国产汽车用齿轮钢的研究应用与展望Ξ袁建平1,姚正军2(1.江苏舜天国际集团有限公司,江苏南京210012;2.南京航空航天大学,江苏南京210016)摘要:根据国内汽车行业的发展趋势,分析了汽车用齿轮钢的性能要求,介绍了国产汽车用齿轮钢的研究应用情况,并对未来汽车用齿轮钢的发展趋势进行了展望。
关键词:齿轮钢;汽车;应用中图分类号:T G14212引 言齿轮是汽车的重要零部件之一,起着传递动力和运动的作用。
汽车齿轮在工作时,啮合齿面之间既有滚动又有滑动,轮齿根部还要承受脉冲或交变应力的作用,极易产生齿面磨损、齿面磨点以及剥落和齿根断裂等疲劳断裂现象,影响齿轮的使用寿命。
因此,要求齿轮钢不仅具有良好的耐磨性、高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度,而且还必须具有充分的韧性。
1 车用齿轮钢特性要求目前世界各国高性能的汽车用齿轮钢主要是渗碳齿轮钢,基本上都有以下要求。
111 质量特性(1)化学成分要求严格。
特别是对T i、Si、A l、S 含量有严格要求,严格控制钢的氧含量,要求w(O)≤(15～20)×10-6,有的甚至控制w(O)≤9×10-6。
(2)淬透性带较窄,轿车齿轮钢淬透性一般要求在6HRC以下,甚至在3HRC～4HRC,并要求做全带控制。
(3)晶粒度等级要求,细小均匀的奥氏体晶粒度对稳定钢材的末端淬透性,减少齿轮热处理后的变形量,提高渗碳钢的脆断抗力具有重要意义。
中国齿轮钢的晶粒度级别一般要求5～8级,而日本特别强调渗碳齿轮钢的晶粒度应不低于6级。
112 工艺特性(1)良好的热处理性能,齿轮钢应具有良好的淬透性,以确保渗碳淬火时渗层和心部出现过冷奥氏体分解产物,齿轮渗碳淬火后变形小,免去或减少齿轮的磨削加工。
(2)良好的成形性,包括热塑性变形成型,冷塑性变形成型和切削加工成形,可以降低能耗,提高齿轮的加工精度,降低模具和刀具损耗,降低生产能源消耗和汽车运行时的噪声。
2 国产汽车用齿轮钢系列及其应用211 传统汽车用齿轮钢系列及应用多年来,中国汽车用齿轮钢一直以20C r M nT i H 合金渗碳结构钢为主。
20C r M nT i钢是20世纪50年代从原苏联引进的汽车用齿轮钢18XT T(即20C r M nT i钢),用于中型载荷的汽车齿轮。
该钢号由于T i含量较高,容易产生大块不易变形的T i N夹杂,且在碳氮共渗时容易产生三黑组织(黑网、黑带、黑斑),影响加工精度和产品质量,使用时T i N会成为疲劳源,降低齿轮的疲劳寿命,所以国外仅原苏联使用含T i齿轮钢[3]。
但由于该钢种含有中国富有的合金元素C r和M n,价格低廉,在冶炼时控制好T i的含量和T i N的形态,渗碳时晶粒长大倾向小,渗碳后可直接淬火,且从生产至应用的工艺技术成熟,因 第37卷第6期2009年12月现代冶金M odern M etallu rgyV o l.37 N o.6D ec.2009Ξ收稿日期:2009210218作者简介:袁建平(1967—),男,高级工程师。
电话:(025)52876867此,20C r M nT i在中国中型载荷汽车齿轮行业中仍然是使用普遍的钢种。
但随着重型汽车的发展,齿轮的尺寸和模数加大,20C r M nT i已经不能满足使用要求,各大钢铁企业和汽车公司相继开发和引进了各种类型的齿轮钢。
