（钢铁冶金专业论文）齿轮钢淬透性预报及质量控制研究.pdf

、 ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y 2 s t u d y o i lh a r d e n a b i l i t yp r e d i c t i o no fg e a rs t e e l 一 锄d q u a l i t yc 0 m r o l b y g u o y i y o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i a n g z h o u h u a p r e l e e t o rg o n gw e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 l 、2 东北大学硕士学位论文独创性声明、学位论文版权使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = 巴 思。 学位论文作者签名：勃艺勇 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 。 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： ，- i y -唐f_i皤 东北大学硕士学位论文 摘要 齿轮钢淬透性预报及质量控制研究 摘要 本钢根据本公司的实际情况和发展规划，建成“转炉一精炼一大矩形坯连铸一连轧” 的大矩形坯特殊钢生产线，产品定位以高档为主，齿轮钢便是其中之一。文中综述了国 内外齿轮钢的钢种、牌号、发展概括和冶金质量要求。指出淬透性带较宽和离散度较大 是齿轮钢发展存在的主要问题。而淬透性是衡量齿轮钢档次高低的重要因素，本文比较 了各种计算淬透性方法的优劣性，采用非线性回归方程计算方法，以本钢大矩形坯生产 线试制的2 0 c r m n t i h 齿轮钢淬透性数据对计算淬透性的数学模型进行了修正。非线性 回归方法考虑变量之间的非线性关系，确定端淬曲线和淬透性带基本形态的关键指标半 马距e b ，从水冷端j o 和e b 这两个中间变量与化学成分的非线性关系，过渡到端淬硬度 j e 与端淬距离e 的非线性关系，建立了非线性回归数学模型，预测精度更高，更接近于 实测值。然后用v b 6 0 编程制作了齿轮钢淬透性的预报软件，实现根据成分和预设的晶 粒度级别预报任意端淬距离的淬透性值，精度比采用未经修正的非线性回归方法和多元 线性回归方法的要高，而与采用人工神经网络方法的相当，可为钢种设计、钢材选用和 替代及冶金控制等提供技术依据，也为将来应用于在线检测提供了可能。同时，以此数 学模型为基础，导出化学成分与淬透性和晶粒度之间的方程式，借助v b 6 0 编程制作了 成分预报软件，有经验模型和非线性回归模型可供选择，真正起到冶炼辅助设计作用。 文中还分析了影响淬透性的因素和淬透性预报模型产生误差的原因，并提出控制齿 轮钢窄淬透性带的措施，丰要体现在化学成分精度和化学成分均匀性两方面。对于化学 成分精度控制，先根据不同合金元素对淬透性的影响来确定化学成分内控标准，再通过 转炉终点合金化并结合l f 成分微调来实现；对于化学成分均匀性控制，主要是控制铸 坯偏析，通过控制钢液过热度、采用合适的电磁搅拌工艺、严格控制拉坯速度、制定合 理的二冷制度和采用凝固末端动态轻压下技术来实现。 此外，本文综合分析了齿轮钢的实物水平，找出影响齿轮钢质量问题的关键所在一 一白点，并对白点的形成、预防和消除进行了研究，改进了齿轮钢的生产工艺，提高了 质量，为企业赢得了效益。 关键词：齿轮钢；淬透性；非线性回归方程；数学模型；白点 i i “ 、。啄 东北大学硕士学位论文 a b s t t a c t s t u d yo nh a r d e n a b i l i t yp r e d i c t i o no fg e a r s t e e la n d q u a l i t yc o n t r o l a b s t r a c t b e n x is t e e lh a sb u i l tu pt h el a r g er e c t a n g u l a rb i l l e tp r o d u c t i o nl i n ef o rs p e c i a ls t e e lb y “c o n v e r t e r r e f l i n i n g c o n t i n u o u sc a s t i n g - - * c o n t i n u o u sr o l l i n g ”p r o c e s s ，a c c o r d i n gt oi t s a c t u a ls i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tp l a n