中国齿轮用钢合金化体系的选用及淬透能力的构成.docx
《中国齿轮用钢合金化体系的选用及淬透能力的构成.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中国齿轮用钢合金化体系的选用及淬透能力的构成.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
中国齿轮用钢合金化体系的选用及淬透能力的构成
中国齿轮用钢合金化体系的选用及淬透能力的构成
常曙光
中国齿轮专业协会专家委
一．齿轮制造对齿轮用钢合金化体系及淬透能力构成的要求
1．保证齿轮有高的抗弯曲疲劳性能
（1）足够的抗弯强度：
齿轮用钢合金化体系的构成应当与各种齿轮心部的冷却速度相匹配；保证各种齿轮都能有理想的心部硬度。
（2）低的氧含量（脆性夹渣物）：
疲劳裂纹源数量少。
（3）齿轮心部的塑韧性高，缺口敏感性低：
疲劳裂纹扩张速度慢。
2．保证齿轮有高的接触疲劳性能
（1）齿轮热处理后渗层的非马组织不高
（2）齿轮用钢合金化体系的构成应当与各种齿轮渗层的冷却速度相匹配；保证各种齿轮热处理后渗层的残余奥氏体含量适中
（3）齿轮热处理后渗层的马氏体组织不粗
（4）齿轮热处理后渗层的碳化物弥散分布或没有碳化物析出
3．保证齿轮的加工精度
（1）齿轮的热处理变形波动幅度小：
变形对钢的成分波动和齿轮热处理冷速的波动敏感度不高。
（2）齿轮热处理变形量小
4．保证齿轮有良好的切削性能
5．齿轮渗碳后，能采用直接淬火工艺
6．保证齿轮钢材具有价格竞争优势
二．国内外齿轮用钢合金化体系及淬透能力构成的现状
齿轮的抗弯曲疲劳能力、抗接触疲劳能力、齿轮的啮合精度三大要素，决定了齿轮的使用寿命。
齿轮用钢合金化体系与淬透能力的构成，是决定三大要素水平高低，最重要的先决条件。
因此，揭示与分析国内外齿轮用钢合金化体系与淬透能力的构成，十分重要。
1．美国
钢号合金化体系保障齿轮心部34～40HRC的淬透能力
SAE1522HMnJ3.5
SAE4118HMn-Cr-MoJ3.5
SAE8617HCr-Mn-Ni-MoJ4.0
SAE4620HNi－MoJ4.5
SAE5120HMn－CrJ4.5
SAE1524HMnJ4.8
SAE4720HCi-Ni-MoJ5.0
SAE8620HCr-Mn-Ni-MoJ5.5
SAE4815HNi－MoJ6.0
SAE8720HCr-Mn-Ni-MoJ6.0
SAE8622HCr-Mn-Ni-MoJ6.4
SAE4320HCr-Ni-MoJ6.5
SAE4817HNi－MoJ7.5
SAE8822HCr-Mn-Ni-MoJ8.0
SAE4820HNi－MoJ9.5
SAE4820H（上）Ni－MoJ15.0
22CrNiMoHCr-Mn-Ni-MoJ15.0
SAE9310HCr-Mn-Ni-Mo注解
SAE94B17HCr-Mn-Ni-Mo-BJ15.0
2．欧洲
钢号合金化体系保障齿轮心部34～40HRC的淬透能力16MnCr5HMn－CrJ6.5
25MnCr5HMn－CrJ5.0
ZF6Mn-Cr-（B）J5.0
20MoCr4Cr－MoJ5.0
28MnCr5HMn－CrJ7.0
ZF7Mn-Cr-（B）J7.5
20MnCr5HMn－CrJ9.0
20CD4Cr－MoJ9.0
19CN5HCr－NiJ9.0
ZF7BHMn-Cr-（B）J10.0
15CrNi6HCr－NiJ11.0
21NiCrMo5HCr-Mn-Ni-MoJ11.0
27MnCr5HMn－CrJ15.0