为了提高齿轮钢的淬透性,节约C r资源,满足中重型汽车齿轮的要求,20世纪60年代,中国汽车工业大力进行了B钢的研究和应用工作,用20M nVB、20M n2T i B等钢种来代替20C r M nT i制造汽车渗碳齿轮。
一汽和二汽集团公司等曾使用20M nT i B、20M n2T i B和20M nVB钢,在十几年制造了几百万个齿轮用于“解放牌”和“东风牌”5t载货车变速器和后桥齿轮。
但随着汽车工业的发展,对齿轮精度要求的不断提高,B钢的使用存在一些问题,主要是淬透性不稳定,淬透性带过宽,渗碳时容易出现混晶,淬火处理后变形大且没有规律性,影响齿轮的加工、尺寸精度和使用寿命,所以在1980年前后很多汽车公司就停止使用B钢生产齿轮。
212 新型汽车用齿轮钢系列及其应用近几十年来,随着改革开放和国民经济发展需要,中国引进许多汽车齿轮生产线,为了适应汽车齿轮国产化的需要,在消化吸收国外先进技术的基础上,分别从德、日、美、意、等国家引进了相应的齿轮用钢,中国引进汽车用齿轮钢的部分钢号与引进标准如表1所示。
中国已开发并能批量生产的新型齿轮钢有多个系列。
表1 中国汽车用齿轮钢的钢号与引进标准钢 系钢 号引进标准C r2M o系SC M420H、SC M822H日本J ISSA E8620H美国A STMC r2N i2M o系21N i C r M o5H意大利20C r N i2M oH、ZF1A德国D I NM n2C r系20M nC r5H、25M nC r5H、28M C5H德国D I NM n2C r2B系ZF6、ZF7德国D I NM n2C r2T i系19CN5意达利21211 C r钢代表钢种为SC r420H(20C rH)和37C rS4。
前者是一种比20C rH淬透性稍高的仿日本牌号,用于夏利轿车及载重卡车变速箱,后者是含硫为01025%～01040%的中碳含C r钢,按德国ZF企业标准验收,它要求末端淬透性全带考核,主要用于轿车转向器齿条。
212.2 C r2M o钢主要有仿日本J IS标准的钢号,钢种为SC M420H、SC M822H。
由于M o的作用,在淬火加工时部分M o溶于奥氏体中,可提高淬透性和回火稳定性,消除第二类回火脆性;部分M o与C形成不溶于奥氏体的碳化物,防止高温加热时晶粒长大。
主要技术指标:淬透性带:4～6个HRC;w(O)≤20×10-6;晶粒度:7～8级;非金属夹杂物:A≤215级, B,C,D各≤2级;成材率≥95%。
SC M420H具有淬透性带窄、纯净度高、晶粒细小均匀,表面质量优良等优点,热处理稳定性强,变形量小,加工性能优良等,完全能够满足高性能汽车齿轮加工使用要求,为高档次汽车齿轮用钢。
用于五十铃中巴、摩托车、中型卡车及轿车等。
21213 C r2N i2M o钢代表钢种为SA E8620H、SA E8720H、SA E4320H、21N i C r M o5H及20C r N i2M oA H等,其C r、N i、M o含量较低,具有良好的可锻性、切削加工性和焊接性能,零件可从渗碳温度直接淬火,在渗碳过程中形成碳化物倾向较小。
这些钢主要用做美国伊顿公司、德国ZF公司的变速齿轮箱以及I V ECO 轻型车和桑塔纳轿车的后轿齿轮五档变速箱齿轮等。
21214 M n2C r钢钢种为16M nC r5、20M nC r5、25M nC r5和28M nC r,晶粒易长大,容易出现质量问题,全部按德国大众企业标准生产,是目前引进钢号中技术要求最高,生产难度最大的一组系列钢,主要用于桑塔纳、奥迪、捷达轿车,其中部分钢号还可用于富康、I V ECO及大马力船用齿轮箱等。
