專利名稱：齒輪用微變形滲碳鋼及熱加工工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種齒輪用微變形滲碳鋼及熱加工工藝，特別是汽車齒輪用微變形滲碳鋼及熱加工工藝，屬于冶金工業(yè)的技術(shù)領(lǐng)域。
長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)汽車滲碳齒輪主要采用20CrMnTi、20CrMnMo以及Cr-Ni-Mo系列鋼種，前者應(yīng)用最為廣泛，后者成本較高，國(guó)外采用的滲碳鋼主要有20CrMnMo、20CrMo(美國(guó))、20CrMnH(日本)等，這些材料在滲碳后均要直接淬火或重新加熱淬火然后低溫回火，其缺點(diǎn)是淬火過(guò)程由于齒輪形狀復(fù)雜，不可避免產(chǎn)生變形或淬火裂紋；在我國(guó)，滲碳淬火變形超差導(dǎo)致齒輪報(bào)廢的廢品率很高，不僅經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，而且齒部變形的齒輪在汽車運(yùn)行中，噪音大，油耗高，使用壽命短；同時(shí)，現(xiàn)有的滲碳鋼在滲碳過(guò)程中容易在表層形成塊狀和網(wǎng)狀碳化物，使其在汽車運(yùn)行過(guò)程中滲層易于產(chǎn)生剝落，接觸疲勞壽命低等，為了減少變形，通常采用兩個(gè)途徑，一個(gè)是滲碳后不直接淬火，而是重新第二次加熱淬火或在壓床上淬火，這種方法可減少變形，但在第二次加熱過(guò)程時(shí)表面會(huì)產(chǎn)生氧化脫碳，而且也不能完全解決淬火變形問(wèn)題；第二是滲碳淬火后進(jìn)行磨齒加工、將變形部分磨掉，這一方面使表面局部滲碳硬化層被磨掉，降低使用壽命，加工成本大大提高，另一方面也無(wú)法對(duì)變形超差量較大的齒輪進(jìn)行磨齒加工。此外，現(xiàn)行滲碳鋼在滲碳后必須淬火，淬火介質(zhì)會(huì)污染環(huán)境，淬火槽設(shè)備及淬火介質(zhì)的費(fèi)用也比較高。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)齒輪材料及工藝進(jìn)行了大量的研究，但多是需要淬火處理工序，難以解決上述問(wèn)題。近年來(lái)，已有人采用空冷貝氏體鋼代替現(xiàn)行的調(diào)質(zhì)鋼制做機(jī)器零件，工程構(gòu)件，以及一些大截面尺寸的零件，如Mn-B，Mn-Si-B系貝體體鋼，并在此基礎(chǔ)上添加少量多種其它元素。另一類是Si-Mn-Mo系空冷貝氏體鋼，這些材料具有高的淬透性，在較大尺寸范圍內(nèi)空冷均能獲得貝氏體組織，該組織強(qiáng)度高，經(jīng)過(guò)中溫回火后，具有較高的韌性，但對(duì)汽車要達(dá)到高韌性指標(biāo)必須進(jìn)行中溫回火，這必然會(huì)導(dǎo)致表面硬度降低而達(dá)不到耐磨的要求；若不進(jìn)行中溫回火，就必須在鋼中添加貴重元素，如Cr，W，Nb，Ni等，以及同時(shí)添加其它的多種元素來(lái)細(xì)化晶粒和提高淬透性，如Ti，B，Re，V，Al等，另一方面表層要達(dá)到一定的碳濃度和滲層深度不能加入較多的廉價(jià)元素Si，必須加入較貴重的碳化物形成元素，如Cr、W、Nb等，因此使成本增加。
本發(fā)明的主要目的是要獲得一種成本低、無(wú)變形開裂、工藝簡(jiǎn)單以及表面和心部性能優(yōu)異的滲碳鋼，據(jù)此采用廉價(jià)元素Mn-Si為主加合金元素，再添加微量或少量Mo和Re元素，獲得的一種齒輪的新型滲碳鋼，特別是用于汽車齒輪的新型滲碳鋼及熱加工工藝。
本發(fā)明是這樣構(gòu)成的一種齒輪用微變形滲碳鋼，它是以C、Si、Mn為主加合金元素，再添加微量或少量Mo或Re元素，具體的化學(xué)成份(重量百分?jǐn)?shù))范圍為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，其余為Fe；這種齒輪用微變形滲碳鋼的熱加工工藝，熔煉澆鑄溫度1570℃～1620℃，在800℃～1200℃鍛造成形后空冷，預(yù)備熱處理880℃～950℃加熱后隨爐冷卻到600℃以下出爐空冷，然后加工成齒輪，爐內(nèi)碳勢(shì)控制在1.0～1.25％C，900℃～930℃滲碳后直接出爐空冷或降溫出爐空冷，也可以在860℃～890℃進(jìn)行碳氮共滲后出爐空冷。
