專利名稱：齒輪用微變形滲碳鋼及熱加工工藝的制作方法
技術領域：
本發明是一種齒輪用微變形滲碳鋼及熱加工工藝，特別是汽車齒輪用微變形滲碳鋼及熱加工工藝，屬于冶金工業的技術領域。
長期以來我國汽車滲碳齒輪主要采用20CrMnTi、20CrMnMo以及Cr-Ni-Mo系列鋼種，前者應用最為廣泛，后者成本較高，國外采用的滲碳鋼主要有20CrMnMo、20CrMo(美國)、20CrMnH(日本)等，這些材料在滲碳后均要直接淬火或重新加熱淬火然后低溫回火，其缺點是淬火過程由于齒輪形狀復雜，不可避免產生變形或淬火裂紋；在我國，滲碳淬火變形超差導致齒輪報廢的廢品率很高，不僅經濟損失嚴重，而且齒部變形的齒輪在汽車運行中，噪音大，油耗高，使用壽命短；同時，現有的滲碳鋼在滲碳過程中容易在表層形成塊狀和網狀碳化物，使其在汽車運行過程中滲層易于產生剝落，接觸疲勞壽命低等，為了減少變形，通常采用兩個途徑，一個是滲碳后不直接淬火，而是重新第二次加熱淬火或在壓床上淬火，這種方法可減少變形，但在第二次加熱過程時表面會產生氧化脫碳，而且也不能完全解決淬火變形問題；第二是滲碳淬火后進行磨齒加工、將變形部分磨掉，這一方面使表面局部滲碳硬化層被磨掉，降低使用壽命，加工成本大大提高，另一方面也無法對變形超差量較大的齒輪進行磨齒加工。此外，現行滲碳鋼在滲碳后必須淬火，淬火介質會污染環境，淬火槽設備及淬火介質的費用也比較高。當前，國內外對齒輪材料及工藝進行了大量的研究，但多是需要淬火處理工序，難以解決上述問題。近年來，已有人采用空冷貝氏體鋼代替現行的調質鋼制做機器零件，工程構件，以及一些大截面尺寸的零件，如Mn-B，Mn-Si-B系貝體體鋼，并在此基礎上添加少量多種其它元素。另一類是Si-Mn-Mo系空冷貝氏體鋼，這些材料具有高的淬透性，在較大尺寸范圍內空冷均能獲得貝氏體組織，該組織強度高，經過中溫回火后，具有較高的韌性，但對汽車要達到高韌性指標必須進行中溫回火，這必然會導致表面硬度降低而達不到耐磨的要求；若不進行中溫回火，就必須在鋼中添加貴重元素，如Cr，W，Nb，Ni等，以及同時添加其它的多種元素來細化晶粒和提高淬透性，如Ti，B，Re，V，Al等，另一方面表層要達到一定的碳濃度和滲層深度不能加入較多的廉價元素Si，必須加入較貴重的碳化物形成元素，如Cr、W、Nb等，因此使成本增加。
本發明的主要目的是要獲得一種成本低、無變形開裂、工藝簡單以及表面和心部性能優異的滲碳鋼，據此采用廉價元素Mn-Si為主加合金元素，再添加微量或少量Mo和Re元素，獲得的一種齒輪的新型滲碳鋼，特別是用于汽車齒輪的新型滲碳鋼及熱加工工藝。
本發明是這樣構成的一種齒輪用微變形滲碳鋼，它是以C、Si、Mn為主加合金元素，再添加微量或少量Mo或Re元素，具體的化學成份(重量百分數)范圍為C 0.15～0.3、Mn 1.5～2.5、Si 0.6～1.5、Mo 0.15～0.35、Re 0.05～0.2，其余為Fe；這種齒輪用微變形滲碳鋼的熱加工工藝，熔煉澆鑄溫度1570℃～1620℃，在800℃～1200℃鍛造成形后空冷，預備熱處理880℃～950℃加熱后隨爐冷卻到600℃以下出爐空冷，然后加工成齒輪，爐內碳勢控制在1.0～1.25％C，900℃～930℃滲碳后直接出爐空冷或降溫出爐空冷，也可以在860℃～890℃進行碳氮共滲后出爐空冷。
在本發明的滲碳鋼中各元素的作用如下Mn是提高淬透性的主要元素，同時還有降低貝氏體轉變溫度提高強度的作用，由于汽車滲碳齒輪的有效厚度并不大，因此Mn加入量不需要很高，也可根據一定的齒輪模數范圍對Mn量進行調整。