i t sp r o d u c t so r i e n t a t eh i g h g r a d e ：，i n c l u d i n gg e a rs t e e l t h i s p a p e rs u m m a r i z e sv a r i o u sg e a r s t e e l sa r o u n dw o r l d ，t h e i r d e v e l o p m e n ts t a t ea n d s t e e l m a k i n gq u a l i t i e so fg e a rs t e e l i tp o i n t so u th a r d e n a b i l i t yb a n da n dd i s p e r s i o ni st o o b r o a d ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tm e a s u r e m e n to f t h eg r a d eo f g e a rs t e e l t h i sp a p e rc o m p a r e st h e s u p e r i o r i t y i n f e r i o r i t yi nv a r i o u sc a l c u l a t i o n so fh a r d e n a b i l i t y , u s e st h eh a r d e n a b i l i t yd a t ao f 2 0 c r m n t i hg e a rs t e e lp r o d u c e db yt h el a r g er e c t a n g u l a rb i l l e tp r o d u c t i o nl i n et om o d i f yt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fc a l c u l a t i n gh a r d e n a b i l i t yw i t ht h em e t h o do fn o n l i n e a rr e g r e s s i o n e q u a t i o n i nc o n s i d e r i n gt h er e l a t i o n s h i po fv a r i a b l e s ，t h em e t h o dd e t e r m i n e st h ek e yi n d e xo f e n dq u e n c h i n gc u r v es h a p ei sh a l fm a r t e n s i t e ( e s ) ，t r a n s i t st ot h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i po fe n d q u e n c h i n gh a r d n e s sa n dj o m i n yd i s t a n c ef r o mt h en o n li n e a rr e l a t i o n s h i po fq u e n c h i n ge n d d i s t a n c e ( j 0 ) ，e s a n dc h e m i c a l c o m p o s i t i o n ，a n d e s t a b l i s h e st h en o n l i n e a rr e g r e s s i o n m a t h e m a t i c a lm o d e l t h em e t h o dh a sh i g hp r e d i c t i o np r e c i s i o na n di t sr e s u l ti sc l o s e rt ot h e m e a s u r e dv a l u e p r o g r a m m e db yv b 6 0 ，t h eh a r d e n a b i l i t yp r e d i c t i o ns o f t w a r ec a nc a l c u l a t e r a n d o mj o m i n yd i s t a n c eh a r d n e s sa c c o r d i n gt oc h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dg r a i ns i z e t h e f o r e c a s ta c c u r a c yi sb e t t e rt h a nt h a to fu n m o d i f i e dn o n l