CN1548571A - 一种同步器齿轮用钢 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种同步器齿轮用钢，其化学组份(％重量)为：C 0.25－0.30，Mn 0.50－0.85，Si≤0.37，Cr 0.50－0.85，S 0.02－0.06，Ti0.04－0.10，Ni≤0.10，Mo≤0.05，W≤0.05，本发明用于制造同步器齿轮，热处理变形小，变形波动幅度小；机械加工性能好，特别适合于制造汽车同步器。
Description
(一)技术领域：本发明涉及冶金技术领域，属于合金钢类，是一种用于制造同步器齿轮的齿轮钢。
(二)背景技术：同步器齿轮是变速箱中用来换挡的齿轮。特点是模数小，一般小于3.5；齿轮的模壁薄。齿轮在渗碳或碳氮共渗后的油淬过程中，心部的冷却速度很快。这个特点对钢材的要求是钢的淬透性要低。目前，美国用SAE8620H，中欧国家用28MnCr5，日本用SCM420H，SCr420H，中国和俄罗斯用20CrMnTiH，20Cr，20CrNi钢制造同步器齿轮。SAE8620H，28MnCr5，SCM420H，SCr420H，20CrMnTiH这五个钢号的淬透性偏高，即时是使取钢的淬透性的下限，同步器齿轮的心部硬度和内M值(跨棒距)的收缩量还是超出标准要求；例如，用20CrMnTiH钢制造东风牌工程车的同步器齿轮，齿轮的心部硬度常超过HRC30-40的标准，达到HRC42-46，齿轮的内M值的收缩量达到0.25MM(超过0.15MM的要求)。用28MnCr5钢制造齐瑞牌和吉利牌轿车的1/2档同步器齿轮，很难保证HV320-480的心部硬度，达到HV520-550.吉利轿车1/2档齿轮的内花键变形大，椭圆度达到0.25％。目前，为了保证齿轮的心部硬度不超过标准，减少变形；不得不采用750℃亚温淬火。但是这又往往致使心部铁素体组织级别超过标准，最大时达到八级。为避免同步器齿轮的严重变形，不得不采用压床淬火。这又造成生产效率的降低和成本的升高。中国GB3077-88标准中的20Cr和20CrNi钢的淬透性不高，用来制造同步器齿轮上述质量问题虽说没有那么严重，但由于淬透性太低，在齿轮毛坯正火处理之后，步氏硬度低，达不到HB160-180，同时因为碳含量低，毛胚正火组织中铁素体含量高，致使零件在机械加工后出现光洁度达不到要求，表面拉伤，毛刺等质量问题。由于上述原因，同步器齿轮的制造长期处于质量问题多，制造成本高，技术难度大的状态。
中国发明专利CN1257132A提出微变形渗碳齿轮钢，试图采用提高钢材的合金含量，提高钢材的淬透性，使齿轮毛胚从高温不经过油淬和回火，只在空气中冷却，使齿轮的心部得到贝氏体组织，表面得到马氏体加贝氏体组织的技术方案来减轻齿轮的热处理变形。这个技术方案有两个问题：第一，齿轮从高温状态在空气中冷却会造成表面脱碳，这会大大降低齿轮的接触疲劳强度。如果采用保护气体冷却，保护气体的制备和消耗要大大提高制造成本。第二，齿轮表面的高碳马氏体不经低温回火，韧性很差。会造成淬火裂纹和齿面嘣裂。由于存在这两个问题，这个技术方案很难应用于解决齿轮的变形问题。
日本专利JP56116857A，JP3184411B2所提出的齿轮钢，其合金元素含量过高，钢的淬透性高。如果用来制造同步器齿轮，会出现上述同样的质量问题。
(三)发明内容：本发明是要解决目前同步器齿轮制造中存在的变形大，心部硬度高，铁素体组织超级别，冷加工性能不好，制造成本高等问题，提供一种热处理变形小，机械加工性能好的同步器齿轮用钢。
本发明钢的化学成份(重量百分比)为：
C 0.25-0.30 Mn 0.5-0.85 Si ≤0.37
P ≤0.03 S 0.02-0.06 Cr 0.5-0.85
Ni ≤0.10 Mo ≤0.05 W ≤0.05
Ti 0.04-0.10 余量为Fe和杂质
本发明对模数为2-3.5的同步器齿轮用钢，在炼钢时须按下列要求控制成份：