在本發(fā)明的滲碳鋼中各元素的作用如下Mn是提高淬透性的主要元素，同時(shí)還有降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度提高強(qiáng)度的作用，由于汽車滲碳齒輪的有效厚度并不大，因此Mn加入量不需要很高，也可根據(jù)一定的齒輪模數(shù)范圍對(duì)Mn量進(jìn)行調(diào)整。
Si在鋼中Si起到抑制碳化物從奧氏體中析出，避免滲碳和空冷過(guò)程中出現(xiàn)塊狀、網(wǎng)狀碳化物，從而提高表層疲勞磨損性能；Si也能強(qiáng)化貝氏體鐵素體，使材料心部強(qiáng)度增加，Si元素降低碳的濃度梯度，還有促進(jìn)碳擴(kuò)散作用。
Mo是顯著推遲珠光體轉(zhuǎn)變，對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變影響不大的元素，也是獲得貝氏體的主要元素。
Re加入少量的Re元素可起到細(xì)化奧氏體晶粒、大幅度提高鋼在空冷條件下的沖擊韌性。在冶煉過(guò)程中，進(jìn)行良好的脫氧、脫硫，同時(shí)控制好易于與Re結(jié)合的其它元素便能使較多的Re元素固溶到奧氏體中。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠獲得一種成本低、無(wú)變形開裂、工藝簡(jiǎn)單以及表面和心部性能優(yōu)異的滲碳鋼，據(jù)此采用廉價(jià)元素Mn-Si為主加合金元素，再添加微量或少量Mo和Re元素，獲得的齒輪的新型滲碳鋼，生產(chǎn)成本特別低廉，材料組織結(jié)構(gòu)好，不容易產(chǎn)生疲勞傷害，提高了齒輪的使用壽命，該鋼經(jīng)滲碳后空冷表面可獲得高的表面硬度HRC 58～63，心部硬度HRC 34～43，表層組織為馬氏體+過(guò)渡形態(tài)的貝氏體和部分殘留奧氏體，心部為貝氏體，表層硬度梯度平緩、無(wú)塊狀和網(wǎng)狀碳化物，從而獲得高的耐磨性和接觸疲勞性能，心部具有高的強(qiáng)韌性。由于滲碳后采用緩冷，不進(jìn)行淬火和回火處理，因而這種齒輪無(wú)淬火變形開裂、尺寸精度高、熱加工工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)還避免了淬火介質(zhì)帶來(lái)的環(huán)境污染。
用本發(fā)明制造汽車齒輪的工序1、對(duì)熔煉過(guò)程前期和中期進(jìn)行良好的脫氧和脫硫，然后按常規(guī)工藝加入其它合金元素。熔煉澆鑄溫度1570℃～～1620℃，鍛軋1200℃～800℃成形后空冷，預(yù)備熱處理880℃～950℃加熱后，隨爐冷卻或冷卻到600℃以下出爐空冷，硬度范圍HB 220～290，HRC 18～32，然后進(jìn)行齒輪加工，表面光潔度良好，熱處理工藝滲碳溫度900℃～930℃，碳勢(shì)控制在1.0％～1.25％C，滲碳后直接出爐空冷或降溫出爐空冷。
主要性能指標(biāo)表面硬度HRC 58～63，心部硬度HRC 33～42，心部強(qiáng)度及塑性σb＝1100～1400MPa，σ0.2＝850～950MPa，δ5＝13～18％，Ψk＝45～56％沖擊韌性(U型缺口)65～120J本發(fā)明的主要特點(diǎn)1、本發(fā)明的滲碳鋼制做的齒輪經(jīng)滲碳后空冷，表層組織為馬氏體-過(guò)渡形態(tài)的貝氏體和少量殘留奧氏體，心部主要是貝氏體，表層硬度梯度平緩，無(wú)塊狀和網(wǎng)狀碳化物，從而獲得高的耐磨性和接觸疲勞性能，心部也具有很高的強(qiáng)韌性。在獲得高表面硬度(HRC 58～63)的同時(shí)，基本上不產(chǎn)生變形、無(wú)淬火開裂等缺陷，使齒輪的尺寸精度大大提高。完全滿足汽車齒輪的性能要求。
2、本發(fā)明的微變形滲碳齒輪鋼不需要淬火和回火處理，避免了淬火介質(zhì)帶來(lái)的環(huán)境污染，而且還節(jié)省了淬火設(shè)備的投資以及淬火介質(zhì)的費(fèi)用，無(wú)需對(duì)碳勢(shì)進(jìn)行精確的控制，因而具有工藝簡(jiǎn)單、加工成本低、不污染環(huán)境、成品率高的優(yōu)點(diǎn)。
3、本發(fā)明鋼的成分元素少，冶煉工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)在不回火的條件下具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性和耐磨性能。本發(fā)明鋼滲碳空冷與現(xiàn)行滲碳鋼20CrMnTi滲碳淬火、200℃回火性能比較如下鋼號(hào) σb(MPa) σ0.2(MPa) δ5(％) Ψk(％)20CrMnTi 1200-1350 850-1050 10-12 55-58本發(fā)明鋼 1150-1350 850-95013-18 45-56鋼號(hào) Ak(J) HRC(表)HRC(心)20CrMnTi 57-74 58-62 35-45本發(fā)明鋼 65-120 58-63 34-42
