高强度表面硬化钢的开发.docx
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高强度表面硬化钢的开发
高冲击强度表面硬化钢的开发
TakaoHayashi,HidekiUsuki,NaomiMiuraandYouichiMurak
日产汽车公司
MasatoshiHo
Daido钢铁公司
【摘要】减少驱动桥重量和体积的途径之一是提高其差速器齿轮的冲击强度。
早期通过添加Mo，减少P、S等杂质元素，开发了齿轮用高强度钢。
由于驱动桥扭矩的加大的趋势，以及进一步减轻重量的要求，又提出了进一步提高齿轮材料冲击强度的要求。
为此目的，我们选择添加硼元素以提高材料淬透性，并分析了其加入量对材料冲击强度的影响。
了解到通过增强晶界的韧性，可以提高材料冲击强度。
据此试生产了几种钢材，并应用于齿轮强度的测试。
试验结果表明，研制的Cr-Mo-B表面硬化钢，具有超低温冷锻能力，它的开发成功使得在减少合金元素含量的同时，提高了材料材料冲击强度。
使用这种材料，可以以较低的成本，通过冷锻制造出高精度的差速器齿轮。
引言
减少驱动桥重量和体积意味着可以减少机车重量和节省燃油。
如图1，驱动桥包括各种不同类型的零件。
在决定驱动桥重量和体积方面，差速器齿轮是一个关键的因素。
对差速器齿轮的一个重要要求就是车辆启动那一刻，它的抗冲击能力。
为了使差速器齿轮达到较高的冲击强度，已经为此作出了多方努力[1-5]。
截至目前，为提高表面硬化钢材料冲击强度而采取的途径如图2所描述。
许多方法的应用，成功的改善了马氏体韧性，提高了晶界强度。
例如，添加Ni、Mo，控制材料微观结构，减少杂质元素。
但是，由于减重和节省燃油的要求，以及发动机扭矩进一步加大的趋势在未来还将继续，为提高材料冲击强度而使用的常规技术已难以满足要求。
因此，在以前实践经验的基础上，我们采用新的方法开发成功了具有高冲击强度的表面硬化钢。
本文叙述了这一新钢材的开发过程和对其冲击强度的评价结果。
图2.提高强度的途径
样品试验评估
硼被普遍用作提高钢的淬透性的添加元素，硼钢加感应淬火工艺已经实际应用。
用硼钢制作的轴类零件甚至在冲击加扭转载荷作用下，仍然具有较好的韧性，并且其失效形式仅局限于变形。
本文的研究工作主要集中在硼在的钢材中影响[6]，为此准备了不同类型的表面硬化钢，包括硼钢试样，检测了其冲击强度。
试验过程
表1给出了用于熔铸6个样品的钢材化学成分。
SteelA为基准物质，相当于SAE5120H钢。
SteelB的Mo含量较高，Si和P含量较低。
SteelC加入了Ni和Mo，P和S含量较低，SteelD、E和F基本上分别与A、B和C相同，只是加入了硼。
加工工艺见图3，这些材料加工成带半径为10mm圆形缺口的夏比冲击试样，见图4。
为研究层深对冲击强度的影响，选用了3个不同水平的渗碳时间。
试样的硬度值测量结果见表2。
给出的有效硬化层深（ECD）值按测量至标准硬度值513HV计算。
图3.试样制备过程
表1.化学成分（质量％）
C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
Mo
s-B
SteelA
0.19
0.19
0.74
0.015
0.017
0.09
1.05
0.02
-
SteelB
0.17
0.06
0.65
0.009
0.019
0.09
0.94
0.41
-
SteelC
0.18
0.05
0.29
0.003
0.004
1.98
0.30
0.75
-
SteelD
0.18
0.06
0.47
0.007
0.012
0.05
1.07
0.02
0.0013
SteelE
0.18
0.07
0.59
0.010
0.017
0.13
0.92
0.41
0.0013
SteelF
0.17
0.06
0.30
0.004
0.001
1.99
0.30
0.75
0.0017
图4.夏比冲击试样形状
表2.夏比冲击试样渗碳后的性能
钢种
硬度（HV）
ECD*1
晶粒度*2
表面
心部
（mm）
表面
心部
A
769
328
0.87
9.3
9.6
B
785
326
0.44
9.5
9.7
777
320
0.89
9.1
9.6
826
330
1.52
9.0
9.1
C
746
364
0.89
-
8.1
D
756
376
0.76
9.2
9.4
E
768
396
0.55
11.2
11.3
783
398
1.03
11.1
11.0
805
393
1.52