15CrNi6H（上）Cr－NiJ15.0
21NiCrMo5H（上）Cr-Mn-Ni-MoJ15.0
27CD4Cr－MoJ15.0
30CD4Cr－MoJ21.0
17NiCrMo6HCr-Mn-Ni-MoJ25.0
18NiCrMo6HCr-Mn-Ni-MoJ40.0
18CrNi8HCr－NiJ50.0
3．日本
钢号合金化体系保障齿轮心部34～40HRC的淬透能力
SNC415HNi－CrJ3.5
SMn420HMnJ3.7
SCr415HCrJ4.0
SCM415HCr－MoJ4.0
SNCM220HCr-Ni-MoJ5.0
SCM418HCr－MoJ5.5
SCr420HCrJ6.0
SMnC420HCr－MnJ6.0
SNCM420HCi-Ni-MoJ6.5
SMn433HMnJ7.0
SCM420HCr－MoJ7.0
SCM822H（下）Cr－MoJ9.5
SNC815HNi－CrJ10.0
SCr430HCrJ11.0
SCM822HCr－MoJ12.0
SCM822H（上）Cr－MoJ15.0
SNC631HNi－CrJ35.0
4．前苏联
钢号合金化体系保障齿轮心部34～40HRC的淬透能力
15ГMnJ3
12XH2Cr－NiJ3.0
15H2MNi－MoJ3.0
20ГMnJ4
20XHCr－NiJ4.5
12XH3Cr－NiJ5.0
18XГTCr-Mn-TiJ6.0
18XГCr－MnJ7.0
15XГH2TCr-Mn-Ni-TiJ7.5
20XH2MCr-Ni-MoJ8.0
25XГTCr-Mn-TiJ11.0
20XH3Cr－NiJ11.0
12X2H4Cr－NiJ14.0
25XГHMCr-Mn-Ni-MoJ15
20XГHTPCr-Mn-Ni-Ti-BJ18.0
25XMCr-Mn-MoJ21.0
20XГPCr-Mn-BJ22.0
27XГPCr-Mn-BJ29.0
14X2H3MCr-Ni-MoJ36.0
20X2H4Cr－NiJ45.0
18X2H4MCr-Ni-Mo>J50.0
5．中国
目前，我国齿轮用钢的合金化体系，涵盖了世界各国的合金钢体系；是苏、美、日、德、英、法、意、以及中国自主创新合金化体系的总和。
三．中国在齿轮用钢合金化体系和淬透能力构成方面的探索
1．中国合金化体系的选用
从美、日、欧、苏齿轮用钢合金化体系看出：
美国主要是Cr-Ni-Mo系；日本主要是Cr-Mo和Cr-Ni-Mo系，其中Cr-Mo比例更大一些；欧洲国家中：
德、意、奥三国的变速箱齿轮用钢主要是Mn-Cr系，ZF公司的ZF6、ZF7、ZF7B实际上也是Mn-Cr系，其中的B元素是用于降低钢中的N，提高钢的韧性，对提高淬透性不起作用；法国变速箱用钢是Cr-Mo系。
欧洲各国驱动桥齿轮用钢：
全部用Cr-Ni-Mo系。
前苏联变速箱齿轮用钢是Cr-Ni、Cr-Mn-Ti、Cr-Ni-Mo，其中Cr-Mn-Ti占主要地位；驱动桥齿轮用钢是Cr-Ni-Mo-Ti、Cr-Ni系，其中主要用Cr-Ni系。
综上所述：
除德、意、奥、苏变速箱用钢是Cr-Mn-Ti或Cr-Mn外，其它全部齿轮用钢都含Ni、Mo元素。
为什么Ni、Mo元素在齿轮钢的合金化体系中占有如此重要的位置？
为什么德、意、奥、苏变速箱用钢采用Cr-Mn系；驱动桥齿轮用Cr-Ni-Mo系？
Ni、Mo合金元素具有很强的抗氧化能力，Cr元素次之，Mn元素抗氧化能力弱，Si元素最弱。
如果渗碳炉中氧势比较高，在高温渗碳的过程中，氧原子通过晶界扩散到齿轮的表面，将使易氧化的合金元素变成氧化物，丧失合金化的能力，降低渗碳层的淬透性；齿轮淬火后，表面非马组织超标，接触疲劳性能变坏。