i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o na n dm u l t i p l e l i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o n ，b u te q u a lt ot h a to fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k t h eh a r d e n a b i l i t y p r e d i c t i o n s o f t w a r en o to n l yp r o v i d e st h eb a s i sf o rd e s i g na n ds e l e c t i o no fs t e e la n d m e t a l l u r g i c a lc o n t r o l s ，b u ta l s ol a y s af o u n d a t i o nf o ro n - l i n ed e t e c t i o n m e a n w h i l e ，t h e e q u a t i o no f c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dh a r d e n a b i l i t ya n dg r a i ns i z ei sd e d u c e do nt h eb a s eo f t h em a t h e m a t i c a lm o d e l t h ec o m p o s i t i o np r e d i c t i o ns o f t w a r e ，w h i c hh a se m p i r i c a lm o d e l a n dn o n l i n e a rm o d e l ，i se s t a b l i s h e df o rt h ep u r p o s eo fa s s i s t a n tt or e f i n i n g t h ei n f l u e n t i a lf a c t o r so fh a r d e n a b i l i t ya n de r r o rr e a s o no fp r e d i c t i o nm o d e la r ea n a l y z e d i n t h i s p a p e r m e a s u r e sa r ep u t f o r w a r dt oc o n t r o lt h en a r r o wb a n do fh a r d e n a b i l i t y , s u g g e s t i n gt h a tt h ep r e c i s ea n dh o m o g e n i z a t i o no fc h e m i c a lc o m p o s i t i o n b ep a i dm o r e a t t e n t i o nt o f o rt h ea c c u r a t ec h e m i c a lc o m p o s i t i o nc o n t r o l ，f i r s t l yb a s e do nt h ei n f l u e n c e so f d i f f e r e n ta l l o y i n ge l e m e n t st oh a r d e n a b i l i t y , t h ec h e m i c a lt a r g e th a sb e e nd e c i d e d ，a n dt h e n i i i f-l再f 东北大学硕士学位论文 a b s tr a c t a d j u s t e db ya l l o y i n ga tc o n v e r t e ra n da tl fr e f i n i n gs l i g h t l y ；f o rt h eh o m o g e n i z a t i o no ft h e c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，i ti s m a i n l yt o c o n t r o lb i l l e t s e g r e g a t i o n ，m e l ts u p e r h e a t ，p r o p e r e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n g ，t a p p i n gv e l o c i t y , r e a s o n a b l es e c o n d a r