C (％重量) (Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)±0.03(％重量)
0.25 1.63
0.26 1.59
0.27 1.55
0.28 1.51
0.29 1.48
0.30 1.44
本发明对模数为2以下的同步器齿轮用钢，在炼钢时按下列要求控制成份：
C(％重量) (Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)±0.03(％重量)
0.25 1.41
0.26 1.37
0.27 1.33
0.28 1.29
0.29 1.25
0.30 1.21
本发明中的Ti0.04-0.10，可用(％重量)Al 0.02-0.055和N0.010-0.015来替换。
本发明技术方案的特点在于：
1.同20CrMnTiH，SCM420H，SCr420H，28MnCr5，专利JP3184411B2，专利JP56116857A，专利JP61291952A钢相比，本发明钢的合金元素Mn，Cr的上限大大降低，同SAE8620H钢相比，同专利JP3184411B比较，本发明钢中Ni，Mo，W合金元素的含量的上限极低；如表1：
表1：合金元素含量的比较
| 钢号 | C | Mn | Si | Cr | Ni | Mo | W | Ti |
| 20CrMnTi | 0.17-0.23 | 0.80-1.15 | 0.17-0.37 | 1.00-1.35 | 0.04-0.10 | |||
| SCM420H | 0.17-0.23 | 0.55-0.90 | 0.15-0.35 | 0.85-1.25 | 0.15-0.35 | |||
| SCr420H | 0.17-0.23 | 0.55-0.90 | 0.15-0.35 | 0.85-1.25 | ||||
| SAE8620H | 0.17-0.23 | 0.60-0.95 | 0.15-0.35 | 0.35-0.65 | 0.35-0.75 | 0.15-0.25 | ||
| 28MnCr5 | 0.25-0.30 | 0.60-0.90 | ≤0.12 | 0.80-1.00 | ||||
| 专利1 | 0.10-0.35 | 0.2-1.5 | 1.0-2.5 | 0.1-1.50 | 0.01-0.50 | 0.01-1.5 | ≤0.05 | |
| 专利2 | 0.10-0.50 | 0.3-1.7 | ≤0.50 | ≤2.0 | ≤5.0 | ≤1 0 | ||
| 专利3 | 0.15-0.40 | ≤0.50 | ≤0.10 | 0.50-2.0 | ||||
| 本发明钢 | 0.25-0.30 | 0.50-0.85 | ≤0.37 | 0.50-0.85 | ≤0.10 | ≤0.05 | ≤0.05 | 0.04-0.10 |
注：专利1：JP3184411B2，专利2：JP56116857A，专利3：JP61291952A
由于本发明在进行钢的成分设计时，测定了同步器齿轮在淬火过程中心部的冷却速度，定量计算了所需要的合金元素含量，发现目前已有的齿轮钢中的合金含量超过了需求量，导至钢的淬透性过高。这是造成同步器齿轮心部硬度高，热处理变形大的主要原因；特别是模数小于2的同步器齿轮。本发明降低了钢的合金元素的含量，使钢的淬透性降低，适应了同步器齿轮在淬火过程中心部冷却快的特点。本发明钢的淬透性，化学成份的中限值与表1其他钢的比较如表2。用本发明的钢制造同步器齿轮，不必采用亚温淬火工艺，齿轮的心部硬度也能够符合标准要求；解决了同步器齿轮心部铁素体组织超级别的问题。齿轮的热处理变形幅度大大减小。
表2：钢的化学成份的中限值，淬透性的的比较
| 钢号 | C | Mn | Si | Cr | Ni | Mo | Ti | S0(mm) |
| 20CrMnTi | 0.20 | 0.975 | 0.27 | 1.175 | 0.07 | 10.7 | ||
