合金元素对齿轮材料性能的影响

合金元素对齿轮材料
工艺性和使用性能的影响
2011年7月
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前
言
决定齿轮使用寿命齿轮的三大要素：抗弯曲疲
劳能力、抗接触疲劳能力、齿轮的啮合精度。齿轮
材料合金元素与淬透能力的构成，是决定三大要素
水平高低，最重要的先决条件。因此，揭示与分析
国内外齿轮用钢合金化体系与淬透能力的构成，十 分重要。
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一、现代化大生产齿轮制造对齿轮用钢的要求
金化的能力，降低渗碳层的淬透性；齿轮淬火后，表面非马组织超标，接触 疲劳性能变坏。为提高齿轮的接触疲劳寿命，世界各国都在不断提升渗碳炉
的设备能力，降低炉中的氧势；目前，氮甲醇高温渗碳炉，真空（低压）高
温渗碳炉的使用已相当普及，炉中氧势极低。另一方面，在齿轮钢成分设计 中，提高抗氧化的Ni 、Mo元素含量。德国为降低钢材的采购成本，将Mn-Cr
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B、渗碳后表面碳浓度分布平缓：除了渗碳炉气的碳势外，钢材的化学成
分也会影响渗碳层的面层碳含量和碳沿渗碳层的分布。钢材化学成分的设计 应使渗碳后表面到心部碳分的分布平缓过渡，淬火后渗碳层不出现增加脆性、
使零件早期破坏的大块碳化物或网状碳化物。
硅会降低渗碳层深度和表面碳含量，且在渗碳层中增加形成氧化物的倾 向；锰会增加渗碳层中残余奥氏体的数量；铬会增加面层中碳含量和残余奥 氏体的数量；钼会增加面层碳含量并减小形成氧化物的倾向。 C、适宜的淬透性能：淬透性能影响齿轮渗碳淬火后齿轮的心部硬度，而
Mo
0.15~0.30 O≤20ppm O≤20ppm 0.35~0.45 O≤20ppm 0.08~0.15 O≤20ppm 0.08~0.15 O≤20ppm
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SCM420K 0.18~0.22 0.15~0.35 0.60~0.85 -C SCR420K 0.18~0.23 0.15~0.35 0.60~0.85
钢材表面进行处理，这种材料称“热加工用钢”。特别是感应加热对
材料要求高。 （3）锻坯热处理：处理的目的是改善金相组织，消除 锻造的残余内 应力，以减少渗碳热处理时的变形，并调整硬度以改善加工性能。
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（4） 渗碳热处理：渗碳热处理工艺是决定齿轮质量、使用性能和使用寿命 的重要工序，它决定着齿轮的表面、心部硬度和金相组织、热处理后的变形 和齿轮工作时齿轮的接触情况，从而影响行驶时的噪音。 渗碳热处理工艺对材料的要求：晶粒不长大，足够的渗碳层深度；只有
层组织中出现大量碳化物，使渗碳层性能恶化。
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（4） 钢中含镍时，渗碳后各种力学性能优越，但工艺性差，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，要经过再 次加热淬火，工艺较复杂，且价格较贵，只有当载货很大的零件才选
用含镍的钢。
（5） 微量的硼可以显著增加钢的淬透性，但碳含量增加时，其作用 减弱，当面层碳含量达到共析成分时，它增加淬透性能的作用几乎消 失，且热处理后变形较大。 （6）在渗碳钢中加入钒、钛、铌和锆等元素能形成稳定的合金碳化
在渗碳时奥氏体晶粒不长大，才能得到细致的马氏体组织，获得良好的力学
性能。 A、为了得到细晶粒的渗碳钢，冶炼时必须采用脱氧或在钢中加入钒、钛、 锆、铌等细化晶粒的合金元素，形成稳定的合金碳化物，在渗碳加热时阻止 奥氏体晶粒长大，渗碳淬火后得到细致的马氏体组织，改善渗碳层和心部的 力学性能。我国比较广泛运用的是20CrMnTi，但用钛细化晶粒，容易形成带 有尖角的方形钛碳化物，降低齿轮的接触疲劳性能从而降低使用寿命。
1、齿轮钢合金元素对性能的影响
（1） 齿轮钢通常为渗碳钢：碳含量为0.17%--0.24%。较低的碳含量
能保证零件心部有良好的韧性。
（2） 合金渗碳钢：为改善其性能，常加入铬、锰、镍、硼、钼、钒、
钛等，其中铬、锰、镍、硼、钼的作用是增加钢的淬透性，保证渗碳 钢淬火后的表面和心部都得到马氏体组织，从而有良好的综合力学性 能。 （3）含铬和钼等形成碳化物元素将促使面层碳含量增加，容易在渗
系齿轮钢中Si元素限止在0.12%下，用在变速箱齿轮。驱动桥齿轮渗碳的温度
高，时间长，内氧化比较严重，仍采用Cr-Mo和Cr-Ni-Mo系齿轮钢。
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渗层马氏体针的粗细程度，是影响齿轮接触疲劳寿命的另一重要因素。渗层 马氏体针的粗细程度主要取决于齿轮钢的晶粒长大倾向。晶粒长大倾向取决 于钢中难溶化合物质点的种类和数量。美、日、德、英、法、意等国的齿轮 钢，全靠钢中的氮化铝细化晶粒。为了增加氮化铝的数量，提高细化晶粒的 效果，国外普遍将钢中的氮含量从0.007%提高到0.012～0.018％，氮含量的 提高，降低齿轮心部的塑、韧性；提高疲劳裂纹扩张速度；但是，细化晶粒 的效果并不理想，远远赶不上Ti(NC) 质点。国外重载驱动桥齿轮渗碳热处理， 多采用二次加热淬火或马鞍形淬火工艺；用再结晶的办法解决渗层晶粒粗化 问题。我国选用Mn-Cr-Ti系齿轮钢，不提高钢中的氮含量，用微量Ti(NC) 达 到细化晶粒的目的，能采用渗碳后直接淬火，简化了齿轮的渗碳热处理工艺。 国内外有不少学者认为，方块型的Ti(NC)质点作为疲劳源，降低齿轮的疲劳 寿命；但是，至今没有看到有说服力的实验数据，能证明Ti(NC)降低齿轮的 疲劳寿命，比方块型的氮化铝质点更为严重。