yc o o l i n ga n ds o f tr e d u c t i o na t f i n a ls t a g eo fs o l i d i f i c a t i o n i na d d i t i o n ，t h ea c t u a lp r o d u c tl e v e lo fg e a rs t e e li sd e s c r i b e di nt h i sa r t i c l e ar e s e a r c ho f t h ef o r m a t i o n ，p r e v e n t i o na n de l i m i n a t i o no ft h em a i nq u a l i t yp r o b l e mf l a k ei sm a d e t h e nt h e p r o d u c t i o np r o c e s so fg e a rs t e e li sm o d i f i e dt oi m p r o v et h eq u a l i t y , a n dt ow i nb e n e f i t sf o rt h e e n t e r p r i s e k e yw o r d s ：g e a rs t e e l ；h a r d e n a b i l i t y ；n o n l i n e a rr e g r e s s i o ne q u a t i o n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ； f l a k e i v ，1 1 ； i d0 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 学位论文版权使用授权书i 摘要i i a bs tra c t i l l 目录v 第1 章绪论l 1 1 课题的背景l 1 2 齿轮钢概况“1 1 2 1 齿轮钢的钢种和牌号l 1 2 2 齿轮钢国内外生产工艺概况2 1 2 3 齿轮钢质量要求4 1 2 4 齿轮钢发展存在的问题7 1 2 5 新型齿轮钢的发展方向8 1 3 研究现状8 1 4 研究目的和意义9 第2 章淬透性预报模型的建立1 0 2 1 淬透性的概念及意义”lo 2 2 淬透性的测定l o 2 3 淬透性的计算预测1 2 2 4 数学模型的建立1 4 2 5 淬透性预报平台的建立1 6 2 5 1 界面组成及功能1 6 2 5 2 参数的选择1 7 2 6 计算模型的修正与误差分析2 2 2 6 1 计算模型的修正“2 2 2 6 2 产生误差的原因2 5 2 7 成分预报平台的建立2 7 2 7 1 成分预报软件界面2 7 2 7 2 功能“2 7 2 8 预报模型的意义2 9 v 东北大学硕士学位论文 目录 第3 章淬透性的研究及控制3 0 3 1 影响淬透性的因素3 0 3 1 1 化学成分对淬透性的影响3 0 3 1 2 奥氏体晶粒大小对淬透性的影响3 4 3 1 3 奥氏体化温度及时问对淬透性的影响一3 5 3 2 淬透性带的控制3 5 3 2 1 化学成分的控制3 5 3 2 2 成分均匀性的控制3 8 3 3 结果4 0 第4 章齿轮钢质量的提高4 2 4 12 0 c r m n t i h 齿轮钢技术要求4 2 4 22 0 c r m n t i h 齿轮钢实物水平4 3 4 3 白点缺陷的研究4 7 4 3 1 白点的形成4 7 4 3 2 白点的预防与消除4 8 第5 章结论4 9 参考文献5 0 致谢5 2 作者简介5 3 论文包含图、表、公式及文献5 4 v i 一 舞 i 0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景 本钢根据本公司的实际情况和发展规划，在多年普特结合生产实践的基础上，充分 利用本溪纯净的矿产资源优势，发挥本钢普特兼有的大型企业优势，在2 0 0 6 年底建成 3 5 0 4 7 0 m m 的大矩形坯特钢连铸机，主体设备从国外引进，生产的连铸坯供给特钢厂， 由8 0 0 6 5 0 m m 连轧机组生产较大规格的 2 0 2 0 0 m m 的棒线材。主要品种有齿轮钢、 轴承钢、汽车曲轴钢、弹簧钢、军工钢、石油钻铤等高质量钢种，产品定位以高档为主。 这些产品不仅要求有高的内在质量及表面质量，而且对这些高档特殊钢还要求含有较多 合金元素，且数量大，成分波动范围窄。近年来，随着新一代钢铁材料、超级钢、超细 晶粒钢等项目的研制和开发，进一步推动钢铁材料向着更高性能的方向发展。目前，这 些高档特殊钢品种的发展趋势是更高性能、更低成本、更易加工、更长寿命，同时为满 足不同的使用条件和性能要求，开发更多品种也是该方面技术发展的一个关键。为达到 上述发展要求，就必须有先进的生产工艺技术和强大的开发技术力量作保证。 