專利名稱：重載齒輪鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金技術(shù)領(lǐng)域，屬于合金鋼類。是一種用于制造重載荷車輛驅(qū)動(dòng)橋齒輪的齒輪鋼。
背景技術(shù)：
重載荷車輛一般是指能承載6噸以上載荷的工程載重卡車。例如EQ153為8噸載重卡車，EQ2402(460)為12噸載重卡車，這種車輛的驅(qū)動(dòng)橋齒輪用來(lái)傳輸動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)；齒輪的模數(shù)大，承受的載荷大。這種齒輪要求具有很高的抗彎強(qiáng)度和很高的接觸疲勞強(qiáng)度。為了滿足高抗彎強(qiáng)度的要求，鋼材的淬透性必須高。為了滿足齒輪的高接觸疲勞強(qiáng)度的要求，要求鋼材具有很高的滲層淬透性，保證齒輪在滲碳和淬火之后，滲碳層能獲得99％以上的馬氏體組織。第三，鋼材淬透性的設(shè)計(jì)應(yīng)保證齒輪的熱處理變形小，以保證主動(dòng)齒與被動(dòng)齒之間正確的嚙合。如果鋼材的淬透性能力不能保證齒輪在熱處理后的抗彎強(qiáng)度(或心部硬度)將會(huì)發(fā)生斷齒事故。如果鋼材成份的設(shè)計(jì)不能保證齒輪滲碳層具有很高的淬透性，將會(huì)出現(xiàn)非馬氏體組織，(例如黑色托氏體網(wǎng))，齒面會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)，齒面剝落。如果齒輪滲碳淬火之后變形大，主、被動(dòng)輪的齒面嚙合不好，不僅噪音超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求，齒輪的使用壽命也低。與變速箱齒輪相比，重載驅(qū)動(dòng)橋齒輪對(duì)鋼材的要求要高的多，齒輪的制造工藝要復(fù)雜的多。目前國(guó)內(nèi)外采用的重載齒輪鋼其化學(xué)成份如表1所列。
表1目前國(guó)內(nèi)外重載工程用車后橋齒輪用鋼化學(xué)成分
目前國(guó)內(nèi)外已有的，用于制造重型載重卡車驅(qū)動(dòng)橋齒輪的鋼種，在熱處理變形、抗彎強(qiáng)度、滲層淬透性等方面都能滿足使用要求。存在的問(wèn)題是1、鋼的晶粒長(zhǎng)大傾向大用于制造重型卡車后橋(驅(qū)動(dòng)橋)齒輪的鋼材，制成齒輪毛坯之后，要在高溫(920℃)下長(zhǎng)時(shí)間滲碳。由于現(xiàn)有鋼種的晶粒長(zhǎng)大傾向大，齒輪在高溫長(zhǎng)時(shí)間滲碳之后，如果直接淬火，常出現(xiàn)晶粒粗大，進(jìn)行金相檢驗(yàn)，馬氐體針超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求。這樣的組織會(huì)大大降低齒輪的接觸疲勞壽命，出現(xiàn)麻點(diǎn)、剝落。為了避免產(chǎn)生這樣的問(wèn)題，國(guó)際上普遍采用滲碳后將齒輪冷到室溫(或臨界相變溫度之下)，再重新加熱到淬火溫度(820℃)，保溫后淬火。利用二次重結(jié)晶的原理避免粗大晶粒的形成。二次加熱淬火工藝可以有效的解決晶粒粗大問(wèn)題。但是二次加熱容易造成齒面的二次氧化，產(chǎn)生表面脫碳和沿晶界形成黑色托氏體網(wǎng)。從而降低齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度，另一方面二次加熱工藝生產(chǎn)周期長(zhǎng)，制造成本高。如果研制出能夠滲碳后直接淬火的鋼種，不僅簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過(guò)程，還可提高齒輪的質(zhì)量。
