齿轮钢

特殊钢冶金工艺学课程作业
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齿轮钢定义：
齿轮钢是对可用于加工制造齿轮的钢材的统称。

从处理工艺上可分为调质钢、淬火钢、渗碳渗氮钢（17CrNiMo， 20CrNiMoAl）。

从成分上分为低碳钢，如20#钢，低碳合金钢，如：20Cr、20CrMnTi等，中碳钢：35#钢、45#钢等，中碳合金钢：40Cr、42CrMo、35CrMo等。

性能要求：
齿轮一般都使用润滑剂保护，而液态的润滑剂对齿轮有腐蚀作用，而且齿轮工作时会受到循环弯应力的作用，故齿轮一般失效形式有齿面磨损、齿面胶合、疲劳点蚀、轮齿折断、齿面塑性变形。

因此，齿轮制造对齿轮钢的使用性能要求有：具备良好的强度、硬度、和韧性，或者是表面耐磨而心部有良好的韧性耐冲击。

齿轮制造对齿轮钢的加工性能要求主要有:
(1)足够的心部淬透性和良好的深层淬透性, 确保齿轮渗碳淬火时渗层和心部不出现过冷奥氏体分解产物;
(2)齿轮渗碳淬火后变形小, 免去或减少磨削加工, 降低运行噪音;
(3)良好的成形性;
(4)良好的可热处理性。

具备以上优良性能的齿轮钢要求具有淬透性带窄、洁净度高、晶粒细小均匀和较高的抗弯曲冲击力的特点。

窄淬透性带的齿轮钢热处理后变形量小, 齿轮修磨量小、咬合精度高, 淬透性带宽度愈窄, 离散度愈小, 愈有利于齿轮的加工及提高其咬合精度。

钢中氧含量是影响疲劳寿命的一个重要因素, 据资料介绍, 当氧含量从25 ppm降到11 ppm时, 其接触疲劳强度可提高4倍。

国内特钢企业采取控制终点C、造精炼渣、VD脱气、吹氩软搅拌等生产工艺, 可保证齿轮钢的氧含量≤ 20ppm 。

奥氏体晶粒过于粗大, 会增加钢的变形开裂倾向, 并降低韧性。

细小均匀的奥氏体晶粒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。

国内特钢企业通过控制钢中残余Al、Ti、B等细化晶粒的元素含量, 并且控制成分均匀, 可保证奥氏体晶粒度细小并无混晶现象, 齿轮钢的奥氏体晶粒度均控制在7级～ 8级。

若钢材的组织均匀性差, 存在较严重的带状组织, 则会导致齿轮在渗碳或碳氮共渗热处理后组织不理想, 硬度不均。

易切削钢主要是Mn- Cr 系列齿轮钢,为了保证切削加工性能, 标准要求S 的质量分数控制在0.020%～0.035% ,硫是易挥发元素, 在冶炼过程中很难控制。

在真空精炼后, 根据钢中S含量, 采用钢包喂线方法, 向钢包中喂入硫磺粉线。

通过对喂线速度、喂线量及炉渣碱度的控制, 使钢中S控制在所要求的范围内。

齿轮钢成分分析：
齿轮钢品种繁多,世界各国都根据使用性能要求和本国的资源条件, 建立各自的齿轮用钢系列，不同系列的齿轮钢成分也不尽相同。

如德国采用Mn- Cr系列钢( 16MnCr5、20MnCr 5、25Mn Cr 5、27MnCr 5) ; 日本应用Cr 系钢( SCr 415H、SCr 420H) 和Cr- Mo系钢( SCM 415H、SCM420H) ; 美国采用Cr- Ni- Mo 系钢( SAE8615、8620) ;法国采用Cr- Ni系钢( 19CN5) 和Cr- Mo 系钢( 20CD4、27CD4、30CD4);我国多年来大量使用的是20CrMnTi齿轮钢,品种单一, 改革开放后汽车工业从不同国家引进了多条生产线, 相应地引进了许多齿轮钢号, 逐步开发使用Cr系、Mn-Cr系、Cr- Mo系、Cr- Ni- Mo、Cr- Mn- B系齿轮钢。

齿轮钢中主要元素有C、Mn、Cr、Ni、Mo，它们在齿轮钢中的作用如下。

C：形成钢材强度的主要元素，随着含碳量的增加，钢材强度提高，但同时钢材的塑性、韧性、冷弯性能及抗锈能力下降，制作加工困难。

Si：一方面可以作为脱氧剂，另一方面，溶于奥氏体中提高齿轮钢的硬度和强度。

Mn：可以起到细化晶粒的作用，可以在钢材塑性和冲击韧性略为降低的情况下，较为显著地提高钢材强度。

但是，Mn含量过高，冷裂纹形成倾向将成为主要问题。

Cr：改善钢材的强度、淬硬性、耐磨性和抗大气腐蚀的性能。

Ni：可以提高钢材的强度、淬硬性、冲击韧性及抗腐蚀能力。

Mo：可以增加钢材的屈服强度、淬硬性、耐磨性和抗腐蚀性能，但会降低钢材的冲击韧性，增加钢材的冷脆倾向。

其突出优点是在低合金钢中含有少量的Mo能有较高的蠕变强度，适合于在高温下工作的结构。

齿轮钢的加工工艺：
齿轮的生产和加工工艺, 除了一般的淬火、回火热处理外, 还采用渗碳淬火、氮化处理、高频淬火等多种表面硬化处理。

我国目前绝大多数企业的加工工艺是采用渗碳淬火工艺, 典型流程为:原材料入厂→检验→下料→模锻→正火→抛丸→检查锻件→粗车去黑皮→超声波探伤→粗车→预处理(调质或正火) →半精车→滚齿→齿端倒角→渗碳淬火→低温回火→精切削→磁力探伤→终检→涂油→入库(或包装)。

