中重型载货汽车齿轮材料与热处理的发展概况

作者：哈尔滨拖拉机配件厂 金荣植

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 前言 我国中重型载货汽车齿轮用钢牌号较多，主要是为适应引进当时国外先进汽车技术的要求。50年代我国从原苏联里哈乔夫汽车厂引进当时苏联中型载货汽车(即“解放”牌原车型)生产技术的同时，也引进了原苏联生产汽车齿轮的20CrMnTi钢种。改革开放以后，随着我国经济建设的高速发展，为了满足我国交通运输的快速发展需要，从80年代开始，我国有计划地引进工业发达国家的各类先进机型，各类国外先进中重型载货汽车也不断引进。同时，我国大汽车厂同国外著名汽车大公司进行合作，引进国外先进汽车生产技术，其中包括汽车齿轮的生产技术。与此同时，我国钢铁冶炼技术水平也在不断提高，采用钢包二次冶炼及成分微调和连铸连轧等先进治炼技术，使得钢厂能生产出高纯净度、淬透性能带缩窄的齿轮用钢材，从而实现了引进汽车齿轮用钢的国产化，使我国齿轮用钢的生产水平上了一个新台阶。近年来，适合于我国国情的国产重型汽车齿轮用含镍高淬透性能钢也得到了开发和应用，取得了较好效果。汽车齿轮的热处理技术也从原50-60年代采用井式气体渗碳护发展到当前普遍采用由计算机控制的连续式气体渗碳自动线和箱式多用炉及自动生产线(包括低压(真空)渗碳技术)、齿轮渗碳预氧化处理技术，齿轮淬火控制冷却技术(由于专用淬火油和淬火冷却技术的使用)、齿轮锻坯等温正火技术等。这些技术的采用不仅使齿轮渗碳淬火畸变得到了有效控制、齿轮加工精度得到提高、使用寿命得到延长，而且还满足了齿轮的现代化热处理的大批量生产需要。 有关文献指出，汽车齿轮的寿命主要由两大指标考核，一是齿轮的接触疲劳强度，二是齿轮的弯曲疲劳强度。前者主要由渗碳淬火质量决定，后者主要由齿轮材料决定。为此，有必要对汽车齿轮用渗碳钢的要求、性能及其热处理特点有一个较全面的了解。 1 铬锰钛钢和硼钢 长期以来，我国载货汽车齿轮使用最普遍的钢种是20CrMnTi。这是上世纪50年代我国从原苏联引进的中型的汽车齿轮18XTr钢种(即20CrMnTi钢)。该钢晶粒细，渗碳时晶粒长大倾向小，具有良好的渗碳淬火性能，渗碳后可直接淬火。文献指出，在1980年以前，我国的渗碳合金结构钢(包括20CrbinTi钢)在钢材出厂时只保证钢材的化学成分和用样品测定的力学性能，但是在汽车生产时常常出现化学成分和力学性能合格的钢材，由于淬透性能波动范围过大而影响产品质量的情况。例如若20CrMnTi渗碳钢的淬透性过低，则制成的齿轮渗碳淬火后，心部硬度低于技术条件规定的数值，疲劳试验时，齿轮的疲劳寿命降低一半；若淬透性能过高，则齿轮渗碳淬火后内孔收缩量过大而影响齿轮装配。 由于钢材淬透性能对轮齿心部的硬度和畸变都有极其重大的影响，1985年冶金部颁布了我国的保证淬透性结构钢技术条件(GB5216-85)，在此技术条件中列入了包括20CxMnTiH、20MnVBH钢在内的10种渗碳钢的化学成分、淬透性能数据。标准中规定：用于制造齿轮的20CrMnTi钢的淬透性能指标为距水冷端9咖处的硬度为30-42HRC。在此之后，采用20CrMnTi钢生产齿轮的齿心部硬度过低和畸变过大的问题基本上得到了解决。