国产汽车用齿轮钢的研究应用与展望

国产汽车用齿轮钢的研究应用与展望

2010-04-15 12:59:20 来源:TNC Steel Database

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。

1.1 质量特性

(1) 化学成分要求严格。特别是对Ti、Si、Al、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。

1.2 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

2.1 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20CrMnTiH合金渗碳结构钢为主。20CrMnTi钢是20世纪50年代从原苏联引进的汽车用齿轮钢18XTT( 即20CrMnTi钢),用于中型载荷的汽车齿轮。该钢号由于Ti含量较高,容易产生大块不易变形的TiN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TiN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Ti齿轮钢。但由于该钢种含有中国富有的合金元素Cr和Mn,价格低廉,在冶炼时控制好Ti的含量和TiN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,因此,20CrMnTi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,20CrMnTi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Cr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20MnVB、20Mn2TiB等钢种来代替20CrMnTi制造汽车渗碳齿轮。一汽和二汽集团公司等曾使用20MnTiB、20Mn2TiB和20MnVB钢, 在十几年制造了几百万个齿轮用于“解放牌”和“东风牌”5 t 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。

2.2 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

2.2.1 Cr 钢

代表钢种为SCr420H (20CrH)和37CrS4。前者是一种比20CrH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0.025%～0.040%的中碳含Cr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。

2.2. 2 Cr-Mo 钢

主要有仿日本JIS 标准的钢号,钢种为SCM420H、SCM 822H。由于Mo的作用,在淬火加工时部分Mo 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Mo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≤2.5级,B, C,D各≤2级；成材率≥95%。SCM420H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。

2.2.3 Cr-Ni-Mo 钢

代表钢种为SAE8620H、SAE8720H、SA E4320H、21N iCrMo5H及20CrN i2MoAH等,其Cr、Ni、Mo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IVECO轻型车和桑塔纳轿车的后轿齿轮五档变速箱齿轮等。

2.2.4 Mn-Cr 钢

钢种为16MnCr5、20MnCr5、25MnCr5和28MnCr,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、IVECO 及大马力船用齿轮箱等。

2.2.5 Mn-Cr-B 钢

代表钢种为ZF6(16CrMnBH )、ZF7(20CrMnBH),用硼来处理的这种Mn-Cr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。

2.2.6 Cr-N i-M n 钢