为提高齿轮的接触疲劳寿命，世界各国都在不断提升渗碳炉的设备能力，降低炉中的氧势；目前，氮甲醇高温渗碳炉，真空（低压）高温渗碳炉的使用已相当普及，炉中氧势极低。
另一方面，在齿轮钢成分设计中，提高抗氧化的Ni、Mo元素含量。
德国为降低钢材的采购成本，将Mn-Cr系齿轮钢中Si元素限止在0.12%下，用在变速箱齿轮。
驱动桥齿轮渗碳的温度高，时间长，内氧化比较严重，仍采用Cr-Mo和Cr-Ni-Mo系齿轮钢。
从1980年到2008年，我国一汽大众轿车、上海大众轿车、奥地利斯泰尔重载车变速箱、以及天津德国－荷兰（SEW）公司的工业减速机，大量使用Mn-Cr系齿轮钢。
工业实践证明：
在现有的渗碳设备条件下，变速箱用钢既便不使用Ni、Mo元素，也可以将齿轮渗碳层的非马组织控制在合格的范围内。
为了降低钢材的采购成本，我国的变速箱可以采用Mn-Cr系齿轮钢。
可是，在驱动桥齿轮也能用Mn-Cr系吗？
如果能用，将为解决我国重载驱动桥齿轮生产成本过高，找到一条摆脱困境的出路。
我国用17Cr2Mn2TiH钢取代高Ni、Mo齿轮钢，用在8～16吨车驱动桥齿轮，已取得初步成功；EQ153N2B驱动桥齿轮的非马组织，能控制在合格范围内；台架寿命达到40万次以上，达到国外Cr-Mo和Cr-Ni-Mo系齿轮的水平（日产柴标准：
输出30000Nm，10万次合格）。
解决驱动桥齿轮渗层淬透性降低问题的方法是将Si元素限止在0.12%以下，提高Mn-Cr元素含量，将内氧化丧失的合金量补上。
齿轮合金量提高之后，由内氧化引起的渗层淬透性降低，非马组织超标的问题可以解决，但会导至齿轮心部淬火硬度过高，热后变形过大；在合金成分的设计中，将钢的含碳量从0.22%降到0.17％，能解决硬度高、变形大问题。
合金量提高，碳含量降低的17Cr2Mn2TiH钢齿轮，在普通的滴注式气氛炉中，渗碳工艺同现有的SCM822H钢基本相同。
在氧势极低的渗碳炉中，由于齿轮表面内氧化较轻，齿轮表层的合金元素损失不大，渗层淬透性可能过剩；或当齿轮的模数小，齿轮渗层的冷却速度过快时；会引起齿轮渗碳层残余奥氏体超标；针对这种问题，采用适当降低渗碳扩散期碳势的方法，能将残余奥氏体控制在合格范围内。
不需要采用高温渗碳－空冷－回火－低温淬火工艺。
用抗氧化能力较差的Mn-Cr合金元素，通过提高含量的方法，克服内氧化引起的非马组织超标，是我国的创新；已获取国家发明专利。
渗层马氏体针的粗细程度，是影响齿轮接触疲劳寿命的另一重要因素。
渗层马氏体针的粗细程度主要取决于齿轮钢的晶粒长大倾向。
晶粒长大倾向取决于钢中难溶化合物质点的种类和数量。
美、日、德、英、法、意等国的齿轮钢，全靠钢中的氮化铝细化晶粒。
为了增加氮化铝的数量，提高细化晶粒的效果，国外普遍将钢中的氮含量从0.007%提高到0.012～0.018％，氮含量的提高，降低齿轮心部的塑、韧性；提高疲劳裂纹扩张速度；但是，细化晶粒的效果并不理想，远远赶不上Ti（NC）质点。
国外重载驱动桥齿轮渗碳热处理，多采用二次加热淬火或马鞍形淬火工艺；用再结晶的办法解决渗层晶粒粗化问题。
我国选用Mn-Cr-Ti系齿轮钢，不提高钢中的氮含量，用微量Ti（NC）达到细化晶粒的目的，能采用渗碳后直接淬火，简化了齿轮的渗碳热处理工艺。
国内外有不少学者认为，方块型的Ti（NC）质点作为疲劳源，降低齿轮的疲劳寿命；但是，至今没有看到有说服力的实验数据，能证明Ti（NC）降低齿轮的疲劳寿命，比方块型的氮化铝质点更为严重。