目前采用转炉一连铸工艺生产优质特钢成为一种发展趋势，与电炉炼钢相比，具有 原料纯净( 铁水冶炼，钢中杂质元素和残留元素含量低且稳定) 、终点温度和成分的命 中度高、生产周期短等优势，既提高了产品质量，同时又降低了生产成本。本钢采用“转 炉一精炼一大矩形坯连铸一连轧”流程生产2 0 c r m n t i h 齿轮钢的优势主要表现在以下 几外方面：一是铁水冶炼，钢中杂质元素和残留元素含量低且稳定，钢材清洁；二是冶 炼成本低，生产率高；三是通过l f 精炼和大矩形坯连铸，可将化学成分控制在较窄的 范围，元素偏析小，钢质纯净：四是大矩形坯连铸、大型轧机轧制，压缩比大，可生产 的规格范围宽，因此参与竞争有明显优势。 本文的研究是基于此流程下生产的齿轮钢，对其淬透性预报模型和窄淬透性带进行 研究，并优化冶炼齿轮钢的冶炼工艺，提高产品质量，降低成本，拓展生存空间，以提 高其在市场中的竞争能力。 1 2 齿轮钢概况 1 2 1 齿轮钢的钢种和牌号 齿轮是重要的传递动力的构件，不同工况、不同部位的齿轮其受力情况不同，失效 模式也不同，并且受齿轮材料、加工工艺、润滑情况、摩擦力以及齿轮几何参量和载荷 模式等诸多因素的影响；其主要失效模式有：齿根断裂；齿面凹陷引起的齿面轮廓近化 变形；疲劳剥落；磨损( 分粘附磨损和磨粒磨损) 等。根据上述的主要的失效模式，对 齿轮钢的性能要求为：高的压溃抗力和抗点蚀剥落能力；良好的耐冲击能力和弯冲能力； 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 合适的淬透性和硬化层深度及心部硬度；良好的工艺性能及切削加工性；以及变形和尺 寸稳定性。各国齿轮用钢系列各不相同，日本多用c r 2 m o 系列，如s c m 4 2 0 ，s c m 8 2 2 等，美国用c r 2 n i 2 m o 系列和c r 2 n i 系列，法国用n i 2 m o 系列，德国和奥地利则多用 m n 2 c r 系列。表1 1 为我国的主要齿轮钢品种i 1 1 。 表1 1 国内现有汽车用渗碳齿轮钢种类及应用 t a b l e1 1s p e c i e sa n da p p l i c a t i o n so fc a s e h a r d e n e dg e a rs t e e li nd o m e s t i cm a r k e t 我国的汽车齿轮钢经过了引进和国产化的过程，经过近二十年的实践，国家标准 g b 5 2 1 6 8 5 经过修订，以g b t 5 2 1 6 2 0 0 4 版本颁布实施。该标准做了两项重大修改，一 是将日本、德国和美国钢号转化为中国钢号纳入标准中，由原来的1 5 个钢号增删为2 4 个钢号。二是在原最大淬透性带宽1 2 h r c 的基础上，划分为h 带( 最大带宽) ，h h 带 ( 最大带宽的上三分之二) ，h l 带( 最大带宽的下三分之- - ) ，需方可以根据需要选择 淬透性带宽，这是修订版g b t 5 2 1 6 2 0 0 4 标准的最大进步，向窄淬透性带供货迈进了一 步。目前国内外应用的主要齿轮钢【2 】钢号见表1 2 。 1 2 2 齿轮钢国内外生产工艺概况 工业发达国家的齿轮钢生产工艺基本上是两种类型：一是以日本为代表的双精炼、 连铸工艺路线，用此工艺路线生产的低碳钢的氧含量可在1 2 x 1 0 4 以下；二是西欧、美 国和日本部分钢厂采用的单精炼、连铸工艺，采用此工艺路线生产的低碳钢氧含量可在 2 0 x10 - 4 以下。 2 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 2 国内外齿轮钢牌号对照 t a b l e1 2c o n t r a s to fg e a rs t e e l so v e r s e a sa n dd o m e s t i c 齿轮钢系列 中国国外 g b 广r 5 2l6 2 0 0 4 2 l c r h 2 0 c r m o h 2 2 c r m o h 2 0 c i n i 3 h 钢号 s c r 4 2 0 h s c m 4 2 0 h s c m 8 2 2 h 国家 日本j i sg 4 0 5 2 1 9 7 9 日本j i sg 4 0 5 2 1 9 7 9 c r c 卜m o c r - n i c 卜n i m o 2 0 c r n i m o h c r - m n t i 2 0 c r m n t i h 1 6 c r m n h m n c r 2 0 c r m n h z f l s a e 8 6 2 0 h z f l a 1 8 c r m n t 1 6 m n c r 5 2 0 m n c r 5 2 5 m n c r 5 2 8 m n c r 5 德国z f 公司 美国s a ej 1 2 6 8 1 9 9 5 德国z f 公司 前苏联f o c t4 5 4 3 1 9 7 1 德国大众公司 c r m n - b 1 5 c r m n b h z f 6 德国z f 公司 1 7 c r m n b hz f 7 一。 