CN100365150C - 重载齿轮钢 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种重载齿轮钢,其化学成分重量百分比为:C 0.14-0.20,Mn 1.2-1.60,Si≤0.12,P≤0.03,S 0.015-0.04,Cr 1.30-1.80,W≤0.05,Ti 0.04-0.10,O≤20PPM,余量为Fe和其他杂质;本发明由于不加Ni,Mo贵重元素,使其制造成本降低了30%左右,其热处理工序简化,生产效率提高,本发明钢热处理后的收缩变形比Ni-Mo钢小,可减少齿轮热处理之后的翘曲变形,椭圆度超标,齿面啮合不好等问题,特别适合用于制造重载荷车辆驱动桥齿轮。
Description
(一)技术领域:本发明涉及冶金技术领域,属于合金钢类。是一种用于制造重载荷车辆驱动桥齿轮的齿轮钢。
(二)背景技术:重载荷车辆一般是指能承载6吨以上载荷的工程载重卡车。例如:EQ153为8吨载重卡车,EQ2402(460)为12吨载重卡车,这种车辆的驱动桥齿轮用来传输动力,驱动车辆前进;齿轮的模数大,承受的载荷大。这种齿轮要求具有很高的抗弯强度和很高的接触疲劳强度。为了满足高抗弯强度的要求,钢材的淬透性必须高。为了满足齿轮的高接触疲劳强度的要求,要求钢材具有很高的渗层淬透性,保证齿轮在渗碳和淬火之后,渗碳层能获得99%以上的马氏体组织。第三,钢材淬透性的设计应保证齿轮的热处理变形小,以保证主动齿与被动齿之间正确的啮合。如果钢材的淬透性能力不能保证齿轮在热处理后的抗弯强度(或心部硬度)将会发生断齿事故。如果钢材成份的设计不能保证齿轮渗碳层具有很高的淬透性,将会出现非马氏体组织,(例如:黑色托氏体网),齿面会出现麻点,齿面剥落。如果齿轮渗碳淬火之后变形大,主、被动轮的齿面啮合不好,不仅噪音超过标准要求,齿轮的使用寿命也低。与变速箱齿轮相比,重载驱动桥齿轮对钢材的要求要高的多,齿轮的制造工艺要复杂的多。目前国内外采用的重载齿轮钢其化学成份如表1所列。
表1:目前国内外重载工程用车后桥齿轮用钢化学成分:
钢号 | C | Mn | Si | Cr | Ni | Mo | Ti | S |
SCM822HH | 0.18/0.25 | 0.55/0.90 | 0.15/0.35 | 0.85/1.25 | - | 0.35/0.45 | - | - |
22CrMoS35 | 0.19/0.24 | 0.70/1.00 | ≤0.40 | 0.70/1.00 | - | 0.40/0.50 | - | - |
17CrNiMo6HL | 0.15/0.20 | 0.40/0.60 | ≤0.40 | 1.50/1.80 | 1.40/1.70 | 0.25/0.35 | - | - |
15CrNi6H | 0.14/0.19 | 0.40/0.60 | ≤0.40 | 1.40/1.70 | 1.40/1.70 | - | - | - |
20Ni4MoH | 0.17/0.23 | 0.40/0.80 | 0.15/0.35 | - | 3.20/3.80 | 0.20/0.30 | ||
20CrNi3H | 0.17/0.23 | 0.30/0.65 | 0.17/0.37 | 0.60/0.95 | 2.70/3.25 | - | ||
12Cr2Ni4HH | 0.10/0.17 | 0.30/0.65 | 0.17/0.37 | 1.20/1.75 | 3.20/3.75 | - | ||
10CrNi3MoHH | 0.07/0.13 | 0.40/0.70 | 0.15/0.35 | 1.00/1.45 | 2.95/3.55 | 0.08/0.15 |
目前国内外已有的,用于制造重型载重卡车驱动桥齿轮的钢种,在热处理变形、抗弯强度、渗层淬透性等方面都能满足使用要求。存在的问题是:
1、钢的晶粒长大倾向大:用于制造重型卡车后桥(驱动桥)齿轮的钢材,制成齿轮毛坯之后,要在高温(920℃)下长时间渗碳。由于现有钢种的晶粒长大倾向大,齿轮在高温长时间渗碳之后,如果直接淬火,常出现晶粒粗大,进行金相检验,马氐体针超过标准要求。这样的组织会大大降低齿轮的接触疲劳寿命,出现麻点、剥落。为了避免产生这样的问题,国际上普遍采用渗碳后将齿轮冷到室温(或临界相变温度之下),再重新加热到淬火温度(820℃),保温后淬火。利用二次重结晶的原理避免粗大晶粒的形成。二次加热淬火工艺可以有效的解决晶粒粗大问题。但是二次加热容易造成齿面的二次氧化,产生表面脱碳和沿晶界形成黑色托氏体网。从而降低齿轮的接触疲劳强度,另一方面二次加热工艺生产周期长,制造成本高。如果研制出能够渗碳后直接淬火的钢种,不仅简化了生产过程,还可提高齿轮的质量。
2、现有钢种的化学成份中Ni,Mo元素的含量很高。专利P2001~303173A,P2004~238702A,WO001~23632提出的渗碳齿轮钢中Ni,MO元素的含量也非常高。Ni,Mo元素属于地球资源稀缺元素,电解Ni板与Mo-Fe合金价格昂贵,钢材价格高。生产周期长,钢材采购成本过高,两个因素造成重载齿轮的制造成本太高。为了降低制造成本,国内外采用过两种技术方案:
(1)用微量硼(B)元素代替Ni,Mo元素,例如中国第二汽车制造厂为降低制造成本,采用20MnVBH钢制造5吨载重卡车的后桥齿轮,专利P2004~238702A,提出用0.0020%的B代替部分Ni,Mo元素,中国洛阳拖拉机制造厂采用20SiMnVB制造大马力拖拉机驱动桥齿轮,其结果是因为B在渗碳层的失效,降低了齿轮的渗层淬透性。齿轮表面接触疲劳性能低下,出现齿面剥落,早期损坏。20MnVBH钢20SiMnVB钢均被淘汰。目前德国ZF公司采用16CrMnB,20CrMnB钢,用于制造变速箱齿轮。应当指出:该公司用B元素的目的是降低钢中的固溶N含量,提高钢的韧性。B在钢中与N形成球状的BN夹杂。硼对齿轮渗层淬透性不起任何作用。16CrMnB和20CrMnB钢的成份设计,既不能满足重载啮合齿轮心部高抗弯强度的要求,又不能满足齿轮渗层淬透性的要求,不能用于制造重载齿轮。
(2)用20CrMnTiH钢制造重型车后桥齿轮:近几年中国的许多齿轮制造企业为降低钢材采购成本,用20CrMnTiH钢代替国外引进的SCM822H,20CrNi3H钢生产重型卡车后桥齿轮,由于20CrMnTiH钢的成份设计无法满足重载齿轮高抗弯性能与渗层淬透性的要求,出现断齿,齿面剥落、麻点及台架寿命太低等问题。
国内外经过几十年的探索,到目前为止一直没有找到一个可行的方案,能够降低重载齿轮的制造成本。上述表1所列的常见重载齿轮钢中,按现行成本计算,最低的SCM822HH每吨成本为8500元,其余钢种都在1万元以上。
(三)发明内容:本发明要解决目前重载啮合齿轮制造成本过高的问题。提供一种不含Mo-Ni稀缺贵重元素,齿轮渗碳后能直接淬火,能缩短生产周期的重载齿轮用钢。
本发明钢的化学成分(重量百之比)为:
C 0.14-0.20 Mn 1.2-1.60 Si≤0.12
P≤0.03 S 0.015-0.04 Cr1.30-1.80
W≤0.05 Ti0.04-0.10 O≤20PPm
余量为Fe和其他杂质。
在炼钢时,当C含量一定时,相应Mn、Cr、Mo、W及Ni的含量按下列要求控制成份:
C(%重量) (Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni) (%重量)
0.20 2.85±0.03
0.19 2.97±0.03
0.18 3.05±0.03
0.17 3.12±0.03
0.16 3.19±0.03
0.15 3.25±0.03
0.14 3.32±0.03