在吸收、消化美、日、德、英、法、意、苏等国齿轮钢合金体系之后，逐步形成我国的Cr-Mn-Ti齿轮钢合金化体系。
这个体系，与美、日、德、英、法、意、苏等国的Cr-Mo和Cr-Ni-Mo系相比，不含Ni-Mo元素；钢材的采购成本大大降低。
与德、意、奥的Mn-Cr系齿轮钢相比，用Ti（NC）细化晶粒的效果更好，渗碳工艺更加简单。
与前苏联的Cr-Mn-Ti齿轮钢相比，淬透能力构成的覆盖面更大；能扩大应用到冷速最快的同步器齿轮，也能应用到冷速最慢的重载驱动桥齿轮。
2．重载驱动桥齿轮用钢的研制
前苏联的18CrMnTiH钢，保障齿轮心部34～40HRC的淬透能力为J6；之后，中国变化为20CrMnTiH的淬透能力为J7.5；8～16吨重载工程车驱动桥齿心部的淬火冷却速度为J10～J25.0。
其中，主动齿为J15～J25，被动齿为J10～J15。
显然，20CrMnTiH钢的淬透能力，不能满足重载驱动桥齿的需要；80年代，一汽用20CrMnTiH生产8吨车驱动桥齿，因心部硬度太低，发生断齿事故。
同样，将苏联的20CrNi3H（淬透能力为J11）钢用于16吨车的锥齿轮时（冷速为J25），同样是因为心部硬度太低，23次台架寿命试验，台架寿命（输出55000NM扭距，400000万次）的合格率只有25％，失效形式全部是锥齿轮断齿。
为满足重载驱动桥齿的需要，中国将20CrMnTiH的淬透能力延伸到J12；子钢号名称定为20CrMnTiH5，用于8吨车的被动齿；用淬透能力为J15的17Cr2Mn2TiH1钢生产EQ153（8吨）驱动桥锥齿轮，台架寿命（输出30000NM，10万次合格）达到40万次，符合日产柴QC／T533－1999标准要求，与日本SCM822H钢水平相当。
但是，钢材的采购成本降低了36％。
在国内，双骏、汇锋汽车齿轮厂已开始用17Cr2Mn2TiH1钢代替SCM822H钢，生产模数为8.784～12.357的锥齿轮。
株齿、綦齿、东风汽车公司正在进行工艺试验，预计明年可以投入应用。
目前，正准备用淬透能力为J25的17Cr2Mn2TiH2钢代替20CrNi3H生产模数为13.25的锥齿轮，用17Cr2Mn2TiH1钢，代替日本的SCM822H钢生产盆桥齿。
如果台架寿命能达到要求，锥齿轮用钢材的采购成本将降低70％；锥齿轮渗碳工艺将由高温渗碳－空冷－回火－低温淬火，简化为渗碳后直接淬火。
3．同步器齿轮用钢的研制
同步器齿心部的淬火冷却速度为J2.5～J6.5；其中：
采用压淬工艺的齿套，齿轮心部冷速为J6.5；采用谷套配淬工艺，模数大于2.5的同步器齿，齿轮心部冷速为J6.5；采用谷套配淬工艺，模数小于2.5的同步器齿，齿轮心部冷速为J4.5；采用单件自由淬工艺的小模数同步器齿谷、齿套，齿轮心部冷速为J2.5；采用单件自由淬工艺的大模数同步器齿谷、齿套，齿轮心部冷速为J4.2。
国外齿轮钢的淬透能力在J3～J6的钢种很多；不存在齿轮心部硬度过高，齿轮变形过大的问题。
但是，对于淬透能力为J4.5以下的齿轮钢，因为钢的淬透能力过低，齿胚正火硬度过低，切削性能无法满足要求，常有矛刺、掉肉现象。
国内同步器齿轮的生产，除国外图纸要求用低淬透性钢外，多采用淬透能力为J7.5的20CrMnTiH钢。
由于淬透能力过高，普遍存在严重变形问题。
天海汽车齿轮厂将20CrMnTiH钢的淬透能力降低到J6，解决了冷却速度为J6.5的大模数同步器齿，采用谷套配淬工艺的变形问题。
用淬透能力为J5的国标20CrMo钢生产小模数的同步器齿，解决了谷套配淬工艺、冷却速度为J4.5的同步器齿的变形问题。