但是不管齿轮模数大小和钢材截面粗细均采用同一钢号20CrMnTi钢显然是不合理的。近年来，由于我国钢材冶炼技术水平的提高以及合金结构钢供应情况的改善，已经有条件把齿轮钢的淬透性能带进一步缩窄，并根据不同产品(如变速器齿轮与后桥齿轮等)的要求开发新的钢种以满足其要求。通过与钢厂协商，1997年长春一汽先后与生产齿轮钢厂的生产厂家签定了将20CrMnTi钢淬透性能分挡供应的协议，例如“解放”牌5t载货汽车上用于制造截面尺寸较小的变速器第一轴、中间轴齿轮和截面尺寸较大的后桥主、从动圆锥齿轮用20CrMnTiH钢淬透性能组别分别为I和Ⅱ，对应淬透性能分别为J9：30—36HRC和J9＝36～42HRC。 1960年前后，由于我国镍、铬钢的供应紧张，影响了我国含镍、铬钢材的生产。而当时我国的汽车工业是从原苏联引进的技术，苏联大量应用含镍、铬的钢材。因此，当时我国汽车工业大力发展了硼钢的开发、研制工作，用20MnVB和20Mn2TiB钢代替20CrMnTi渗碳钢制造齿轮。这是因为在结构钢中加入微量硼(0.0001%-0.0035%)可以显著地提高钢材的淬透性能，因此钢中加入微量硼可以代替一定数量的锰、镍、铬、钼等贵重合金元素，因而硼钢得到广泛的应用。长春一汽曾在“解放”牌汽车齿轮生产中使用过20MnTiB和20Mn2TiB钢。 东风汽车公司生产的“东风”牌5，载货汽车变速器和后桥齿轮分别采用20CrMnTi和20MnVB钢制造。同样，也与钢厂签定了把钢材淬透性能带缩窄并分档供应的协议。变速器和后桥主、从动圆锥齿轮用钢分别为20CrMnTiH(3)和20MnVBH(2)、20MnVBH(3)，对应淬透性能分别为J9＝32～39HRC 和J9＝37～44HRC、J9＝34～42HRC。 我国綦江齿轮厂引进了德国公司的重型汽车变速器齿轮生产技术，在国内按德国Ⅲ公司的标准试制了该公司的Cr-Mn-B系含硼齿轮钢获得成功。其齿轮材料的淬透性能为J10＝31～39HRC 当然，20CrMnTi钢及20MnTiB钢、20MVB钢等含硼钢也存在不足。一般认为20CrMnTi等渗碳钢是本质细晶粒钢，渗碳后晶粒不会租化，可直接淬火。但实际上由于钢材冶炼质量的影响，常常在正常条件下发生晶粒粗化现象。对多批材料的实际晶粒度试验，发现相当部分实际晶粒度只有2—3级(930℃保温3h条件下)。文献认为，20CrMnTi由于Ti含量较高，钢中TiN夹杂物多，尤其是大块的TiN夹杂是齿轮疲劳时的疲劳源，它的存在会降低齿轮的接触疲劳性能。这种夹杂物呈立方结构，受力时易发生解理开裂，导致齿轮早期失效。另一个问题是该钢的淬透性能有限，不能满足大直径大模数齿轮的要求，渗碳有效硬化层深度和心部硬度均不能满足重型齿轮的要求。此外，在热处理过程中20CrMnTi钢易产生内氧化和非马氏体组织而降低齿轮的疲劳寿命。但目前在我国齿轮渗碳钢中还没有哪一种钢在渗碳工艺上有20CrMnTi钢这样成熟和可靠。所以，它仍是目前国内使用最普遍的渗碳钢种。20MnVB、20MnTiB和20Mn2TiB等硼钢也存在一些缺点，如在冶炼时由于脱氧去氮不好而使硼不能起到增加淬透性能的作用，因此，使硼钢的性能不稳定，渗碳淬火后的齿轮畸变增大而影响产品的质量。同时由于混晶和晶粒易于粗大，致变形不易控制和韧性较差，且硼钢齿轮根部易产生托氏体组织和碳氮共渗齿轮的黑网、黑带。