10.3
9.9
F
749
416
1.04
-
8.9
*1）有效硬化层深（标准硬度＝513HV）
*2）测量方法：
JISG0551（ISO643）
样品在夏比冲击试验机上，进行夏比冲击试验。
夏比冲击试验法按照JISZ2242标准进行，得到载荷－位移曲线，作为计算裂纹形成能和裂纹扩展能的计算基础。
冲击试验后，在扫描电子显微镜（SEM）下观察断口，分析了断裂模式。
结果与讨论
夏比冲击试验结果如图5所示。
结果显示，随着ECD变浅，冲击值升高。
比较SteelA、B和SteelD、E，可以看到，硼钢具有更高的冲击值，且随着ECD变薄，硼的影响更加明显。
比较SteelC和SteelF，可以发现，添加大量Ni和Mo，会提高材料冲击值，但这种情况下硼的作用变得不明显。
为进一步研究这种变化趋势，将裂纹形成能与裂纹扩展能分开，分析了硼的添加量和ECD对它们的影响。
裂纹形成能与裂纹扩展能结果分别如图6、7。
尽管硼的添加量对裂纹形成能与裂纹扩展能都有影响，但其对后者的影响明显更加显著。
图5.夏比冲击试验结果
图6.夏比冲击试验结果（裂纹形成能）
图7.夏比冲击试验结果（裂纹扩展能）
SEM观察了裂纹源区断口形貌，结果见照片1。
可以看到，裂纹源区断口可分为沿晶断和穿晶两种形貌。
SteelD、E等含硼钢沿晶断口比例较小。
图8显示沿晶断裂比例与裂纹形成能之间的函数关系。
结果表明，两者高度相关。
换言之，减少沿晶断口比例，是提高裂纹形成能的有效途径之一。
SEM还观察了裂纹扩展区断口形貌，结果见照片2。
SteelD、E等含硼钢表现为韧窝断口，显示为韧性特征，同时不含硼钢A、B表现为解理断口，显示为脆性特征。
可以设想，这种断口形貌的明显差别，正好解释了含硼钢和不含硼钢之间裂纹扩展能的显著差别。
照片1.断口表面SEM图像（裂纹源）
图8.冲击强度值与沿晶断口比例之间的关系
照片2.断口表面SEM图像（裂纹扩展区）
差速器齿轮试验评估
如前面冲击试验中各个试样所表现的性能特点一样，按一般推测，同一钢材制作的差速器齿轮也会有这样的类似的性能，尽管在实际应用中，还需要考虑加工方面的诸多因素（图9）。
进行材料成分设计时，应优先考虑其加工性能，然而，仍应顾及在由此造成的冲击强度减少之间进行权衡。
正因如此，进行材料成分设计时，应该全盘考虑。
SteelE含Cr和Mo，具有极好的冲击强度，因此选择它作为制造差速器齿轮的材料。
在此成分的基础上，合金元素复合添加作进一步改进，由此而得到的材料制造差速器齿轮，并进行强度试验。
图9.差速器齿轮加工制造性能要点
试验过程
表3给出了用以制造试验用差速器齿轮的3种钢材的化学成分，Steel1是基准材料，相当于ISO18CrMo4钢。
Steel2与前面所述的SteelE相同。
Steel3化学成分与Steel2类似，但Mn和Mo含量更低。
三种钢先在电炉中熔化，然后在2吨规格的连铸机铸成钢坯。
此后，再热轧成特定规格的棒材。
为了研究这些棒材的切削性能和冷锻性能，测量了棒材在原始轧态和球化退火（SA）态的洛氏硬度。
表3.化学成分（质量％）
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
s-Al
Nb
s-B
Steel1
0.18
0.25
0.73
0.020
0.015
1.05
0.25
0.035
-
-
Steel2
0.18
0.09
0.65
0.007
0.017
0.94
0.41
0.038
0.046
0.0015
Steel3
0.19
0.07
0.41
0.006
0.017
0.97
0.15
0.030
0.049
0.0014
试验用差速器齿轮的制造工艺流程如图10。
行星齿轮直接由棒材下料后，再进行机加工。
半轴齿轮的制造过程是，棒材先冷锻成型，再切齿，然后渗碳淬火和回火。
齿轮抛光后，行星齿轮和半轴齿轮装配成差速器齿轮总成。
为了考察半轴齿轮的冷锻性能，研究了锻造压力的影响。
垂直成品齿轮的齿截取试样，测量了齿底表面硬度、齿侧面硬度，并检测了其微观组织结结构和奥氏体晶粒度。
图10.差速器齿轮制造工艺
强度试验在如图11所示的试验装置上进行。
一个自由落体的重锤在规定的高度落下冲击扭臂，使得啮合的差速器齿轮受到一扭矩的作用。
这一过程重复进行，直到齿轮轮齿的侧面损坏位置，这被认为是齿轮的失效寿命。
通过调整重锤的落体高度，可以改变这套试验装置冲击扭矩大小。
试验结果绘成T-N曲线，显示冲击扭矩与低周疲劳寿命间的关系。
规定以100周次循环寿命对应的冲击强度为有限寿命条件下的疲劳强度指标。