表1 3 齿轮钢的1 二艺流程 t a b l e1 3t h ep r o c e d u r eo fg e a rs t e e l 钢厂 工艺流程主要品种 太钢5 0 t e b t - l f v d - 模注 2 0 c r m n t i h 、c r - m o 系、c r - n i m o 系 兴澄 抚钢 西宁 北满 长城 首钢 本特 1 0 0 t u h p - l f - v d - 连铮旌轧2 叱咖、c 系r - m 、盎n m 藤n - c r 系、洲卜m 0 5 0 t e b t - l f v d 一模注 6 0 t u h p l f 连铸连轧 6 0 t e b t - l f v d 模注 3 0 t e b t - l f v d 模注 3 0 t e b t - l f v d - 模注 8 0 t 转炉- l f 连铸 3 0 t e b t - l f v d 一模注 2 0 c r m n t i h 、c r - m o 系、m n - c r 系、c r - n i m o 系 2 0 c r m n t i h 、c r 系、c r - m o 系 2 0 c r m n t i h 、c r - m o 系 2 0 c r m n t i h 、c r - m o 系、z f 钢 2 0 c f m n t i h 、c r - m o 系、c r 系 2 0 c r m n t i h 上五1 0 0 t u h p 6 0 t l f - v d 连铸连轧 2 0 c r m n t i h 、c r - m o 系、z f 、m n c r 系 大冶5 0 t u h p 一6 0 t l f - v d 一连铸连轧 2 0 c r m n t i h 、c r - m o 系、z f 、m n c r 系 莱特5 0 t e b t - 6 0 t l f v d 一连铸 2 0 c r m n t i h 、c r - m o 系 - 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 长期以来电弧炉是冶炼齿轮钢的丰要设备，2 0 世纪末，随着炉了的大型化和超高功 率( u h p ) 操作、富氧喷碳粉技术的采用以及以l f 为代表的钢包精炼炉的导入，推进 了电炉冶炼功能的分工及其技术开发，钢水质量及电炉牛产率获得了很大的提高，操作 工艺技术也得到了极大的改善。我国目前特钢企业生产齿轮钢的工艺流程一般有以下两 种3 1 ： ( 1 ) e a f ( 或b o f ) + l f ( 或v d 、r h ) 精炼一模铸一初轧开坯( 或锻打) 一横 列式轧机或半连轧轧制成材一精整一检验入库。 ( 2 ) u h p ( e b t ) + l f v d 精炼一合金钢方坯连铸一( 半) 连轧轧制成材一精整一 检验入库。 表1 3 列出了国内一些特钢企业牛产齿轮钢的工艺流程和丰要品种。 兴澄、抚钢、上五及大冶均为u h p l f v d 连铸连轧工艺，生产的齿轮钢质量高、 技术先进，可以代表国内领先水平。 1 2 3 齿轮钢质量要求 汽车齿轮材料与其他许多工程材料一样，要求工艺性能和使用性能好，并且经济耐 用。除了强度、韧性等共性要求外，齿轮材料还有其特性要求。通常，高质量水平的齿 轮钢丰要表现在三个方面，即末端淬透性带窄，离散度小；纯净度高；晶粒细小均匀。 此外，良好的加工性能( 包括冷、热加工性和切削性) 、低成本、长寿命和多品种化也 是齿轮行业所关心的重要指标。具体的技术要求丰要有【4 】： ( 1 ) 末端淬透性要求 一般地，淬透性和淬透性带宽的控制，主要决定于化学成分和化学成分的均匀性。 淬透性确定后，淬透性带宽的大小在很大程度上影响热处理变形，淬透性带宽愈窄，离 散度愈小，愈有利于齿轮的加工及提高其啮合精度。 我国g b 5 2 1 6 8 5 标准规定的齿轮钢淬透性带宽度为1 2 h r c ，在车辆齿轮制造要求 越来越高的今天，这一指标已经明显无法满足新的发展要求。 因此，国外一些大的汽车齿轮牛产厂家对齿轮钢的淬透性带宽度提出了更高要求【5 1 ， 国外对齿轮钢淬透性带宽的控制一般是全带控制在4 7 h r c 。 国内的个别大型汽车齿轮生产厂家也分别向齿轮钢生产厂提出了自己的淬透性带 宽标准要求。最近，我国齿轮协会公布的车辆齿轮用钢市场准入条件的末端淬透性为： 淬透性带宽小于7 h r c 。 我国目前对齿轮的带宽控制情况是：骨干企业两点控制，j 9 一般为6 - 8 h r c ，j 1 5 一般为6 1 0 h r c ：一般企业要求符合g b t 3 0 7 7 1 9 9 9 或单点控制。表1 4 、表1 5 给出 了部分国内外汽车公司对齿轮的淬透性带宽控制情况。 ( 2 ) 纯洁度要求 钢的纯洁度要求，主要指氧化物夹杂含量的降低以及除硫外其它有害元素的降低。 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 钢中化学元素控制是保证冶金质量的基础。有害元素如s 、p 、n 、0 、h 等存在， 不仅恶化了钢材的力学性能，而且影响到汽车齿轮零件寿命，且当这些元素与其它元素 形成有害夹杂物时，还会恶化钢材工艺性能。 表1 4 国外几大公司对齿轮钢淬透性带宽的要求 t a b l e1 4t h en e e do fs e v e r a lf o r e i g nc o m p a n i e si nh a r d e n a b i l i t yo fg e a rs t e e l 表1 5 一汽集团、东风汽车公司对齿轮钢淬透性带宽的要求 t a b l e1 5t h en e e do fy i q ia n dd o n g f e n gc o m p a n yi nh a r d e n a b i l i t yo fg e a rs t e e l 氧含量对齿轮疲劳寿命的影响，现在己愈加受到人们的重视。日本曾对c r ，c r - m o ， c r - n i m o 等渗碳合金钢的氧含量与疲劳寿命之间的关系作过对比试验。据“山阳新钢 种系列”资料介绍f 6 】，当氧含量从2 5 x1 0 4 降到1 1 1 0 4 时，其疲劳强度可提高4 倍。 因此对齿轮钢脱氧精炼是非常重要的。钢中的氧还会与a l 形成最为有害的a 1 2 0 3 球状 或颗粒状脆性夹杂，a 1 2 0 3 变形能力较低，常常是接触疲劳裂纹源区，易引起零件早期 失效。氧化物夹杂总量的高低，直接决定于氧含量。因此，日本、欧美国家对渗碳齿轮 钢的氧含量均进行严格限制，日本要求齿轮钢中氧含量不大于1 5 x 1 0 4 ，欧美要求不大 于2 0 x 1 0 。4 。 s 是钢中形成夹杂物的主要元素，容易和m n 形成m n s 夹杂，导致钢材的疲劳性能 降低，般钢种规定，s 含量不大于0 0 3 5 。m n s 夹杂物对材料性能的影响主要取决 于形态和分布，目前主要是通过加c a 来改善硫化物的形态和分布。但同时s 和p b 能有 效地改善齿轮钢可切削性。由于p b 是重金属，对人体和环境有危害，已不再作为改善 齿轮钢切削性元素使用，因而s 元素越来越受到重视。 t i 是齿轮钢中的重要元素，t i 常被用来作为细化晶粒元素添加在钢中，在炼钢过程 中过量的t i 在钢中易与n 结合形成颗粒大、带尖棱角的t i n ，在交变切应力作用下， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 易在t i n 与摹体的相界处发牛位错的塞结，出现应力集中现象，形成疲劳裂纹源，其危 害比氧化物夹杂还严重。由于t i n 与基体的弹性模量不同，周围基体就也会出现应力集 中，二者叠加便在t i n 点端萌牛早期裂纹，引起齿面发牛早期点蚀和剥落失效。日本、 欧美轿车很少使用有含t i 渗碳齿轮用钢，即便有，也限制在非常小的范围。因此，主 要通过两种措施减少t n 形成机会。一是尽量降低t i 含量，并通过精炼喂t i 线工艺替 代原来直接加块状合金，提高t i 收得率，把t i 成分控制在很窄范围内。二是保证连铸 钢液脱氧良好，连铸过程采用全过程保护浇注，尽量避免与大气接触以减少钢液吸氮。 a l 作为齿轮钢的合金化元素之一，主要是细化晶粒，改善韧性，a i 含量大于0 0 8 ， 会恶化钢的可切削性。 1 近年来，德国和日本神户的m n c r ，c r m o 系列齿轮钢的氧含量基本在1 8 1 0 4 以 下，最低的只有7 1 0 4 ，而我国低碳齿轮钢的氧含量，电炉单精炼水平约 。 3 0 1 0 - 4 7 0 x 1 0 4 ，双精炼的水平约1 5 x 1 0 4 2 5 1 0 4 ，经脱气后的水平一般在 2 0 1 0 4 以下，部分可小于1 5 x 1 0 4 ，与国外先进水平尚有一定差距。 ( 3 ) 晶粒度要求 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。研究指出，当晶粒粗于5 级或更粗( 级别更小) 时， 渗碳钢的脆断抗力显著降低，粗晶粒还会引起齿轮剥落的脆化因素增加。 目前我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晶粒级别 不粗于6 级【7 j ( 级别大于6 级) 。 “ 齿轮钢等合金结构钢细化晶粒的途径有：用铝脱氧控轧控冷、热处理和合金化、特 别是微合金化等。为使钢晶粒细化，向钢中加入了铝以形成弥散状氮化铝颗粒，起到了 阻止晶界迁移的作用，它可使钢成为本质细晶粒钢。对细化晶粒来说，脱氧后的酸溶铝 含量0 0 2 0 0 4 为佳。