因此，目前很多工厂中止使用该钢种。然而，决不能就此得出硼钢不适宜作齿轮渗碳钢的结论。含硼的渗碳钢在国外还有使用。例如，德国著名的Ⅳ齿轮厂，一直使用由其本厂拟订的保留钢种ZF7，这是一种含硼的低碳铬锰钢。该钢主要化学成分(质量分数，%)为0.15～0.20C，0.15～0.40S，1.0～1.3Cr，1.0～1.3Mn,0.001～0.003B。美国汽车变速器齿轮和后桥主、从动齿轮有的也采用含硼渗碳钢，如50B15、43BVl4和94B17。因此，只要钢厂冶炼技术跟上去，硼钢的上述问题是能够解决的。 20CrMnTiH、20MnVBH和20MnTiBH钢齿轮锻坯在连续式等温正火炉内进行处理可以保证得到均匀分布的片状珠光体+铁素体。这样可以使齿轮的热处理畸变大大减小，使齿轮的精度提高，使用寿命延长。齿轮锻坯等温正火硬度为156～207HB。 2 铬锰钼钢和铬钼钢 22CrMnMo、20CrMnMoH和20CrMoH钢由于有着较高淬透性而用于中型汽车齿轮。此类钢可采用渗碳后直接淬火工艺。由于铬锰钼钢和铬钼钢中含有铬和钼等形成碳化物的元素，在渗碳过程中将促使轮齿表面碳含量增加，容易在渗碳层组织中出现大量碳化物，使渗碳层性能恶化。因此，齿轮采用铬锰钼钢和铬钼钢渗碳时，宜采用弱渗碳气氛，以防止形成过量碳化物。22CrMnMo和20CrMnMoH齿轮锻坯正火后在650～670℃进行高温回火处理，金相组织为细片状珠光体+少量铁素体，硬度为171～229HB。20CrMnH齿轮锻坯最好在连续式等温正火炉中处理，935～945℃加热，640～650℃先预冷后等温，可获得均匀的铁素体+珠光体组织，硬度为156～207HB。文献指出，20CrMoH钢冶炼工艺稳定，淬透性带较窄且易于控制，与20CrMnTi钢齿轮比较，具有热处理畸变小；渗层有良好、稳定的淬透性；金相组织、渗碳淬火后的表面和心部硬度，均能较好地满足技术要求；疲劳性能好，比较适合汽车中小模数齿轮。综合考虑齿轮的服役条件，既保证齿轮的疲劳寿命，又减少齿轮的热处理畸变，在用以制造变速箱齿轮时应为J9＝30～36HRC，用以制造后桥齿轮时应为J9＝37～42HRC。 3 国外先进汽车齿轮用钢的国产化 随着国外先进车型的引进，各种齿轮钢的国产化使我国的齿轮钢水平上了一个新台阶。目前，德国的Cr-Mn钢，日本的Cr-Mo系钢，和美国的SAE86钢满足了中小模数齿轮用钢。国产载货汽车齿轮有的采用美国牌号SAE8822H钢，如8t和10t桥用圆锥齿轮采用SAE8822H，该钢主要化学成分(质量分数，%)为0.19～0.25C，0.70～1.05Mn，0.15～0.35Si，0.35～0.75 Ni，0.35～0.65Cr，0.30～0.40Mo。文献认为，控制淬透性是解决齿轮畸变问题的关键。为减少畸变应选用Jominy淬透性带宽在4HRC以下的H钢。采用H钢的齿轮热处理后精度(接触区)比普通钢高70%～80%，使用寿命延长。因此，工业发达国家先后规定了渗碳合金结构钢的淬透性带。根据需要将淬透性带限制在很窄的范围(4～5HRC)。1)在德国订货时，可以要求钢材的淬透性能在给定的范围内，也可以要求缩窄淬透性能的钢材。