图11.差速器齿轮试验装置示意图
结果与讨论
图12为轧制态和球化退火态棒材的硬度测量值。
Steel2在夏比冲击强度试验中显示了极高的冲击强度，它的硬度值比其它钢材高，且加工性能和冷锻性能较低。
从照片3显示的各个钢材的显微组织结构可以明显看出，Steel2具有贝氏体组织。
因为硼的添加增强了材料淬透能力，可以推想，这种贝氏体组织是在热轧后冷却过程中产生的。
图13显示了球化退火后的硬度值与材料冷锻性能之间的关系。
与基准材料Steel1相比，尽管Steel3需要的锻造压力实际上与之相同，但其硬度水平更低，且无疑比Steel2的硬度指标更好。
试验用差速器齿轮渗碳后硬度值见表4，加硼钢Steel2、Steel3的齿顶硬度较高，这是由于硼的影响提高了材料淬透性。
Steel1和Steel3的奥氏体晶粒度为8级，Steel2略细，为10级。
晶粒度评级按JISG-0551标准的试验程序进行（ISO643）。
图12.钢棒的硬度特性
照片3.钢材轧制态微观组织
图13.锻造压力载荷与硬度间的关系
图14是冲击疲劳试验结果的T-N曲线，与夏比冲击试验结果类似，Steel2和Steel3制作的差速器齿轮表现出了较高的100周次冲击强度，分别比Steel1高出45％和16％。
结果表明，硼对差速器齿轮的疲劳强度有很大提高，Mo也有相同的影响。
表4.差速器齿轮的硬度特性
齿顶表面硬度
齿顶有效硬化层深
齿侧硬度
奥氏体晶粒度
Steel1
800HV
0.70mm
365HV
8
Steel2
816HV
0.85mm
433HV
10
Steel3
773HV
0.75mm
436HV
8
图14.差速器齿轮冲击强度试验结果的T-N曲线
从每种材料制作的差速器齿轮上截取试样，SEM观察断口形貌，然后在同一扭矩水平下进行强度测量。
在1000X下获取裂纹源区照片。
与夏比冲击试验类似，采用图像分析方法计算了裂纹源区的沿晶断口比例。
断口全貌照片见照片4，裂纹源区的SEM图像见照片5。
断口全貌的分析显示加硼钢断口较为平滑，而不加硼钢断口较粗糙，表现为纤维流线状。
同时，不加硼钢裂纹源区断口的沿晶比例较高，而加硼钢比例较低。
这一点在Steel2材料上表现尤其明显，换言之，可以推想，加入硼元素也同样增强了试验用差速器齿轮的晶界韧性，因此提高了其冲击疲劳强度。
图15显示了断口沿晶比例与100周次寿命冲击强度之间的关系。
与夏比冲击试验结果显示的趋势一致。
照片4.断口宏观形貌
照片5.断口表面的SEM图像（裂纹源）
图15.沿晶断口比例与100周次寿命疲劳强度之间的关系
最后，研究晶粒的长大。
在含硼钢中，由于N与B之间的强烈亲和性，不能用AlN阻止晶粒长大，通常加入Nb和Ti，NbC和TiN可以取到替代作用。
这次试验过程中，加入了0.05％Nb，根据以前的研究结果，认为这一含量较为合适。
Steel3钢加入了0.05％Nb，通过改变塑性应变速率和渗碳温度，了解其晶粒长大特性。
试验结果见图16。
在塑性应变速率相当与2.4和渗碳温度为980℃时，观察到有些晶粒长大，但结论认为，在通常的差速器齿轮制造过程中，不存在发生晶粒长大的问题。
图16.Steel3的晶粒长大特性（1.0Cr-0.15Mo-0.05B）
用新开发的Steel3钢制造的差速器齿轮在实际应用于后驱动桥桥的耐久性试验时，表现出了极高的强度。
应用这一钢种，行星齿轮的数量可以从4个减少到2个，从而减少后驱动桥尺寸，进而减轻重量，节省成本。
结论
重点研究了硼在提高冲击强度方面的作用。
通过对不同钢种的夏比冲击试验以及差速器齿轮冲击疲劳强度试验，开发了一种含1.0％Cr和0.15％Mo-B的新的表面硬化钢种，该钢种既有较高的强度，同时又有良好的制造加工性能。
对这一研究开发工作的总结可以概括如下：
1.夏比冲击强度值随有效硬化层减薄而升高，加入硼使这一趋势更加显著。
但是，在Ni和Mo含量较高的钢中，加入硼的作用不明显。
2.加入硼同时提高冲击试验时断口的裂纹形成能和裂纹扩展能。
这是由于硼的加入改变了断口的形貌所致。
观察发现，裂纹源区的穿晶断裂比例增加，而裂纹扩展区断口显示出由脆性向韧性的转变。
3.开发了一种含1.0％Cr和0.15％Mo-B的表面硬化钢种，该钢种既有良好的冷锻加工性能，同时又有较高的强度。
致谢
新钢种由Daido钢铁有限公司参加开发，作者谨向该公司提供宝贵合作的各位表示衷心的谢意。
参考资料
（略）
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