21215 M n2C r2B钢代表钢种为ZF6(16C r M nBH)、ZF7 (20C r M nBH),用硼来处理的这种M n-C r钢,B在这类钢中的作用主要是形成球状BN,降低钢中固溶N量,提高钢的韧性,而传统的渗碳硼钢中B主要起提高淬透性的作用,这类钢关键是要解决硼的加入方法以解决淬透性及弯冲的质量问题。
主要用于斯太尔重型卡车。
21216 C r2N i2M n钢代表钢种为19CN5,按意达利F I A T企标生产。
该钢的强度和末端淬透性比20C r M nT i高,而冲击韧性两者相近。
该钢主要用于I V ECO轻型车,也可应用于F I A T大马力拖拉机。
21217 C r2N i钢代表钢种为15C r N i6,是一种渗碳用铬镍钢,具有很高的强度和韧性,用于制造承受高负荷的传动齿轮零件。
一重集团公司通过采用电炉初炼、L FVD7 第6期袁建平,等:国产汽车用齿轮钢的研究应用与展望 真空精炼、钢包喂线、氩气保护浇注、钢锭退火、内控化学成份以及合理的锻造和热处理工艺,保证了齿轮钢的内在质量。
从而使15C r N i6齿轮用钢的各项技术指标完全满足了标准要求。
3 汽车用齿轮钢的发展趋势311 高强度齿轮钢的开发齿轮的强度取决于化学成分和热处理技术。
汽车渗碳齿轮钢的接触疲劳性能和冲击强度与渗层中晶界氧化程度有关,研究表明,钢中的Si、C r、M n都是促进渗层晶界氧化的主要元素,Si与氧的亲和力是M n、C r的10倍,而N i、M o是减少晶界氧化的重要元素,高钼钢极少发生晶界氧化。
因此,在设计齿轮钢的成分时,尽量降低Si的含量,适当减少M n、C r元素,提高N i、M o的含量。
为此,欧洲和日本充分利用微合金元素N b、V、Zr等的作用,对原有钢种进行微合金化处理,并开发高镍、高钼高强度齿轮钢。
细化晶粒同样也是一个提高齿轮强度有效的方法,在齿轮钢复合添加钙、锆、钛和稀土等元素,可控制硫化物形态和细化晶粒,结果齿根弯曲疲劳强度和表面接触疲劳性能都有较大提高。
快速高温渗碳和真空渗碳的先进热处理技术开发,可使得齿轮钢的晶粒超细化,可以大幅的提高齿轮的力学性能。
开发和应用喷丸表面强化技术,增加表面的残余应力。
312 易切削汽车用齿轮钢的开发汽车齿轮的产量很大,制造齿轮时需要进行大量切削加工,为提高切削效率,一些先进的齿轮制造公司都装备了高速程控机床。
为适应高速切削的发展,对齿轮材料的易切削性能提出了更高的要求,需要开发易切削汽车渗碳齿轮钢。
齿轮钢中主要添加的易切削元素为S、Pb、B i、M g、Ca等。
德国、瑞典等含硫易切削汽车用齿轮钢,硫含量01020%～01040%,通过控制硫化物的形态及分布,提高切削性能;日本等国正在开发无Pb含B i、M g、Ca等易切削汽车用齿轮钢。
313 精密锻造和冷镦汽车用齿轮钢的开发为了降低切削加工费用,提高生产率和材料利用率,发展了直接锻出齿形的齿轮精密锻造技术和冷镦技术。
精锻后的齿轮,尺寸精度高,少切削加工或无切削加工。
精密锻造要求钢在锻造加工时变形能力大、压缩变形阻力小,在渗碳时晶粒不易长大,因此需要开发精密锻造和冷镦汽车渗碳齿轮钢。
精密锻造齿轮要求严格控制钢的质量:(1)钢的内在质量,主要是钢的纯净度、末端淬透性、晶粒度、带状组织等指标;(2)表面无缺陷、球化退火组织和适宜的硬度。
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