2、現(xiàn)有鋼種的化學(xué)成份中Ni，Mo元素的含量很高。專利P2001～303173A，P2004～238702A，WO001～23632提出的滲碳齒輪鋼中Ni，MO元素的含量也非常高。Ni，Mo元素屬于地球資源稀缺元素，電解Ni板與Mo-Fe合金價(jià)格昂貴，鋼材價(jià)格高。生產(chǎn)周期長(zhǎng)，鋼材采購(gòu)成本過(guò)高，兩個(gè)因素造成重載齒輪的制造成本太高。為了降低制造成本，國(guó)內(nèi)外采用過(guò)兩種技術(shù)方案(1)用微量硼(B)元素代替Ni，Mo元素，例如中國(guó)第二汽車制造廠為降低制造成本，采用20MnVBH鋼制造5噸載重卡車的后橋齒輪，專利P2004～238702A，提出用0.0020％的B代替部分Ni，Mo元素，中國(guó)洛陽(yáng)拖拉機(jī)制造廠采用20SiMnVB制造大馬力拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)橋齒輪，其結(jié)果是因?yàn)锽在滲碳層的失效，降低了齒輪的滲層淬透性。齒輪表面接觸疲勞性能低下，出現(xiàn)齒面剝落，早期損壞。20MnVBH鋼20SiMnVB鋼均被淘汰。目前德國(guó)ZF公司采用16CrMnB，20CrMnB鋼，用于制造變速箱齒輪。應(yīng)當(dāng)指出該公司用B元素的目的是降低鋼中的固溶N含量，提高鋼的韌性。B在鋼中與N形成球狀的BN夾雜。硼對(duì)齒輪滲層淬透性不起任何作用。16CrMnB和20CrMnB鋼的成份設(shè)計(jì)，既不能滿足重載嚙合齒輪心部高抗彎強(qiáng)度的要求，又不能滿足齒輪滲層淬透性的要求，不能用于制造重載齒輪。
(2)用20CrMnTiH鋼制造重型車后橋齒輪近幾年中國(guó)的許多齒輪制造企業(yè)為降低鋼材采購(gòu)成本，用20CrMnTiH鋼代替國(guó)外引進(jìn)的SCM822H，20CrNi3H鋼生產(chǎn)重型卡車后橋齒輪，由于20CrMnTiH鋼的成份設(shè)計(jì)無(wú)法滿足重載齒輪高抗彎性能與滲層淬透性的要求，出現(xiàn)斷齒，齒面剝落、麻點(diǎn)及臺(tái)架壽命太低等問(wèn)題。
國(guó)內(nèi)外經(jīng)過(guò)幾十年的探索，到目前為止一直沒(méi)有找到一個(gè)可行的方案，能夠降低重載齒輪的制造成本。上述表1所列的常見(jiàn)重載齒輪鋼中，按現(xiàn)行成本計(jì)算，最低的SCM822HH每噸成本為8500元，其余鋼種都在1萬(wàn)元以上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決目前重載嚙合齒輪制造成本過(guò)高的問(wèn)題。提供一種不含Mo-Ni稀缺貴重元素，齒輪滲碳后能直接淬火，能縮短生產(chǎn)周期的重載齒輪用鋼。
本發(fā)明鋼的化學(xué)成分(重量百之比)為C 0.14-0.20 Mn 1.2-1.60 Si≤0.12P≤0.03 S 0.015-0.04 Cr1.30-1.80W≤0.05 Ti0.04-0.10 O≤20PPm余量為Fe和其他雜質(zhì)。
在煉鋼時(shí)，須按下列要求控制成份C(％重量) (Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)±0.03(％重量)0.20 2.850.19 2.970.18 3.050.17 3.120.16 3.190.15 3.250.14 3.32需要說(shuō)明的是Mo，W，Ni均為鋼中殘余元素。當(dāng)殘余元素含量不為零時(shí)，應(yīng)當(dāng)從Mn、Cr含量中扣除殘余元素的含量。目的是精確控制鋼的淬透性。
本發(fā)明技術(shù)方案的特點(diǎn)在于1、同目前廣泛應(yīng)用的重載齒輪用鋼比較本發(fā)明鋼的心體淬透性，滲層淬透性均可達(dá)到Ni-Mo鋼的同等水平(見(jiàn)表2)。能保證重載嚙合齒輪具有足夠的抗彎強(qiáng)度與接觸疲勞壽命。本發(fā)明鋼不含Ni，Mo元素，鋼材采購(gòu)成本可降低30％左右。
表2重載齒輪用鋼的心體淬透性與滲層淬透性
說(shuō)明1、鋼材的末端淬透性決定了齒輪的心體淬透性，二者等同。
