，910℃保持1.5小时；840℃保持0.5小时，然后急冷。

图3示出实施例1、2，以及比较例1～3的距表面的距离与硬度HV0.2的关系。由图3可知，实施例1、2与比较例1～3相比，其表面硬化层深度d较深，但表面及其附近的硬度则较低。

接着，对实施例1、2和比较例1～3，都施行了对称交变平面弯曲疲劳试验，测出副齿轮6的齿根11处的弯曲疲劳强度。

图4示出实施例1、2以及比较例1～3的应力循环次数N与应力振幅σ_a之间之间的关系。表2说明实施例1、2以及比较例1～3的，在应力循环次数N＝10⁷回时的应力振幅σ_a。

表2

	应力循环次数为N＝107回时的应力振幅σa
		实施例1	675
实施例2	686
		比较例1	549
比较例2	640
		比较例3	647

从图4以及表2可知，实施例1、2即使与渗炭淬火处理后的比较例3相比，其弯曲疲劳强度也是高的。

另外，如副齿轮6为热锻造齿轮时，制造该副齿轮6要依次进行下述作业：热锻造加工，固溶处理，机械加工，最后是兼作人工时效处理的软氮化处理等。

下面就各项作业加以具体说明。

I.热锻造加工

从具有表1所示成分的直径为50mm的圆钢切取长30mm一段钢片的工序；将该钢片加热到950℃的工序；除掉钢片上的氧化皮的工序；由高速锻造机进行模压的工序；用曲柄式冲床进行切毛边的工序；用曲柄式冲床进行整形的工序，这样得到与上述经过B工序以后的副齿轮中间品同样的部件。

II固溶处理

将热锻加工完后的最终温度(固溶温度T₁)910℃的副齿轮中间品进行急冷，从而对该副齿轮中间品施以固溶处理。

然后经过与上述C项和D项同样的各种作业而得到副齿轮6。只是将上述D项所述的处理时间t设定为t＝3小时。这样得到的副齿轮6也和上述一样具有很高的弯曲疲劳强度。

依照本发明，可以提供使用具有良好的塑性加工性能和机械加工性能，且在固溶处理后，可施以兼作人工时效处理的软氮化处理的特定钢材做成的、具有高疲劳强度和尺寸精确的齿轮。同时因为将人工时效处理和软氮化处理合在一起进行，可节省能源、降低成本，提供一种价格较低的齿轮。

Claims (5)

1.一种高疲劳强度齿轮，其特征在于，C≤0.01％、Si≤1％、0.05％≤Mn≤0.5％、P≤0.1％、0.8％≤Cu≤1.7％、0.02％≤sol.Al≤0.1％、S≤0.03％、0.02％≤Ti≤0.1％，剩余部分为Fe以及其它不可缺少元素，在固溶处理后，对其施以兼作人工时效处理的软氮化处理。

2.一种高疲劳强度齿轮，其特征在于：它是使用由下列元素构成的钢材的塑性加工齿轮，上述钢材构成(重量百分比)为：C≤0.01％、Si≤1％、0.05％≤Mn≤0.5％、P≤0.1％、S≤0.03％、0.02％≤sol.Al≤0.1％、0.8％≤Cu≤1.7％、0.02％≤Ti≤0.1％、0.15％≤Ni≤0.7％、剩余部分为Fe以及其它不可缺少元素，在固溶处理后，对其施以兼作人工时效处理的软氮化处理。

3.如权利要求1或2所述的高疲劳强度齿轮，其特征在于，人工时效温度T₂设定为：550℃≤T₂≤600℃。

4.如权利要求1至3中任一项所述的高疲劳强度齿轮，其特征在于：所述塑性加工齿轮为冲裁齿轮。

5.如权利要求1至3中任一项所述的高疲劳强度齿轮，其特征在于：所述塑性加工齿轮为热锻造齿轮。

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