国内特钢企业生产齿轮钢的工艺流程
生产过程中执行的标准：
末端淬透性：国内采取两点控制, J9 一般为6～8HRC（洛氏硬度）, J15一般为6～10HRC。

国外对齿轮钢淬透带宽的控制一般是全带控制在4～7HRC。

纯洁度：我国目前对齿轮钢的[O] 要求是小于20×10-6 , 外国一般要求小于15×10-6。

非金属夹杂物按JK 系标准评级图评级, 一般要求级别A≤2.5 、B≤2.5 、C≤2.0、D≤2.5。

晶粒度：细小均匀的奥氏体晶粒可以稳定末端淬透性, 减少热处理变形, 提高渗碳钢的脆断抗力。

目前我国齿轮钢的奥氏体晶粒度级别一般要求小于或等于5 级。

微量元素：为保证齿轮钢的加工性能, 目前国内外对齿轮钢的微量元素都有一定的要求, 例如:为保证钢的晶粒度要求Al 0.020%～0.040%;为提高切削性要求S 0.025%～0.040%。

表面质量：齿轮钢都是热顶锻用钢, 对钢材的表面质量要求很严, 严格遵循GB T3077 -1999 , 或新近由中国齿轮专业协会制定的《车辆用齿轮钢技术条件》规定标准执行。

齿轮钢的应用：
齿轮钢是对可用于加工制造齿轮的钢材的统称。

主要用于汽车、铁路、船舶、工程机械中，是特殊合金钢中要求较高的关键材料之一，是保证安全的核心部件的制造材料。

我国齿轮材料按齿轮的应用分为车辆齿轮用钢和工业齿轮用钢两大类, 前者约占80%。

车辆齿轮主要是为汽车、摩托车、农用运输车、农机、工程机械配套的齿轮, 以汽车齿轮为主。

车辆齿轮中:汽车齿轮占60%、摩托车3.5%、农用运输车15%、农机12%、工程机械9.5%。

使用主要钢种有:20CrMnTi(H)、20CrMoH、16～28-MnCr5、8620H、ZF6、ZF7等。

工业齿轮是为工业企业用各种成套机械装备配套的齿轮装置(如减速机),
约占齿轮总量的20 %。

主要钢种有:45、35 ～ 42CrMo、GCr15、20Cr-MnTi(H)、40CrNiMoA、8620H、19CrNi5 等, 20CrMnTi(H)使用量较小, 约占工业齿轮量的10%。

应用举例：
1）42CrMo齿轮钢具有强度高、淬透性高、韧性好、淬火时变形小、高温时有高的蠕变强度和持久强度等特点。

用于制造要求较35CrMo钢强度更高和调质截面更大的锻件，如：机车牵引用的大齿轮、增压器传动齿轮、压力容器齿轮、后轴、受载荷极大的连杆及弹簧夹；也可用于2000m以下石油深井钻杆接头与打捞工具；并且可以用于折弯机的模具等。

2）20CrMnTiH是性能良好的渗碳钢，淬透性较高、经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部具有较高的低温冲击韧性、焊接性中等、正火后可切削性良好。

用于制造截面<30mm的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件；如：齿轮、齿圈、齿轮轴十字头等。

是18CrMnTi的代用钢，广泛用作渗碳零件，在汽车.拖拉机工业用于截面在30mm以下；承受高速.中或重负荷以及受冲击.摩擦的重要渗碳零件；如齿轮.轴.齿圈.齿轮轴.滑动轴承的主轴.十字头.爪形离合器.蜗杆等。

齿轮钢生产过程中质量控制措施：
带状组织是钢的组织缺陷。

对齿轮钢而言，严重的带状组织将影响渗碳的均匀性，增加淬火变形程度，使渗碳齿轮尺寸精度差。

因此，齿轮钢的带状组织要求不大于3级。

为了减轻或消除齿轮钢的带状组织，在冶炼、轧制过程中应采取适当的技术措施。

在冶炼过程中，要尽量降低钢中有害元素、气体及夹杂物的含量；在浇注过程中，要采用低的浇注温度、提高冷却速度和采用电磁搅拌；在轧制过程中，采用高刚度大变形工艺和增大轧（锻）制比，同时应提高终轧温度。

齿轮钢的质量控制措施：
（1）建立严格的质量保证体系，制定企业内部控制标准；
（2）运用数理统计和计算机控制技术，确定最佳化学成分，实现窄淬透性带控制；
（3）应用喂线技术，准确控制易氧化元素含量；
（4）采用炉外精炼脱氧、去除非金属夹杂物；
（5）加铌细化晶粒。

齿轮钢的发展趋势：
近几年，齿轮钢的技术发展方向应是: ①降低渗碳层表面氧化倾向大的合金元素含量, 添加氧化倾向小的合金元素;②控制齿轮钢中的残余奥氏体量;
③减少晶界偏析元素的含量;④开发和应用喷丸表面强化技术,增加表面的残余应力;⑤研究和开发的新型齿轮钢必须满足高强度、经济性、生产性等多种因素;
⑥由于制造齿轮时需进行大量的切削加工, 所以应开发易切削齿轮钢。

概括起来, 高技术含量和高附加值的齿轮钢成为特钢企业优先开发和生产的品种，齿轮钢正朝着高性能、长寿命、齿轮运行平稳、低噪音、安全性、低成本、易加工、多品种等方向发展。