| SCM420H | 0.20 | 0.725 | 0.25 | 1.05 | 0.25 | 11.3 | ||
| SCr420H | 0.20 | 0.725 | 0.25 | 1.05 | 7.7 | |||
| SAE8620H | 0.20 | 0.775 | 0.25 | 0.50 | 0.55 | 0.20 | 7.3 | |
| 28MnCr5 | 0.28 | 0.750 | ≤0.12 | 0.90 | 6.8 | |||
| 专利1 | 0.22 | 0.85 | 11.75 | 0.80 | 0.25 | 0.75 | 65 | |
| 专利2 | 0.30 | 1.00 | ≤0.50 | 1.00 | 2.5 | 0.50 | 107 | |
| 专利3 | 0.25 | ≤0.50 | ≤0.10 | 1.25 | 6.9 | |||
| 本发明钢 | 0.28 | 0.675 | ≤0.37 | 0.675 | 0.07 | 4.9 |
专利1：JP3184411B2，专利2：JP56116857A，专利3：JP61291952A
注：表2中的So(mm)是末端淬透性试样上半马氏体区距水冷端的距离。表中的淬透性是根据每个钢种化学成份的中限值测算的。
2.本发明钢同GB3077-88标准中的20Cr，20CrNi钢的化学成份的比较如表3；淬透性的比较如表4：
表3：合金元素含量的比较
| 钢号 | C | Mn | S | Cr | Ni | Mo | W | Ti |
| 20Cr | 0.17-0.23 | 0.50-0.85 | 0.70-1.10 | |||||
| 20CrNi | 0.17-0.23 | 0.40-0.70 | 0.45-0.75 | 1.0-1.4 | ||||
| 本发明 | 0.25-0.30 | 0.50-0.85 | 0.02-0.06 | 0.50-0.85 | ≤0.10 | ≤0.05 | ≤0.05 | 0.04-0.10 |
表4：钢的化学成份的中限值和淬透性的的比较
| 钢号 | C | Mn | Si | Cr | Ni | Mo | Ti | S0(mm) |
| 20Cr | 0.20 | 0.675 | 0.27 | 0.90 | 6.2 | |||
| 20CrNi | 0.20 | 0.55 | 0.27 | 0.60 | 1.20 | 5.5 | ||
| 本发明钢 | 0.28 | 0.675 | ≤0.37 | 0.675 | 0.07 | 4.9 |
注：表4中的So(mm)是末端淬透性试样上半马氏体区距水冷端的距离。表中的淬透性是根据每个钢种化学成份的中限值测算的。
本发明钢同GB3077-88标准中的20Cr，20CrNi钢相比较，碳含量大大提高，又添加了S易切削元素；20Cr，20CrNi钢的淬透性比表1.中钢的淬透性低；比本发明钢的淬透性略高；用于制造同步器齿轮，心部铁素体组织超级别，心部硬度高，变形大等质量问题不太突出，但是由于钢的淬透性太低和碳含量低两个因素造成了齿轮毛胚正火组织中铁素体含量相对增加，齿轮毛坯的正火硬度达不到HB160-180的水平，零件机械加工后光洁度达不到要求，出现毛刺，表面拉伤等质量问题。本发明设计的钢的淬透性更低，在保证淬透性不提高的前提下，提高了钢中的碳含量；由于碳含量提高，毛胚正火组织中铁素体含量相对减少，又添加了易切屑元素S，齿轮毛坯的正火硬度在HB140-170，虽未达到HB160-180的水平，零件机械加工后光洁度仍然很高，断屑性仍然很好。
28MnCr5钢的C，Mn，Cr的下限值分别为0.25％，0.60％和0.80％，对应的So(mm)为4.8mm；对模数为2以下的同步器齿轮，为保证心部硬度和变形不出问题，钢的So(mm)应控制在4.8mm以下。由于很难实现按下限化学成份炼钢，28MnCr5钢无法用来制造模数2以下的同步器齿轮。