将20CrMnTiH钢的淬透能力降低到J3.4，用于五十铃1／2当同步器齿套自由淬火，解决了冷却速度为J2.5的小模数同步器齿轮，采用单件自由淬工艺的变形问题。
但是，淬透能力为J3.4的20CrMnTiH钢，和国外存在的问题一样，碰到了切削性能不能满足要求的问题。
因此，解决过薄同步器齿套热后变形，多采用渗碳后二次压淬工艺；每件齿套增加了2.5～4.5元的制造成本。
针对这个问题，我国研制出淬透能力为J3的26CrMnTiH1钢，适用于冷速在J2.5，采用单件自由淬工艺的同步器齿；研制出淬透能力为J4.5的26CrMnTiH2钢，适用于谷套配淬工艺的小模数同步器齿。
既减小同步器齿单件自由淬火的热后变形，又解决了切削性能问题；获取国家发明专利。
淬透能力为J6的20CrMnTiH1钢，只能适用于大模数同步器齿的谷套配淬工艺或压淬工艺；当大模数同步器齿采用单件自由淬火工艺时，因心部冷速变快（J4.2），齿套会严重变形；应该改用淬透能力为J4.5的26CrMnTiH2钢。
20CrH、15CrMoH、16CrMnTiH钢的淬透能力虽然与26CrMnTiH2钢相当，但是，切削性能不好，易产生毛刺、掉肉。
4．内在质量的控制
国家科委从“6·5”开始，连续组织“7·5“、“8·5”、“9·5”科技攻关；完成了齿轮钢的淬透性预报及成分微调工艺研究，齿轮钢的精炼工艺研究，齿轮钢的连铸工艺研究。
使我国齿轮钢的内在质量达到国外先进水平。
这主要表现在：
钢中的氧含量能降到15ppm和20ppm以下，钢中的疲劳裂纹源（脆性夹渣）大大减少。
钢的淬透性带宽能压缩到5HRC和7HRC宽，齿轮热后变形的稳定性大大提高。
承担国家科技攻关任务的是大冶特钢、抚顺特钢、北京科技大、北京钢研总院。
但是，科技成果扩散的速度很快。
目前，国内的骨干特钢厂上海第五特钢、兴橙特钢、本溪特钢、都能按B类标准供货。
首特钢、莱芜特钢、部分产品能按B类标准供货。
中国齿协为推动B类齿轮钢材的供应、采购，从2001年开始，按B类标准对钢厂进行质量认证，对齿轮厂的采购行为进行规范。
国家科委、中国齿协的这些努力，为我国齿轮行业进入国际市场奠定了坚实的基础。
5．CrMnTi系齿轮钢淬透能力的构成与齿轮心部冷却速度的匹配：
钢号合金化体系保障齿轮心部34～40HRC的淬透能力
26CrMnTiH1Cr－Mn－TiJ3.0
26CrMnTiH2Cr－Mn－TiJ4.5
16CrMnTiHCr－Mn－TiJ4.5
20CrMnTiH1Cr－Mn－TiJ6.0
20CrMnTiH2Cr－Mn－TiJ6.8
20CrMnTiH3Cr－Mn－TiJ7.5
20CrMnTiH4Cr－Mn－TiJ9.5
20CrMnTiH5Cr－Mn－TiJ12.0
17Cr2Mn2TiH1Cr－Mn－TiJ15.0
17Cr2Mn2TiH2Cr－Mn－TiJ25.0
我国齿轮行业车辆齿轮钢采购标准CGMA001－2004中其它钢号的淬透能力、合金化体系如下：
钢号合金化体系保障齿轮心部34～40HRC的淬透能力
16MnCr5HMn－CrJ6.5
20MnCr5HMn－CrJ9.0
25MnCr5HMn－CrJ5.0
28MnCr5HMn－CrJ7.0
16CrMnBHCr-Mn-BJ6.5
18CrMnBHCr-Mn-BJ9.0
17CrMnBHCr-Mn-BJ10.0
17Cr2Ni2HCr-NiJ12.0
16CrNiHCr-NiJ7.0
19CrNiHCr-NiJ9.5
17Ni2Cr2MoHCr-Mn-Ni-MoJ25.0
20NiCrMoH1Cr-Mn-Ni-MoJ5.0