17CrNiM06非常适合制造大模数重负荷汽车齿轮，该钢主要化学成分(质量分数，%)为0.15～0.20C，0.40～0.60Mn，1.50～1.80 Cr，0.25～0.35Mo，1.40～1.70Ni。此钢在我国已开始生产和使用。文献认为，在17CrNiM06钢齿轮渗碳过程中，在适当降低渗碳后期碳势的同时加快渗碳后的冷却速度，由空冷改为风冷，阻止大块碳化物的形成，然后在630cC进行高温回火，以析出部分合金碳化物，为的是在820℃二次加热淬火时减少残留奥氏体量，最终获得较好的金相组织。2)奥地利"Styer"重型汽车厂要求淬透性带宽为7HRC。3)日本中重型货车，如“日野”牌KB222型载重9t汽车和“日产”牌CKL20DD型载货8t汽车的变速器齿轮及后桥齿轮广泛采用Cr-Mo系钢，如SCM420H和SCM822H钢，相当于我国国产化20CrMnMoH和22CrMoH钢。此类钢具有较高的淬透性能。在一定范围内，齿轮的弯曲疲劳寿命随着淬透性的增加而提高。文献指出，长春一汽开始在生产“解放”牌9t载货汽车后桥齿轮时，采用20CrMnTiH钢，既使使用淬透性能为Ⅱ组的钢材(J9＝36～42HRC)，热处理后齿轮轮齿心部硬度也只有22～24HRC，达不到齿轮技术条件规定的要求，汽车在使用时，后桥主动和从动圆锥齿轮发生早期损坏。因此不得不选用淬透性能更高的Ct-Mo钢，其主要成分参考日本的SCM822H齿轮钢，该钢材的主要化学成分(质量分数，%)为：0.19～0.25C，0.55～0.90Mn,0.15～0.35Si，0.85～1.25Cr,0.35～0.45Mo。经与钢厂协商，生产出了国产化的新钢种22CrMoH钢，其淬透性能指标为J9＝36～42HRC，较好地满足了汽车齿轮的使用要求。但是，该钢的工艺性能较差，齿轮锻坯要经过等温退火处理后才能进行切削加工，硬度为156～207HB，金相组织为先共析铁素体+伪共析珠光体。此钢淬透性能较高，普通正火容易产生粒状贝氏体，粒状贝氏体的出现对切削加工极为不利，不仅使刀具的使用寿命大幅度下降，而且由于异常组织的出现，总是伴随着金相组织的不均匀性，最终造成齿轮热处理畸变的增大。4)近年来，美国汽车制造厂家力图降低生产成本并提高零件的可靠性和耐久性，这就需要产品的几何尺寸及力学性能的高度一致。对热处理的零件要改善产品性能的一致性，必须降低零件淬火后硬度的分散程度，这就与钢的淬透性能带的宽窄程度有直接关系。齿轮心部硬度的一致性将减少热处理的畸变，从而提高齿轮的精度，并使轮齿表层的残余压应力分布更加均匀。美国载货汽车变速器齿轮和后桥主动圆锥齿轮用钢有的采用SAE8620钢和SAFA820钢制造。美国SAE8620H、SAE8822H等牌号钢在我国也已开始生产(如宝钢集团上钢五厂等)和使用，分别用于中型载货汽车变速器齿轮和后桥圆锥齿轮。 4 国内重型汽车齿轮用钢 目前，我国齿轮钢基本满足使用和引进技术过程国产化的要求，而重型车传动齿轮及中重型车的后桥齿轮用钢，尚有待开发和生产。根据国内重型汽车的使用技术现状分析，超载使用和路况较差这两个问题较为严重，而且短期内无法克服，这就使齿轮经常承受较大的过载冲击载荷。过载冲击载荷介于疲劳和断裂应力之间，它对齿轮使用寿命有很大影响，往往造成齿轮早期失效。从这一点来说，大模数重负荷汽车齿轮应选择Cr-Ni或Cr-Ni-Mo系钢，如德国的17CrNiM06钢最好，还有国产20CrNi3H、20CrNiMoH钢。