Si在鋼中Si起到抑制碳化物從奧氏體中析出，避免滲碳和空冷過程中出現塊狀、網狀碳化物，從而提高表層疲勞磨損性能；Si也能強化貝氏體鐵素體，使材料心部強度增加，Si元素降低碳的濃度梯度，還有促進碳擴散作用。
Mo是顯著推遲珠光體轉變，對貝氏體轉變影響不大的元素，也是獲得貝氏體的主要元素。
Re加入少量的Re元素可起到細化奧氏體晶粒、大幅度提高鋼在空冷條件下的沖擊韌性。在冶煉過程中，進行良好的脫氧、脫硫，同時控制好易于與Re結合的其它元素便能使較多的Re元素固溶到奧氏體中。
與現有技術相比，本發明能夠獲得一種成本低、無變形開裂、工藝簡單以及表面和心部性能優異的滲碳鋼，據此采用廉價元素Mn-Si為主加合金元素，再添加微量或少量Mo和Re元素，獲得的齒輪的新型滲碳鋼，生產成本特別低廉，材料組織結構好，不容易產生疲勞傷害，提高了齒輪的使用壽命，該鋼經滲碳后空冷表面可獲得高的表面硬度HRC 58～63，心部硬度HRC 34～43，表層組織為馬氏體+過渡形態的貝氏體和部分殘留奧氏體，心部為貝氏體，表層硬度梯度平緩、無塊狀和網狀碳化物，從而獲得高的耐磨性和接觸疲勞性能，心部具有高的強韌性。由于滲碳后采用緩冷，不進行淬火和回火處理，因而這種齒輪無淬火變形開裂、尺寸精度高、熱加工工藝簡單，同時還避免了淬火介質帶來的環境污染。
用本發明制造汽車齒輪的工序1、對熔煉過程前期和中期進行良好的脫氧和脫硫，然后按常規工藝加入其它合金元素。熔煉澆鑄溫度1570℃～～1620℃，鍛軋1200℃～800℃成形后空冷，預備熱處理880℃～950℃加熱后，隨爐冷卻或冷卻到600℃以下出爐空冷，硬度范圍HB 220～290，HRC 18～32，然后進行齒輪加工，表面光潔度良好，熱處理工藝滲碳溫度900℃～930℃，碳勢控制在1.0％～1.25％C，滲碳后直接出爐空冷或降溫出爐空冷。
主要性能指標表面硬度HRC 58～63，心部硬度HRC 33～42，心部強度及塑性σb＝1100～1400MPa，σ0.2＝850～950MPa，δ5＝13～18％，Ψk＝45～56％沖擊韌性(U型缺口)65～120J本發明的主要特點1、本發明的滲碳鋼制做的齒輪經滲碳后空冷，表層組織為馬氏體-過渡形態的貝氏體和少量殘留奧氏體，心部主要是貝氏體，表層硬度梯度平緩，無塊狀和網狀碳化物，從而獲得高的耐磨性和接觸疲勞性能，心部也具有很高的強韌性。在獲得高表面硬度(HRC 58～63)的同時，基本上不產生變形、無淬火開裂等缺陷，使齒輪的尺寸精度大大提高。完全滿足汽車齒輪的性能要求。
2、本發明的微變形滲碳齒輪鋼不需要淬火和回火處理，避免了淬火介質帶來的環境污染，而且還節省了淬火設備的投資以及淬火介質的費用，無需對碳勢進行精確的控制，因而具有工藝簡單、加工成本低、不污染環境、成品率高的優點。
3、本發明鋼的成分元素少，冶煉工藝簡單，同時在不回火的條件下具有優良的強韌性和耐磨性能。本發明鋼滲碳空冷與現行滲碳鋼20CrMnTi滲碳淬火、200℃回火性能比較如下鋼號 σb(MPa) σ0.2(MPa) δ5(％) Ψk(％)20CrMnTi 1200-1350 850-1050 10-12 55-58本發明鋼 1150-1350 850-95013-18 45-56鋼號 Ak(J) HRC(表)HRC(心)20CrMnTi 57-74 58-62 35-45本發明鋼 65-120 58-63 34-42