2、鋼材的滲層淬透性是指在特定的C濃度區(qū)域，齒輪淬火后獲得99％馬氏體組織所允許的最慢冷卻速度。例如表中對(duì)應(yīng)SCM822H鋼，在齒輪表面碳濃度為0.80％的區(qū)域，獲得99％馬氏體的允許的最慢冷卻速度是J28mm，是指距末端淬火試樣水冷端28mm處的冷卻速度。
2、本發(fā)明鋼中含有0.04～0.10％的Ti元素，當(dāng)鋼中的Ti含量超過(guò)0.04％以后，鋼的奧氏體晶粒在1000℃長(zhǎng)時(shí)間保溫，仍能保持7-8級(jí)的細(xì)晶粒。因此，本發(fā)明鋼在920℃長(zhǎng)時(shí)間滲碳過(guò)程中，晶粒不會(huì)粗化。能夠做到滲碳后直接淬火。目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的Ni～Mo重載嚙合齒輪用鋼不含Ti。
用微量AL-N阻止鋼在高溫下的晶粒粗化，效果非常不穩(wěn)，不得不采用二次加熱淬火工藝或馬鞍型淬火工藝克服晶粒粗化問(wèn)題。因此，本發(fā)明簡(jiǎn)化了重載齒輪的熱處理工序。提高了生產(chǎn)效率。
3、本發(fā)明鋼碳含量中限控制0.17％與SCM822H鋼，20CrNi3H相比，齒輪心體馬氐體中的碳含量下降了0.03～0.06％。馬氏體的比容大小隨C含量降低而減小，因此，本發(fā)明鋼熱處理后的收縮變形比Ni～Mo鋼小，可減少齒輪熱處理之后的翹曲變形，橢園度超標(biāo)，齒面嚙合不好等問(wèn)題。
4、本發(fā)明鋼中Si含量≤0.12％，比目前常用的重載齒輪鋼中的Si含量低。這可大大減輕齒輪在滲碳過(guò)程中的內(nèi)氧化，避免非馬氏組織沿晶界形成黑網(wǎng)。提高齒輪的接觸疲勞壽命。


附圖是齒輪的滲碳淬火回火工藝。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1EQ153八噸載重卡車后橋齒的制造(1)齒輪鋼成份(重量％)(采用通用技術(shù)煉鋼)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。
淬透性檢驗(yàn)J15＝39HRC J25＝35.5HRC[Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni]＝3.03(2)EQ153八噸車后橋主被動(dòng)齒輪熱處理工藝齒輪毛坯的等溫正火工藝加熱溫度900℃，等溫溫度630℃，風(fēng)冷時(shí)間3分。
齒輪的滲碳淬火回火工藝參見(jiàn)附圖。
淬火油溫80℃ 回火溫度200℃
每料盤周期50分，距齒表面0.1mm處最大C濃度0.82％(3)齒輪毛坯的正火硬度HB175，冷加工表面光潔度高，斷屑性好。
(4)EQ153八噸載重車后橋主被動(dòng)齒輪成品
齒輪的不平度，橢園度，主被動(dòng)齒嚙合區(qū)均符合要求。
臺(tái)架壽命輸出扭矩30000N-M，疲勞壽命30萬(wàn)次輸出扭矩18000N-M，疲勞壽命90萬(wàn)次分別符合10萬(wàn)次與70萬(wàn)次的標(biāo)準(zhǔn)要求。
實(shí)施例2EQ2402(460)載重工程車(12噸)后橋齒的制造(1)齒輪鋼成分(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。＝3.11鋼材淬透性J15＝39HRC J25＝35.7HRC(2)EQ2402(460)載重工程車后橋主被動(dòng)齒熱處理工藝齒輪毛坯的等溫正火工藝加熱溫度900℃，等溫溫度630℃，風(fēng)冷時(shí)間3分。
齒輪的滲碳淬火回火工藝參見(jiàn)附圖。
淬火油溫80℃ 回火溫度200℃每料盤周期50分；距齒表面0.1mm處最大C濃度0.81％。
(3)齒輪毛坯的正火硬HB170，冷加工表面光潔度高，斷屑性好。
(4)EQ2402(460)載重工程車后橋主被動(dòng)齒輪成品
齒輪的不平度，橢園度，主被動(dòng)齒嚙合區(qū)均符合要求，臺(tái)架壽命輸出扭距45000N-M，疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)為≥50萬(wàn)次，實(shí)際壽命為80萬(wàn)次。