JP61291952A专利提出的权利要求：C0.15-0.40％，Cr0.50-2.0％，Mn≤0.5％；当合金元素含量的组合使钢的So(mm)很低，在4.8mm以下时，如果钢中的C＜0.25％，将会出现机诫加工性能变坏的问题。另外，当Cr含量超过1.5％时，合金元素含量的组合会使钢的So(mm)高出所要求的数值，导制齿论的心部硬度偏高和热处理变形太大。因此，该专利提出的技术方案不能解决同步器齿轮现在存在的技术问题。
3.钢的淬透性的稳定性是影响齿轮热处理变形波动幅度的决定性因素；控制钢的淬透性在很窄的范围内波动，可以大大提高齿轮的加工精度。在齿轮热处理时，可以取消压床淬火，大大提高生产效效率。在冶炼齿轮钢时，目前控制钢的淬透性的方法有两种：一种是对C，Mn，Cr，Mo，W，Ni六种影响淬透性大的元素的含量分别给定一个目标值；要求六个目标值都要达到。在冶炼钢时很难作到六个目标都能达到。第2种方法是用电脑，按特定的控制程序对炉中钢液的成份实行动态控制。工人每次加料前要给电脑输入40多个数据，操作的任何错误都可能导制废品。对操作工人的素质要求很高。另外，这种特定的控制程序尚属某些高科技企业的秘密技术；因此，也很难广泛应用于工业生产。按本技术方案的第2和第3条控制钢的成份，炼钢工人很容易将钢的淬透性控制在很窄的范围内。当某个元素高出预定的目标值时，可以降低其他的元素的目标值，达到C和(Mn+Cr+Mo+W+.2Ni)之间的配比符合本技术方案的要求当钢的成份符合本技术方案的要求时，考虑到成份偏析对钢的淬透性带宽的影响，淬透性带宽不超过5HRC。半马氏体距离So的波动幅度不超过1.2mm。由于钢的淬透性稳定，同步器齿的热处理变形的波动幅度会很小，这样通过热处理前预留变形量，可取消压床淬火。大大降低制造成本，缩短生产周期。
模数为2-3.5的同步器齿轮用钢化学成份的匹配和淬透性：
C(％) (Mn+Cr+Mo+W+.2Ni)％ So(mm) J5(HRC) J10(HRC)
0.25 1.63 6.3 39 27
0.26 1.59 6.1 39 27
0.27 1.55 5.8 39 27
0.28 1.51 5.6 39 27
0.29 1.48 5.5 39 27
0.30 1.44 5.4 39 27
模数为2以下的同步器齿轮用钢化学成份的匹配和淬透性：
C(％) (Mn+Cr+Mo+W+.2Ni)％ So(mm) J5(HRC) J10(HRC)
0.25 1.41 4.8 34.0 24
0.26 1.37 4.6 34.0 24
0.27 1.33 4.4 33.8 24
0.28 1.29 4.3 33.7 24
0.29 1.25 4.2 33.6 24
0.30 1.21 4.0 33.5 24
注：So(mm)为末端淬火试样上半马氏体区距水冷端的距离。
J5(HRC)，J10(HRC)为末端淬火试样上距水冷端5mm，10mm的距离处的硬度。
总之，本发明提出的技术方案解决了同步器齿制造中存在的变形大，心部硬度高，铁素体组织超级别，冷加工性能不好，制造成本高等一系列问题。
(四)具体实施方式：
实施例1：齐瑞牌轿车1/2挡步同器齿轮的制造：
(1)齐瑞牌轿车1/2挡步同器齿轮的技术要求：
有效硬化层深：0.4-0.6mm 表面硬度：HV660-780
心部硬度：HV320-480 M值：64.582(+0.092，-0)mm
公法线W/6：39.779-39.844mm(变动幅度＜＝0.065)
(2)用钢成份(％)：
| C | Mn | Si | S | P | Cr | Ni | Mo | W | Al | N |
| 0.25 | 0.64 | 0.1 | 0.06 | 0.022 | 0.80 | 0.02 | 0.00 | 0.00 | 0.03 | 0.012 |
(Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)＝1.44