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——谢谢！
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SCM420K J9=28—42HRC 43HRC SCR420K J9=29—42HRC SCM822H J9=39—
三、各国合金化体系的选用
美国主要是Cr-Ni-Mo系；日本主要是Cr-Mo和Cr-Ni-Mo系，其中Cr-Mo
比例更大一些；欧洲国家中：德、意、奥三国的变速箱齿轮用钢主要是
Mn-Cr系，ZF公司的ZF6、ZF7、ZF7B实际上也是Mn-Cr系，其中的B元素是 用于降低钢中的N，提高钢的韧性，对提高淬透性不起作用；法国变速箱
≤0.030 0.015~0.03 ≤0.030 0.015~0.03 ≤0.030 0.015~0.03 ≤0.030 0.015~0.03 ≤0.030 0.015~0.03 ≤0.030 0.015~0.03
变速 3 箱齿 SCM822H 0.19~0.25 0.15~0.35 0.55~0.90 轮及 4 轴材 SCM322H 0.19~0.25 0.15~0.35 0.65~1.00 料 5 6 SCM318H 0.15~0.21 0.15~0.35 0.65~1.00 S53C 0.50~0.56 0.15~0.35 0.60~0.90
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序 号
分 材料牌 类 号
化 C Si Mn P
学
成 S
分 （%） 备注 Cu
≤0.20 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.20 ≤0.20
Cr
0.90~1.20 0.90~1.20 0.85~1.25 0.85~1.25 0.85~1.25 0.07~0.20
Ni
≤0.25 ≤0.25 ≤0.25 ≤0.25 ≤0.25 ≤0.20
心部硬度影响整个渗碳齿轮的性能，钢的淬透性低，热处理后心部硬度低，
会使齿轮的疲劳寿命显著降低。钢材的淬透性对齿轮渗碳淬火后的变形也有
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很大的影响。为此，国内、外对齿轮钢都有淬透性要求，一般对断面尺寸 较小的变速器，淬透性指标为J9=30—36HRC；用于制造断面尺寸较大的后
桥齿轮，淬透性指标为J9=36—42HRC。我司变速器的淬透性指标：
（4）齿轮热处理后渗层的碳化物弥散分布
或没有碳化物析出
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3．保证齿轮的加工精度
(1） 齿轮的热处理变形波动幅度小：变形对钢的成分波动和齿轮热
处理冷速的波动敏感度不高。
(2） 齿轮热处理变形量小 4．保证齿轮有良好的切削性能 5．齿轮渗碳后，能采用直接淬火工艺 6．保证齿轮钢材具有价格竞争优势
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二、齿轮材料的工艺性能
1、保证齿轮有高的抗弯曲疲劳性能 （1） 足够的抗弯强度：齿轮用钢合金化体系的构成应当与各种齿轮 心部的冷却速度相匹配；保证各种齿轮都能有理想的心部硬度。 （2） 低的氧含量（脆性夹杂物）：疲劳裂纹源数量少。 （3） 齿轮心部的塑韧性高，缺口敏感性低：疲劳裂纹扩张速度慢。
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2．保证齿轮有高的接触疲劳性能 （1）齿轮热处理后渗层的非马组织不高 （2）齿轮用钢合金化体系的构成应当与各种齿轮渗层的冷却速度相 匹配；保证各种齿轮热处理后渗层的残余奥氏体含量适中 （3）齿轮热处理后渗层的马氏体组织不粗
用钢是Cr-Mo系，中国主要是Mn-Cr-Ti系。
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为什么Ni 、Mo元素在齿轮钢的合金化体系中占有如此重要的位置？ Ni 、Mo合金元素具有很强的抗氧化能力，Cr元素次之，Mn元素抗氧化能 力弱，Si元素最弱。如果渗碳炉中氧势比较高，在高温渗碳的过程中，氧原
子通过晶界扩散到齿轮的表面，将使易氧化的合金元素变成氧化物，丧失合
物，在渗碳加热时可防止奥氏体晶粒长大，渗碳后可直接淬火，淬火
后得到细马氏体组织，改善心部渗碳层和心部的性能。
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2、齿轮钢的加工工艺对性能的影响 （1） 齿轮钢主要用来制造传动齿轮，生产工艺：热轧材料 锻造 锻坯热处理 切削加工 成品 渗碳热处理 喷丸
磨内孔、外圆
质量检测
（2） 锻造：因其所含合金元素总量不高，故其成分对锻造工艺没多 大影响。若钢材表面存在裂纹，锻造时零件表面易产生裂纹，因此对