大功率发动机的问世促进了新型Cr-Ni-Mo系列齿轮钢的开发和应用。如新型齿轮用钢20CrNi2Mo、17CrNiM06。一汽集团某汽车改装公司开发了一种新型载货汽车桥，其特点是匹配发动机的功率大。为保证齿轮的使用寿命，对齿轮的材料及质量有了更高的要求，原采用22CrMoH钢制成的后桥主动圆锥齿轮在使用过程中出现早期失效，严重时甚至出现断齿现象。在热处理方面，由于齿轮材料热处理工艺有时不够稳定，部分齿轮的有效硬化层不够，齿轮心部和表面硬度偏低，这些都是导致齿轮早期失效的主要原因。而且，Cr容易形成晶间网状碳化物，有损渗层力学性能。分析发现，齿轮轮齿心部硬度低时，过渡层塑性变形会引起渗碳层产生过高应力，因而导致渗碳层形成裂纹，最后使整个轮齿断裂。为此，根据“斯太尔”汽车桥后桥主动圆锥齿轮使用20CrNi3H钢的良好行车使用效果，应确保齿轮的有效硬化层深度在1.8～2.2mm，齿轮轮齿心部硬度在38～45HRC，齿轮表面硬度在60～64HRC，碳化物在1～3级，马氏体、残留奥氏体在1～4级，这样可使齿轮的使用寿命提高30%～40%。文献指出，试验证明，当热处理后在渗碳层得到完全马氏体时，铬-镍钢比铬-锰钢和铬-钼钢有较高的疲劳性能。含镍钢随着镍量的增加，渗碳淬火后残留奥氏体增加，适当数量的残留奥氏体对接触疲劳性能的影响有现实意义，因为在齿轮工作时接触面有很高的接触应力，在接触载荷的作用下，残留奥氏体发生相变和加工硬化作用，提高了接触疲劳性能。热处理后在渗碳层中有40%～50%残留奥氏体时可以显著提高接触疲劳性能。其中，镍—铬钢优于铬—锰钢和铬-钼钢。渗层中残留奥氏体对弯曲疲劳性能和接触疲劳性能的影响是不同的，如以弯曲载荷为主，残留奥氏体的数量不要超过25%，如以接触应力为主，则残留奥氏体的数量可以高于这个数值。同时，含镍的钢渗碳后也有较好的冲击疲劳强度和弯曲疲劳强度。含镍渗碳钢的优越性是由于镍可以提高高碳马氏体的塑性。并且在镍-铬钢中含镍量增加将使渗碳层的强度和塑性显著提高，而铬钢中含铬量增加将使渗碳层的强度和塑性降低。镍对渗碳层强度和塑性的影响主要是它影响了马氏体的性能，铬对渗碳层强度和塑性的不利影响主要是因为铬增加了表层含碳量。实践证明，重型汽车后桥主动圆锥齿轮采用20CrNiMoH、20CrNi2Mo等钢制造，行车使用效果也很好。例如，最近一汽集团生产的重型汽车后桥主动齿轮广泛采用20CrNiMoH钢，在热处理金相组织控制方面，碳化物为0～1级，马氏体为0～3级，轮齿有效硬化层深为1.7～2.1mm，齿轮硬度为60-64HRC。原苏联重载汽车后桥齿轮采用Ni-Cr钢(12X2H4A)和Ni-Cr-Mo(18X2HM4A)钢制造，北京钢铁研究所等研制的20CrMnNiMo是用来代替高铬镍渗碳钢的新钢种，已开始用于实际生产。这是一种比较适合我国国情的淬透性能较高的含镍、含锰渗碳钢种。 重型汽车后桥主动圆锥齿轮采用的Cr-Ni或Cr-Ni-Mo系列渗碳钢中的Cr、Ni和Mo均有利于提高淬透性，Cr有利于提高齿轮心部淬透性，并提高抗蚀能力。Mo在925℃时对提高渗层硬化性能特别有利，Mo钢适合于渗碳后直接淬火。Ni可提高渗层的韧度，Ni和Mo综合作用对提高淬透性特别有利，Ni和Mo的匹配使钢在高碳时具有良好的淬硬层均匀性，并提高渗层韧度。