中国齿轮用钢合金化体系的选用及淬透能力的构成.docx

1、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

2、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

3、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3440HRC的淬透能力 SAE1522H Mn J3.5SAE4118H Mn-Cr-Mo J3.5SAE8617H Cr-Mn-Ni-Mo J4.0SAE4620H NiMo J4.5SAE5120H MnCr J4.5SAE1524H Mn J4.8SAE4720H Ci-Ni-Mo J5.0SAE8620H Cr-Mn-Ni-Mo J5.5SAE4815H NiMo J6.0SAE8720H Cr-Mn-Ni-Mo J6.0SAE8622H Cr-Mn-Ni-Mo J6.4SAE4320H Cr-Ni-Mo J6.5

4、SAE4817H NiMo J7.5SAE8822H Cr-Mn-Ni-Mo J8.0SAE4820H NiMo J9.5SAE4820H(上) NiMo J15.022CrNiMoH Cr-Mn-Ni-Mo J15.0 SAE9310H Cr-Mn-Ni-Mo 注解 SAE94B17H Cr-Mn-Ni-Mo-B J15.02 欧 洲钢号 合金化体系 保障齿轮心部3440HRC的淬透能力 16MnCr5H MnCr J6.525MnCr5H MnCr J5.0ZF6 Mn-Cr-(B) J5.020MoCr4 CrMo J5.028MnCr5H MnCr J7.0ZF7 Mn-Cr-(B)

5、J7.520MnCr5H MnCr J9.020CD4 CrMo J9.0 19CN5H CrNi J9.0 ZF7BH Mn-Cr-(B) J10.0 15CrNi6H CrNi J11.021NiCrMo5H Cr-Mn-Ni-Mo J11.027MnCr5H MnCr J15.015CrNi6H（上） CrNi J15.021NiCrMo5H(上) Cr-Mn-Ni-Mo J15.027CD4 CrMo J15.0 30CD4 CrMo J21.0 17NiCrMo6H Cr-Mn-Ni-Mo J25.018NiCrMo6H Cr-Mn-Ni-Mo J40.018CrNi8H CrNi

6、J50.03 日 本钢号 合金化体系 保障齿轮心部3440HRC的淬透能力SNC415H NiCr J3.5SMn420H Mn J3.7SCr415H Cr J4.0SCM415H CrMo J4.0SNCM220H Cr-Ni-Mo J5.0SCM418H CrMo J5.5SCr420H Cr J6.0SMnC420H CrMn J6.0SNCM420H Ci-Ni-Mo J6.5SMn433H Mn J7.0SCM420H CrMo J7.0SCM822H(下) CrMo J9.5SNC815H NiCr J10.0SCr430H Cr J11.0SCM822H CrMo J12.0S

7、CM822H(上) CrMo J15.0SNC631H NiCr J35.04 前苏联钢号 合金化体系 保障齿轮心部3440HRC的淬透能力15 Mn J3 12XH2 CrNi J3.015H2M NiMo J3.0 20 Mn J4 20XH CrNi J4.512XH3 CrNi J5.018XT Cr-Mn-Ti J6.018X CrMn J7.015XH2T Cr-Mn-Ni-Ti J7.520XH2M Cr-Ni-Mo J8.025XT Cr-Mn-Ti J11.0 20XH3 CrNi J11.012X2H4 CrNi J14.025XH M Cr-Mn-Ni-Mo J1520X

8、HTP Cr-Mn-Ni-Ti-B J18.025XM Cr-Mn-Mo J21.020XP Cr-Mn-B J22.027XP Cr-Mn-B J29.0 14X2H3M Cr-Ni-Mo J36.0 20X2H4 CrNi J45.0 18X2H4M Cr-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-

9、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。

10、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

11、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

12、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816吨车驱动桥齿轮，已取得初步成功；EQ153 N2B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

13、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

14、，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0.0120.018，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

15、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T

16、i(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3440HRC的淬透能力为J6；之后，中国变化为20CrMnTiH的淬透能力为J7.5；816吨重载工程车驱动桥齿心部的淬火冷却速度为J10J25.0。其中，主动齿为J15J25，被动齿为J10J15。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

17、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QCT5331999标准要求，与日本SCM822H钢水平相当。但是，钢材的采购成本

18、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8.78412.357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J2.5J6.5；其中：采用压淬工艺的齿套，齿

19、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J3J6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

20、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12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

21、次压淬工艺；每件齿套增加了2.54.5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 、16CrM

22、nTiH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“65”开始，连续组织“75“、“85”、“95”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

23、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。5CrMnTi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3440HRC的淬透能力26CrMnTiH1 CrMnTi J3.026CrMnTiH2 CrMnTi J4.516CrMnTiH CrMnTi J4.520CrMnTiH1 CrMnTi J6.0 20CrMnTi

24、H2 CrMnTi J6.820CrMnTiH3 CrMnTi J7.520CrMnTiH4 CrMnTi J9.520CrMnTiH5 CrMnTi J12.017Cr2Mn2TiH1 CrMnTi J15.0 17Cr2Mn2TiH2 CrMnTi J25.0 我国齿轮行业车辆齿轮钢采购标准CGMA0012004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3440HRC的淬透能力16MnCr5H MnCr J6.520MnCr5H MnCr J9.025MnCr5H MnCr J5.028MnCr5H MnCr J7.016CrMnBH Cr-Mn-B J6.518

25、CrMnBH Cr-Mn-B J9.017CrMnBH Cr-Mn-B J10.017Cr2Ni2H Cr-Ni J12.016CrNiH Cr-Ni J7.019CrNiH Cr-Ni J9.517Ni2Cr2MoH Cr-Mn-Ni-Mo J25.020NiCrMoH1 Cr-Mn-Ni-Mo J5.020NiCrMoH2 Cr-Mn-Ni-Mo J6.015CrMoH Cr-Mo J4.020CrMoH Cr-Mo J6.022CrMoH Cr-Mo J15.020CrH Cr J3.5我国同步器齿轮淬火时，心部的冷却速度为J2.5J6.5;变速箱齿轮的冷速为J6J12；中、轻型驱动桥齿

26、轮的冷速为J6.5J15.0；重载驱动桥齿轮的冷速为J12.0J25.0；我国原来的20CrMnTiH钢，淬透能力的构成为J6.8J9.5；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CrMnTi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

27、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56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

28、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，1516万次；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620万次，台架寿命提高近4倍。这两个典型实例，齿轮材料

29、、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。