實(shí)施例3EQ153八噸載重卡車后橋齒的制造(1)齒輪鋼成分(重量％)鋼材的淬透性檢驗(yàn)J15＝39.2HRC J25＝35HRCC 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。＝2.85(2)EQ153八噸車后橋主被動(dòng)齒輪熱處理工藝齒輪毛坯的等溫正火工藝加熱溫度900℃，等溫溫度630℃，風(fēng)冷時(shí)間3分。
齒輪的滲碳淬火回火工藝參見(jiàn)附圖。
淬火油溫80℃ 回火溫度200℃每料盤周期50分；距齒表面0.1mm處最大C濃度0.80％。
(3)齒輪毛坯的正火硬度HB165，冷加工表面光潔度高，斷屑性好。
(4)EQ153八噸載重卡車后橋主被動(dòng)齒輪成品
齒輪的不平度，橢園度，主被動(dòng)齒嚙合區(qū)均符合要求，臺(tái)架壽命輸出扭距30000N-M，疲勞壽命25萬(wàn)次。
輸出扭距18000N-M，疲勞壽命85萬(wàn)次。
分別符合10萬(wàn)次與70萬(wàn)次的標(biāo)準(zhǔn)要求。
實(shí)施例4EQ2402(460)載重工程車后橋主被動(dòng)齒的制造(1)齒輪鋼成分(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。＝3.31鋼材淬透性檢驗(yàn)J15＝38.3HRC J25＝36.9HRC(2)EQ2402(460)載重工程車后橋主被動(dòng)齒熱處理工藝齒輪毛坯的等溫正火工藝加熱溫度900℃，等溫溫度630℃，風(fēng)冷時(shí)間3分。
齒輪的滲碳淬火回火工藝參見(jiàn)附圖。
淬火油溫80℃ 回火溫度200℃每料盤周期50分；距齒表面0.1mm處最大C濃度0.83％。
(3)齒輪毛坯的正火硬度HB173，冷加工表面光潔度高，斷屑性好。
(4)EQ2402(460)載重工程車后橋主被動(dòng)齒輪成品
齒輪的不平度，橢園度，主被動(dòng)齒嚙合區(qū)均符合要求。
臺(tái)架壽命輸出扭距45000N-M，疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)為≥50萬(wàn)次，實(shí)際壽命為85萬(wàn)次。
權(quán)利要求
1.一種重載齒輪鋼，其特征是其化學(xué)成分重量百分比為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，余量為Fe和其他雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種重載齒輪鋼，其特征是在煉鋼時(shí)，按下列要求控制成份C(％重量) (Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)±0.03(％重量)0.20 2.850.19 2.970.18 3.050.17 3.120.16 3.190.15 3.250.14 3.3全文摘要
本發(fā)明是一種重載齒輪鋼，其化學(xué)成分重量百分比為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，余量為Fe和其他雜質(zhì)；本發(fā)明由于不加Ni，Mo貴重元素，使其制造成本降低了30％左右，其熱處理工序簡(jiǎn)化，生產(chǎn)效率提高，本發(fā)明鋼熱處理后的收縮變形比Ni－Mo鋼小，可減少齒輪熱處理之后的翹曲變形，橢圓度超標(biāo)，齒面嚙合不好等問(wèn)題，特別適合用于制造重載荷車輛驅(qū)動(dòng)橋齒輪。
文檔編號(hào)C22C38/18GK1851024SQ20051001860
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2005年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者常曙光 申請(qǐng)人:常曙光