因此，钢中含镍时，渗碳后齿轮的各种力学性能优越，但含Ni钢价格高，工艺性能差，锻坯要经过复杂的热处理后才能切削加工，渗碳后不能直接淬火，一般要经过二次加热淬火，以减少残留奥氏体，因此，热处理工艺复杂。 20CrNi2Mo钢是一种新型含镍的渗碳齿轮钢，合金元素含量较高，淬透性能较高，热轧成材后，组织为贝氏体，硬度约为240HB。等温退火是一种很有效的降低硬度的预备热处理方法，等温退火温度以640～660℃为佳。齿轮锻坯经等温退火处理后，可获得所要求的平衡组织，即铁素体+珠光体。20CrNiMo、18CrNiWA和20CrNi3等钢热处理工艺性很差，其齿轮锻坯正火后还要经高温回火才能进行切削加工，齿坯硬度达170～228 HB，金相组织为铁素体和铁素体基体上分布的回火索氏体。其中20CrNi3钢制成的齿轮渗碳后可在650℃左右进行高温回火，再在810-820℃进行二次加热淬火处理，以减少残留奥氏体量，使齿轮获得较好的金相组织，即颗粒状碳化物和细针状马氏体+少量残留奥氏体，轮齿心部为低碳马氏体。18Cr2Ni4Mo、20Cr2Ni4等钢的热处理工艺性很差，齿轮锻坯要在630～640℃进行等温退火处理，齿坯硬度为156～200HB，金相组织为先共析铁素体+伪共析珠光体，但带状组织的消除效果不够理想。轮齿心部韧性不足，在冲击载荷或较大过载作用下容易断裂。为此，可采用高淬透性高镍20Cr2Ni4钢。20Cr2Ni4由于含Ni较高，而且有很高的强度和韧性，渗碳后硬度及耐磨性很高，淬透性也高，可用来制造承受高负荷的渗碳件，适用于高速、重载，有冲击和外型复杂的齿轮。18Cr2Ni4Mo和20Cr2Ni4齿轮材料作为高合金渗碳钢，由于含Ni较高，为减少渗碳淬火后的残留奥氏体，可采用渗碳后高温回火，最后在800℃左右进行二次加热淬火处理，以减少残留奥氏体量。有时为了消除网状碳化物、细化晶粒，也可采用二次淬火工艺。 5 齿轮用钢的冶金质量检验标准及技术要求 5.1 化学成分 合金结构钢化学成分应符合GB／T3077-88《合金结构钢技术条件》中的有关规定，保证淬透性结构钢化学成分应符合GB/5216-85《保证淬透性结构钢条件》中的有关规定。检验标准执行GB223。 5.2 纯净度 钢材氧含量≤2.0X10-5 5.3低倍组织 一般疏松≤2级，中心疏松≤2级，偏析≤2.5级。检验标准执行GBl779-80《结构钢低倍组织缺陷评级图》。 5.4非金属夹杂物 非金属夹杂物按GB／T10561-89中Ⅸ级标准检验，A≤2，B≤2，C≤1，D≤1。氧化物<3级，硫化物<3级，氧化物+硫化物<5.5级。检验标准执行GB／T10561-89《钢中非金属夹杂物显微评定方法》。 5.5 带状组织 钢中带状组织≤3级。检验标准执行GB／T13299-91《钢的显微组织评定方法》。 5.6 晶粒度 经930℃X3h渗碳后空冷，奥氏体晶粒度≥5级。检验标准执行GB6394-86《金属平均晶粒度测定法》。 5.7末端淬透性 根据齿轮具体使用要求，按淬透性带订货，同炉钢中最大离散值为4HRC。检验标准执行GB／rF225-88《钢的末端淬透性试验方法》。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/30/2005)