在钢中加入强碳化物形成元素如钒、钛、铌等度可以起到细化晶 粒的目的。铌和钛的碳化物加热温度达到1 2 0 0 才大量溶解到奥氏体中，碳化钒加热到 1 0 5 0 。c 才大量溶解。因此，在加热的不同阶段都起到了阻止奥氏体晶粒长大的作用。另 一方面，钢中的铬、锰、镍、铝只要在加热时固溶在奥氏体中，就能增强奥氏体的过冷 能力，从而产生细的铁素体晶粒和细珠光体。上述两个方面相_ 瓦补充使钢的晶粒细化。 应当指出，即使钢中含有上述细化晶粒元素，不恰当的热轧和热处理工艺也可造成粗大 的或粗细不均的奥氏体晶粒，从而对钢的塑性和韧性起着不良的影响。 ( 4 ) 对微量元素的要求 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a i ：0 0 2 0 - 4 ) 0 4 0 ；为提高切削性要求s ：0 0 2 5 0 0 4 0 。 ( 5 ) 良好的表面质量 随着齿轮生产过程中下料、加热方式的进步，对原料的表面质量、尺寸精度以及弯 曲度的要求越来越高，必须保证钢材表面无缺陷，尺寸精度和平直度高，定尺交货等。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 此外，齿轮钢都是热项锻用钢，对钢材的表面质量要求很严，无论是g b t 3 0 7 7 1 9 9 9 ， 还是由中国齿轮专业协会制定的车辆用齿轮钢技术条件，都对此有较严格要求。 1 2 4 齿轮钢发展存在的问题 我国传统齿轮钢是以c r - m n 。t i 钢和c r 钢为主的，有少量的c r - n i 钢，到二十世纪 六、七十年代，由于我国c r ，n i 资源缺乏，开发了无c r ，n i 齿轮钢，相继出现了m n b ， m n v - b ，m n t i b ，m n m o b 齿轮钢。由于这类钢的综合性能低于含c r ，n i 钢，在齿 轮钢领域没有得到广泛的推广应用。直到八十年代，随着引进车型的增多，国外c r - m o ， c r n i m o 钢逐渐被引进、消化、应用，c r - m o ，c r - n i m o ，c r - m n t i 钢成为我国汽车齿 轮钢的主导牌号，但钢种的应用和钢的实物质量还是存在一些问题【8 j 。主要表现在： ( 1 ) 钢的牌号还未形成系列化，产品标准落后。如2 0 c r m n t i 钢，为了满足不同淬 透性的要求，在同一个钢号的标准化学成分要按六组不同淬透性供货，而日本的保证淬 透性钢根据对淬透性的不同要求，对化学成分进行调整，形成了s c r ，s m n ，s c m ，s n c 等系列钢号，使齿轮钢的应用、牛产、管理更具科学性。 ( 2 ) 在钢种的选择和应用上具有较大的惰性。c r - m n t i 齿轮钢虽然具有晶粒细小 均匀，热处理工艺稳定等优点，但由于t i 的加入，在钢中形成t i n 硬质点，既影响齿 轮的机加工精度，又增加了齿轮产生疲劳裂纹的倾向性。 ( 3 ) 钢的淬透性带较宽。国外已经达到4 h r c ，而我国才在6 8 h r c 左右，并且 不够稳定，散差较大。其原因是：我国冶炼过程化学成分在线控制能力低，即在线检测 装备水平落后，使化学成分控制不准确：钢的连铸比小，大量采用模铸，钢的偏析严重， 因此增加了淬透性的不稳定性。 ( 4 ) 钢的纯净度较低，并且非金属夹杂物不够弥散，大颗粒夹杂物较多。主要是 工艺技术尚未跻身世界先进行列。 ( 5 ) 由于钢的冶炼工艺的限制，我国开发的含硫易切削钢，由于硫含量的提高， 使钢中硫化物夹杂的数量和级别增加。虽用钙处理的方法可以改变硫化物的形态，使之 成为球状，但由于球状夹杂上浮的不够充分而使d 类夹杂物级别增大。因此，在易切削 钢的研究方面，我们还有许多工作要做。 ( 6 ) 在控制轧制方面仍待提高，特别是缺少控制冷却手段，未能很好的解决轧制 过程的晶粒细化问题。 总言之，虽然大多数齿轮钢我国冶金j1 经努力都能冶炼，但由于生产过程未能很好 地采用真空脱气、炉外精炼、计算机检测成分微调和连铸技术，故钢材成分波动大、夹 杂多、淬透性带宽，造成齿轮热处理变形大、噪声大、寿命低，纯净度及t i 、a l 、o 的 含量控制一般也不易达到要求，就难以保证大量供应和质量的稳定性。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 5 新型齿轮钢的发展方向 为了适应未来的社会和经济发展，必须不断地应用新技术、新工艺、新装备，研究 开发出性能优异、节省能源、节约资源并可持续发展的高等级齿轮钢。对于汽车齿轮钢 研发必须满足窄的淬透性带宽度、高的纯净度、均匀细小的晶粒和较高的抗弯曲冲击力、 高性能、长寿命、经济性等要求。尽管各国资源和生产工艺条件的差异，齿轮钢合金系 列不尽相同，但新型齿轮钢共同的发展方向是： ( 1 ) 开发m n c r 钢和m n c r b 钢 虽然m n c r 钢的晶粒粗化趋向远大于c r