對(duì)滾耐磨性能比較用規(guī)定載荷下滾動(dòng)摩擦12小時(shí)的磨損量Am(g)表示鋼號(hào)(載荷) 294N 490N 735N20CrMnTi 0.177g 0.269g 0.741g本發(fā)明鋼 0.191g 0.296g 0.365g(滑差10％轉(zhuǎn)速200r/min)上述性能對(duì)比表明，在相同的強(qiáng)度條件下，本發(fā)明鋼不經(jīng)回火處理的沖擊韌性高于20CrMnTi，耐磨性能在高載荷下顯著高于20CrMnTi。
滲碳性能對(duì)比滲碳溫度910℃3.5小時(shí)鋼號(hào) 碳濃渡(距表0.1mm) (距表面0.5m) (距表面0.9mm)20CrMnTi 1.1％ 0.66％ 0.41％本發(fā)明鋼 0.91％ 0.745％0.65％從碳濃度分布看本發(fā)明鋼的碳濃度分布平緩，表面碳濃度低于20CrMnTi，在相同條件下具有較大的滲層深度，滲層碳濃度分布合理，有利于提高表面耐磨性能。
本發(fā)明的實(shí)施例1對(duì)模數(shù)m＜5較小的齒輪，可采用如下的化學(xué)成分(重量百分?jǐn)?shù))C 0.18～0.24、Si 0.7～1.0、Mn 1.7～2.2、Mo 0.15～0.25、Re0.06～0.15，其余為Fe。
本發(fā)明的實(shí)施例2對(duì)模數(shù)m＜5較小的齒輪，C 0.20～0.25、Si 0.8～1.2、Mn 1.7～2.2、Mo 0.2～0.30、Re 0.1～0.2，其余為Fe。
本發(fā)明的實(shí)施例3對(duì)模數(shù)m＞5的齒輪，采用如下的化學(xué)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，其余為Fe。
工藝規(guī)范熔煉澆鑄1570℃～1620℃，在1200℃～800℃鍛造成形—預(yù)備熱處理880℃～950℃加熱后隨爐冷卻到600℃以下出爐空冷——齒輪加工—-滲碳熱處理(900℃～930℃)空冷或降溫后空冷。
權(quán)利要求
1.一種齒輪用微變形滲碳鋼，其特征是以C、Si、Mn為主加合金元素，再添加微量或少量Mo或Re元素，具體的化學(xué)成份(重量百分?jǐn)?shù))范圍為C 0.15～0.3、Mn 1.5～2.5、Si 0.6～1.5、Mo 0.15～0.35、Re 0.0 5～0.2，其余為Fe。
2.一種齒輪用微變形滲碳鋼的熱加工工藝，其特征在于熔煉澆鑄溫度1570℃～～1620℃，在800℃～1200℃鍛造成形后空冷，預(yù)備熱處理880℃～950℃加熱后隨爐冷卻到600℃以下出爐空冷，然后加工成齒輪。
3.按權(quán)利要求2所述的齒輪用微變形滲碳鋼的熱加工工藝，其特征在于爐內(nèi)碳勢(shì)控制在1.0～1.25％C，900℃～930℃滲碳后直接出爐空冷或降溫出爐空冷，也可以在860℃～890℃進(jìn)行碳氮共滲后出爐空冷。
全文摘要
本發(fā)明獲得一種齒輪用微變形滲碳鋼及熱加工工藝,特別是一種汽車齒輪用微變形滲碳鋼及熱加工工藝通過(guò)采用Mn和Si元素,其化學(xué)成分范圍如下:C0.15～0.3、Mn1.5～2.5、Si0.6～1.5、Mo0.15～0.35、Re0.05～0.2,其余為Fe;該鋼經(jīng)滲碳后空冷表面可獲得高的表面硬度HRC58～63,心部硬度HRC34～43,表層組織為馬氏體+過(guò)渡形態(tài)的貝氏體和部分殘留奧氏體,心部為貝氏體,表層硬度梯度平緩、無(wú)塊狀和網(wǎng)狀碳化物,從而獲得高的耐磨性和接觸疲勞性能,心部具有高的強(qiáng)韌性。由于滲碳后采用緩冷,不進(jìn)行淬火和回火處理,因而這種齒輪無(wú)淬火變形開裂、尺寸精度高、熱加工工藝簡(jiǎn)單,加工成本低,同時(shí)還避免了淬火介質(zhì)帶來(lái)的環(huán)境污染。
文檔編號(hào)C21D8/00GK1257132SQ99117458
公開日2000年6月21日 申請(qǐng)日期1999年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月16日
發(fā)明者梁益龍, 朱建培, 高宏, 雷旻, 唐道文, 鐘蜀輝, 江山 申請(qǐng)人:貴州工業(yè)大學(xué)