(3)齐瑞牌轿车1/2挡步同器齿轮的热处理工艺：
齿轮毛坯的正火工艺：
加热温度：890℃ 等温温度：550℃ 风冷时间：3分20秒
齿轮毛坯的碳氮工共渗工艺：
900℃ 3时共渗；780/800℃ 120分油淬；200℃ 180分回火
(4)齿轮毛坯的正火硬度HB146-156，冷加工表面光洁度高，断屑性好。
(5)齐瑞牌轿车1/2挡步同器齿轮的成品：
成品的心部硬度，表面硬度，心部铁素体组织，有效硬化层深以及热处理后的变形幅度均符合要求。
| 次数 | M变动(mm) | W6变动(mm) | 有效硬化层(mm) | 表面硬度(HV) | 心部硬度(HV) | 心部铁素体(级) | 椭园度(％) |
| 1 | 0.005 | 0.012 | 0.53 | HV703-721 | HV441-449 | 3-4 | ≤0.05 |
| 2 | 0.03 | 0.026 | 0.56 | HV767-780 | HV425-449 | 3 | ≤0.05 |
| 3 | 0.01 | 0.058 | 0.432 | HV712-769 | HV445 | 3 | ≤0.05 |
| 4 | 0.006 | 0.05 | 0.44 | HV730-780 | HV464 | 3 | ≤0.05 |
| 5 | 0.011 | 0.03 | 0.44 | HV650-750 | HV447-480 | 3 | ≤0.08 |
*每次的样本数为20件。
*M变动，W/6变动是M值和W/6值热处理前，热处理后值的差值的绝对值。
实施例2：吉利轿车1/2挡步同器齿轮的制造：
(1)吉利轿车1/2挡步同器齿轮的技术要求：
有效硬化层深：0.4-0.8mm，表面硬度：HV660-780，
心部硬度：HV330-480，M值：62.02-62.146(变动幅度≤0.126mm)
公法线W/6：27.517-27.591mm(变动幅度＜＝0.074mm)
(2)用钢成份(％)：
| C | Mn | Si | S | P | Cr | Ni | Mo | W | Al | N |
| 0.29 | 0.66 | 0.22 | 0.053 | 0.021 | 0.55 | 0.04 | 0.03 | 0.01 | 0.03 | 0.013 |
(Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)＝1.26
(3)吉利轿车1/2挡步同器齿轮的热处理工艺：
齿轮毛坯的正火工艺：
加热温度：890℃ 等温温度：550℃ 风冷时间：3分20秒
齿轮毛坯的碳氮工共渗工艺：900℃ 3时共渗；780/800℃ 120分油淬；200℃ 180分回火
(4)齿轮毛坯的正火硬度HB160-165，冷加工表面光洁度高，断屑性好。
(5)吉利轿车1/2挡步同器齿轮的成品：
成品的心部硬度，表面硬度，心部铁素体组织，有效硬化层深以及热处理后的变形幅度均符合要求。
| 次数 | M变动(mm) | W6变动(mm) | 有效硬化层(mm) | 表面硬度(HV) | 心部硬度(HV) | 心部铁素体(级) | 椭园度(％) |
| 1 | 0.004 | 0.05 | 0.61 | HV703-721 | HV410-420 | 2 | ≤0.035 |
| 2 | 0.03 | 0.03 | 0.433 | HV767-780 | HV460 | 2 | ≤0.05 |
| 3 | 0.068 | 0.033 | 0.49 | HV712-769 | HV460 | 1 | ≤0.05 |
*每次的样本数为20件。
*M变动，W/6变动是M值和W/6值热处理前，热处理后值的差值的绝对值。
实施例3：
CA7-95(解放牌工程用车)1/2挡步同器齿轮(齿谷)的制造：
(1)CA7-95(解放牌工程用车)1/2挡步同器齿轮(齿谷)的技术要求：
有效硬化层深：0.3-0.6mm，表面硬度：HV660-780，