需要说明的是:Mo,W,Ni均为钢中残余元素。当残余元素含量不为零时,应当从Mn、Cr含量中扣除残余元素的含量。目的是精确控制钢的淬透性。
本发明技术方案的特点在于:
1、同目前广泛应用的重载齿轮用钢比较:
本发明钢的心体淬透性,渗层淬透性均可达到Ni-Mo钢的同等水平(见表2)。能保证重载啮合齿轮具有足够的抗弯强度与接触疲劳寿命。本发明钢不含Ni,Mo元素,钢材采购成本可降低30%左右。
表2:重载齿轮用钢的心体淬透性与渗层淬透性
钢号 | 心体淬透性(HRC) | 渗碳层淬透性(J-mm) | |||
J15(HRC) | J25(HRC) | C浓度0.70% | C浓度0.80% | C浓度0.90% | |
SCM822HH | 35~41 | 29~35 | J30 | J28 | J20 |
22CrMoS35 | 34~40 | 29~35 | J30 | J28 | J20 |
15CrNi6HH | 33~39 | 29~35 | J30 | J28 | J20 |
20Ni4MoH | 32~38 | 21~31 | J30 | J28 | J20 |
20CrNi3HH | 35~40 | 28~32 | J26 | J25 | J18 |
17NiCrMo6HL | 35~45 | 34~41 | >J40 | >J40 | J40 |
12Cr2Ni4HH | 35~41 | 34~40 | >J40 | >J40 | J40 |
10CrNi3MoHH | 35~40 | 26~35 | >J40 | >J40 | J40 |
本发明钢 | 35~41 | 34~40 | >J40 | >J40 | J40 |
说明:
1、钢材的末端淬透性决定了齿轮的心体淬透性,二者等同。
2、钢材的渗层淬透性是指在特定的C浓度区域,齿轮淬火后获得99%马氏体组织所允许的最慢冷却速度。例如:表中对应SCM822H钢,在齿轮表面碳浓度为0.80%的区域,获得99%马氏体的允许的最慢冷却速度是J28mm,是指距末端淬火试样水冷端28mm处的冷却速度。
2、本发明钢中含有0.04~0.10%的Ti元素,当钢中的Ti含量超过0.04%以后,钢的奥氏体晶粒在1000℃长时间保温,仍能保持7-8级的细晶粒。因此,本发明钢在920℃长时间渗碳过程中,晶粒不会粗化。能够做到渗碳后直接淬火。目前国内外广泛应用的Ni~Mo重载啮合齿轮用钢不含Ti。
用微量AL-N阻止钢在高温下的晶粒粗化,效果非常不稳,不得不采用二次加热淬火工艺或马鞍型淬火工艺克服晶粒粗化问题。因此,本发明简化了重载齿轮的热处理工序。提高了生产效率。
3、本发明钢碳含量中限控制0.17%与SCM822H钢,20CrNi3H相比,齿轮心体马氐体中的碳含量下降了0.03~0.06%。马氏体的比容大小随C含量降低而减小,因此,本发明钢热处理后的收缩变形比Ni~Mo钢小,可减少齿轮热处理之后的翘曲变形,椭园度超标,齿面啮合不好等问题。
4、本发明钢中Si含量≤0.12%,比目前常用的重载齿轮钢中的Si含量低。这可大大减轻齿轮在渗碳过程中的内氧化,避免非马氏组织沿晶界形成黑网。提高齿轮的接触疲劳寿命。
(四)附图说明:
附图是齿轮的渗碳淬火回火工艺。
(五)具体实施方式:
实施例1:EQ153八吨载重卡车后桥齿的制造
(1)齿轮钢成份(重量%):(采用通用技术炼钢)
C 0.18,Mn 1.30,Si 0.08,Cr 1.70,Ti 0.07,P 0.01,S 0.02,Ni0.04,Mo 0.01,Cu 0.15,AL 0.03,W 0.01,O 15PPm。
淬透性检验:J15=39HRC J25=35.5HRC
[Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni]=3.03
(2)EQ153八吨车后桥主被动齿轮热处理工艺:
齿轮毛坯的等温正火工艺:
加热温度:900℃,等温温度:630℃,风冷时间3分。
齿轮的渗碳淬火回火工艺参见附图。
淬火油温:80℃ 回火温度:200℃
每料盘周期50分,距齿表面0.1mm处最大C浓度0.82%
(3)齿轮毛坯的正火硬度HB175,冷加工表面光洁度高,断屑性好。
(4)EQ153八吨载重车后桥主被动齿轮成品:
心部硬度(HRC) | 层深(mm) | 表面硬度(HRC) | 心部铁素体(级) | C化合物(级) | 马氐体(级) | 残余奥氏体(级) | ||
标准 | 30~40 | 1.6~2.0 | 58~64 | ≤3 | 1~4 | 1~4 | 1~4 | |
次数 | 1 | 39 | 2.0 | 62 | 1 | 1 | 1 | 3 |
2 | 39 | 2.0 | 63 | 1 | 2 | 1 | 3 | |
3 | 38 | 2.0 | 62 | 1 | 1 | 1 | 3 |
齿轮的不平度,椭园度,主被动齿啮合区均符合要求。
台架寿命:输出扭矩:30000N-M,疲劳寿命30万次
输出扭矩:18000N-M,疲劳寿命90万次
分别符合10万次与70万次的标准要求。
实施例2:EQ2402(460)载重工程车(12吨)后桥齿的制造:
(1)齿轮钢成分(重量%):
C 0.17,Mn 1.37,Si 0.10,Cr 1.70,Ti 0.07,P 0.011,S 0.03,Ni0.04,Mo 0.02,Cu 0.15,AL 0.025,W 0.01,O 15PPm。
[Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni]=3.11
钢材淬透性:J15=39HRC J25=35.7HRC
(2)EQ2402(460)载重工程车后桥主被动齿热处理工艺:
齿轮毛坯的等温正火工艺:
加热温度:900℃,等温温度:630℃,风冷时间3分。
齿轮的渗碳淬火回火工艺参见附图。
淬火油温:80℃ 回火温度:200℃
每料盘周期:50分;距齿表面0.1mm处最大C浓度0.81%。
(3)齿轮毛坯的正火硬度HB170,冷加工表面光洁度高,断屑性好。
(4)EQ2402(460)载重工程车后桥主被动齿轮成品:
心部硬度(HRC) | 层深(mm) | 表面硬度(HRC) | 心部铁素体(级) | C化合物(级) | 马氐体(级) | 残余奥氏体(级) | ||
标准 | 30~40 | 1.6~2.0 | 58~64 | ≤3 | 1~4 | 1~4 | 1~4 | |
次数 | 1 | 38 | 2.0 | 60 | 1 | 2 | 2 | 3 |
2 | 39 | 2.1 | 63 | 1 | 2 | 2 | 3 | |
3 | 38.5 | 2.1 | 62 | 1 | 2 | 2 | 3 |
齿轮的不平度,椭园度,主被动齿啮合区均符合要求,
台架寿命:输出扭距45000N-M,疲劳寿命标准为≥50万次,实际寿命为80万次。
实施例3:EQ153八吨载重卡车后桥齿的制造:
(1)齿轮钢成分(重量%):
钢材的淬透性检验:J15=39.2HRC J25=35HRC
C 0.20,Mn 1.30,Cr 1.50,Si 0.08,P 0.02,S 0.03,Ni 0.05,Cu0.15,Mo 0.02,W 0.02,Ti 0.06,O 10PPm,AL 0.02。
[Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni]=2.85
(2)EQ153八吨车后桥主被动齿轮热处理工艺:
齿轮毛坯的等温正火工艺:
加热温度:900℃,等温温度:630℃,风冷时间3分。
齿轮的渗碳淬火回火工艺参见附图。
淬火油温:80℃ 回火温度:200℃
每料盘周期:50分;距齿表面0.1mm处最大C浓度0.80%。