對滾耐磨性能比較用規定載荷下滾動摩擦12小時的磨損量Am(g)表示鋼號(載荷) 294N 490N 735N20CrMnTi 0.177g 0.269g 0.741g本發明鋼 0.191g 0.296g 0.365g(滑差10％轉速200r/min)上述性能對比表明，在相同的強度條件下，本發明鋼不經回火處理的沖擊韌性高于20CrMnTi，耐磨性能在高載荷下顯著高于20CrMnTi。
滲碳性能對比滲碳溫度910℃3.5小時鋼號 碳濃渡(距表0.1mm) (距表面0.5m) (距表面0.9mm)20CrMnTi 1.1％ 0.66％ 0.41％本發明鋼 0.91％ 0.745％0.65％從碳濃度分布看本發明鋼的碳濃度分布平緩，表面碳濃度低于20CrMnTi，在相同條件下具有較大的滲層深度，滲層碳濃度分布合理，有利于提高表面耐磨性能。
本發明的實施例1對模數m＜5較小的齒輪，可采用如下的化學成分(重量百分數)C 0.18～0.24、Si 0.7～1.0、Mn 1.7～2.2、Mo 0.15～0.25、Re0.06～0.15，其余為Fe。
本發明的實施例2對模數m＜5較小的齒輪，C 0.20～0.25、Si 0.8～1.2、Mn 1.7～2.2、Mo 0.2～0.30、Re 0.1～0.2，其余為Fe。
本發明的實施例3對模數m＞5的齒輪，采用如下的化學成分C 0.20～0.3、Si 1.0～1.4、Mn 2.0～2.5、Mo 0.25～0.40、Re0.1～0.2，其余為Fe。
工藝規范熔煉澆鑄1570℃～1620℃，在1200℃～800℃鍛造成形—預備熱處理880℃～950℃加熱后隨爐冷卻到600℃以下出爐空冷——齒輪加工—-滲碳熱處理(900℃～930℃)空冷或降溫后空冷。
權利要求
1.一種齒輪用微變形滲碳鋼，其特征是以C、Si、Mn為主加合金元素，再添加微量或少量Mo或Re元素，具體的化學成份(重量百分數)范圍為C 0.15～0.3、Mn 1.5～2.5、Si 0.6～1.5、Mo 0.15～0.35、Re 0.0 5～0.2，其余為Fe。
2.一種齒輪用微變形滲碳鋼的熱加工工藝，其特征在于熔煉澆鑄溫度1570℃～～1620℃，在800℃～1200℃鍛造成形后空冷，預備熱處理880℃～950℃加熱后隨爐冷卻到600℃以下出爐空冷，然后加工成齒輪。
3.按權利要求2所述的齒輪用微變形滲碳鋼的熱加工工藝，其特征在于爐內碳勢控制在1.0～1.25％C，900℃～930℃滲碳后直接出爐空冷或降溫出爐空冷，也可以在860℃～890℃進行碳氮共滲后出爐空冷。
全文摘要
本發明獲得一種齒輪用微變形滲碳鋼及熱加工工藝,特別是一種汽車齒輪用微變形滲碳鋼及熱加工工藝通過采用Mn和Si元素,其化學成分范圍如下:C0.15～0.3、Mn1.5～2.5、Si0.6～1.5、Mo0.15～0.35、Re0.05～0.2,其余為Fe;該鋼經滲碳后空冷表面可獲得高的表面硬度HRC58～63,心部硬度HRC34～43,表層組織為馬氏體+過渡形態的貝氏體和部分殘留奧氏體,心部為貝氏體,表層硬度梯度平緩、無塊狀和網狀碳化物,從而獲得高的耐磨性和接觸疲勞性能,心部具有高的強韌性。由于滲碳后采用緩冷,不進行淬火和回火處理,因而這種齒輪無淬火變形開裂、尺寸精度高、熱加工工藝簡單,加工成本低,同時還避免了淬火介質帶來的環境污染。
文檔編號C21D8/00GK1257132SQ99117458
公開日2000年6月21日 申請日期1999年12月16日 優先權日1999年12月16日
發明者梁益龍, 朱建培, 高宏, 雷旻, 唐道文, 鐘蜀輝, 江山 申請人:貴州工業大學