心部硬度：HRC33-40，M值：89.345mm(变动幅度-0.145mm，+0mm)
公法线W/10：99.648mm(变动幅度-0.072mm，+0mm)
三曹：14.05-14.13mm(变动幅度0.125mm)
(2).用钢成份(％)：
| C | Mn | Si | S | P | Cr | Ni | Mo | W | Ti | N |
| 0.27 | 0.74 | 0.1 | 0.05 | 0.022 | 0.80 | 0.02 | 0.00 | 0.00 | 0.065 | 0.008 |
(Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)＝1.54
(3)CA7-95(解放牌工程用车)1/2挡步同器齿轮(齿谷)的热处理工艺：
齿轮毛坯的正火工艺：
加热温度：910℃ 等温温度：530℃ 风冷时间：7分
齿轮毛坯的碳氮工共渗工艺：900℃ 3时共渗；780/800℃120分油淬；200℃ 180分回火
(4)齿轮毛坯的正火硬度HB165-170，加工表面光洁度高，断屑性好。
(5)CA7-95(解放牌工程用车)1/2挡步同器齿轮(齿谷)的成品：
成品的心部硬度，表面硬度，心部铁素体组织，效硬化层深以及热处理后的变形幅度均符合要求。
| 次数 | M变动(mm) | W/10变动(mm) | 有效硬化层(mm) | 表面硬度(HV) | 心部硬度(HRC) | 心部铁素体(级) | 三曹变动(mm) |
| 1 | 0.043 | 0.036 | 0.34 | HV703-721 | HRC38 | 2 | 0.0025 |
| 2 | 0.01 | 0.03 | 0.35 | HV767-780 | HRC36 | 3 | 0.020 |
| 3 | 0.02 | 0.005 | 0.32 | HV712-769 | HRC35 | 2 | 0.040 |
| 4 | 0.00 | 0.003 | 0.38 | HV730-780 | HRC36 | 2 | 0.007 |
| 5 | 0.01 | 0.006 | 0.34 | HV650-750 | HRC37 | 3 | 0.010 |
*每次的样本数为20件。
*M变动，W/10变动，三曹变动是M值，W/10值，三曹热处理前，热处理后值的差值的绝对值。
Claims (4)
1.一种同步器齿轮用钢，其特征是：具有以下组份(重量百分比)：
C 0.25-0.30 Mn 0.5-0.85 Si≤0.37
P≤0.03 S 0.02-0.06 Cr 0.5-0.85
Ni≤0.10 Mo≤0.05 W≤0.05
Ti 0.04-0.10 余量为Fe和杂质
2.根据权利要求1所述的一种同步器齿轮用钢，其特征是：对模数为2-3.5的同步器齿轮用钢，在炼钢时按下列要求控制成份：
C (％重量) (Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)±0.03(％重量)
0.25 1.63
0.26 1.59
0.27 1.55
0.28 1.51
0.29 1.48
0.30 1.44
3.根据权利要求1所述的一种同步器齿轮用钢，其特征是：对模数为2以下的同步器齿轮用钢，在炼钢时按下列要求控制成份：
C (％重量) (Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)±0.03(％重量)
0.25 1.41
0.26 1.37
0.27 1.33
0.28 1.29
0.29 1.25
0.30 1.21
4.根据权利要求1所述的一种同步器齿轮用钢，其特征是：其中的Ti 0.04-0.10，可用(％重量)Al 0.02-0.055和N 0.010-0.015来替换。
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