(3)齿轮毛坯的正火硬度HB165,冷加工表面光洁度高,断屑性好。
(4)EQ153八吨载重卡车后桥主被动齿轮成品:
心部硬度(HRC) | 层深(mm) | 表面硬度(HRC) | 心部铁素体(级) | C化合物(级) | 马氐体(级) | 残余奥氏体(级) | ||
标准 | 30~40 | 1.6~2.0 | 58~64 | ≤3 | 1~4 | 1~4 | 1~4 | |
次数 | 1 | 37 | 1.9 | 63 | 1 | 1 | 1 | 2 |
2 | 38 | 2.0 | 61 | 1 | 1 | 1 | 2 | |
3 | 37.5 | 2.1 | 62 | 1 | 1 | 1 | 3 |
齿轮的不平度,椭园度,主被动齿啮合区均符合要求,
台架寿命:
输出扭距30000N-M,疲劳寿命25万次。
输出扭距18000N-M,疲劳寿命85万次。
分别符合10万次与70万次的标准要求。
实施例4:EQ2402(460)载重工程车后桥主被动齿的制造:
(1)齿轮钢成分(重量%):
C 0.14,Mn 1.55,Cr 1.72,Ti 0.08,O 12PPm,Ni 0.05,Mo 0.01,W 0.02,Cu 0.11,AL 0.03,Si 0.07,P 0.011,S 0.025。
[Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni]=3.31
钢材淬透性检验:J15=38.3HRC J25=36.9HRC
(2)EQ2402(460)载重工程车后桥主被动齿热处理工艺:
齿轮毛坯的等温正火工艺:
加热温度:900℃,等温温度:630℃,风冷时间3分。
齿轮的渗碳淬火回火工艺参见附图。
淬火油温:80℃ 回火温度:200℃
每料盘周期:50分;距齿表面0.1mm处最大C浓度0.83%。
(3)齿轮毛坯的正火硬度HB173,冷加工表面光洁度高,断屑性好。
(4)EQ2402(460)载重工程车后桥主被动齿轮成品:
心部硬度(HRC) | 层深(mm) | 表面硬度(HRC) | 心部铁素体(级) | C化合物(级) | 马氐体(级) | 残余奥氏体(级) | ||
标准 | 30~40 | 1.6~2.0 | 58~64 | ≤3 | 1~4 | 1~4 | 1~4 | |
次数 | 1 | 39 | 1.9 | 63 | 1 | 1 | 2 | 2 |
2 | 38 | 2.0 | 61 | 1 | 1 | 1 | 3 | |
3 | 39 | 1.95 | 62 | 1 | 1 | 2 | 2 |
齿轮的不平度,椭园度,主被动齿啮合区均符合要求。
台架寿命:输出扭距45000N-M,疲劳寿命标准为≥50万次,实际寿命为85万次。
Claims (2)
1.一种重载齿轮钢,其特征是:其化学成分重量百分比为:C 0.14-0.20,Mn 1.2-1.60,Si≤0.12,P≤0.03,S 0.015-0.04,Cr 1.30-1.80,W≤0.05,Ti 0.04-0.10,0≤20PPM,余量为Fe和其他杂质。
2.根据权利要求1所述的一种重载齿轮钢,其特征是:在炼钢时,当C含量一定时,相应Mn、Cr、Mo、W及Ni的含量按下列要求控制成份:
C(%重量) (Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni) (%重量)
0.20 2.85±0.03
0.19 2.97±0.03
0.18 3.05±0.03
0.17 3.12±0.03
0.16 3.19±0.03
0.15 3.25±0.03
0.14 3.32±0.03。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20080130 Termination date: 20190422 |