20NiCrMoH2Cr-Mn-Ni-MoJ6.0
15CrMoHCr-MoJ4.0
20CrMoHCr-MoJ6.0
22CrMoHCr-MoJ15.0
20CrHCrJ3.5
我国同步器齿轮淬火时，心部的冷却速度为J2.5～J6.5;变速箱齿轮的冷速为J6～J12；中、轻型驱动桥齿轮的冷速为J6.5～J15.0；重载驱动桥齿轮的冷速为J12.0～J25.0；我国原来的20CrMnTiH钢，淬透能力的构成为J6.8～J9.5；只能部分覆盖变速箱齿、模数不大的驱动桥齿；为满足同步器齿冷速快的需求，将钢的淬透能力延伸到J6.0-J4.5-J3.0；为满足重载驱动桥齿冷速慢的需求，将钢的淬透能力延伸到J12.0-J15.0-J25.0；形成了我国的的Cr－Mn－Ti体系。
这个体系的淬透能力，能够与各种齿轮心部的冷却速度相匹配。
在齿轮设计时，在齿轮应用过程中发生重大质量问题时；都会面临一个齿轮用钢种的选择问题。
只有钢材的淬透能力与齿轮心部的冷却速度正确匹配时，才能够得到最好的啮合、最低的噪音、最高的使用寿命。
要实现正确的匹配，首先，齿轮钢淬透能力的构成，应当有足够的覆盖面，有合适与渐变的台阶；有足够的选择余地。
从上述CrMnTi系齿轮钢淬透能力的构成与国外齿轮钢的构成对比看出：
我国自主开发的齿轮钢合金化体系的构成，从覆盖面与渐变的台节两方面都与之相当。
在准确测算齿轮心部的冷却速度之后，根据测算的J点，能选择到淬透能力最适用的钢种。
四．齿轮啮合精度与使用寿命
齿轮的使用寿命与国外的差距，主要表现在重载驱动桥齿轮。
国外的重载驱动桥齿轮是耐用件。
我国是易损件，一辆车每年更换5～6套。
影响齿轮使用寿命的因素很多。
齿轮的接触疲劳、弯曲疲劳、齿轮的接触区大小、齿厚分配、齿轮的重叠系数、驱动桥的装配精度等众多因素都影响使用寿命。
但是，哪些是使用寿命低下的关键影响因素？
武汉双骏汽车齿轮厂用17Cr2Mn2TiH1钢生产EQ153（8吨）驱动桥锥齿轮、盆桥齿，首次台架寿命：
输出30000NM，15～16万次；调整接触区大小、齿厚分配、重叠系数之后，达到40万次，台架寿命提高2.5倍以上，远远超过日本的SCM822H钢。
使用20CrNi3H生产16吨车的锥齿轮，用SCM822H钢生产盆桥齿，台架寿命考核：
输出扭距55000NM，平均输出寿命为2.85万次。
调整接触区大小、齿厚分配、重叠系数之后，尽管锥齿轮心部硬度仍然偏低；输出还是达到6～20万次，台架寿命提高近4倍。
这两个典型实例，齿轮材料、热处理工艺均没有任何调整，仅仅调整齿轮的接触区大小、齿厚分配、重叠系数，就取得显著效果。
可见，提高驱动桥齿的啮合精度、驱动桥的装配精度，是提高我国重载驱动桥使用寿命的重要途径。
我国经过四轮国家科技攻关，不论是钢的品种，钢的内在质量，都已与日、美、欧国家的水平相当。
为提高齿轮的啮合精度奠定了基础。
根据齿轮特定的淬火冷却速度，正确选择齿轮钢材的淬透性区间，或正确选择与冷却速度相匹配的钢种；在齿轮热加工时，尽量减小淬火冷却速度的离散度；在机加工时，严格控制工装、及每道工序的加工精度。
严格控制桥的装配精度。
我国重载驱动桥的使用寿命，一定能达到国外的先进水平。
我国机械行业与冶金行业通力合作，经过近30年对国外齿轮用钢的引进、应用、吸收、消化；逐步形成具有中国特色，具有自主知识产权的齿轮用钢合金化体系。
这个体系，其内在质量、淬透能力的构成、使用寿命与国外相当；但是，工艺更加简化，钢材的采购成本大幅度降低。
逐步完善、推广应用这个体系，必将大大提高我国齿轮零件在国际市场中的竞争能力。
升级会员 