（材料加工工程专业论文）汽车渗碳齿轮新材料及其热处理工艺的研究.pdf

摘要 本文针对三种新型汽车齿轮合金钢的试验，进行了不同工艺条件的预备热处 理试验和渗碳热处理工艺试验研究。试验研究中针对不同材料出现的异常组织和 性能，提出了合理的预备热处理方案等温退火工艺；通过对新材料渗碳和热 处理试验，研究了渗碳层的显微组织、显微硬度和热处理工艺性能，通过对其组 织、性能以及渗碳速度、淬透性、淬硬性的分析，比较了2 0 c r n i 2 m o 、1 7 c r n i m 0 6 和2 2 c r m o 三种新型渗碳钢的各自优势和差异，为新型汽车齿轮材料开发和应用 提供必要的试验和理论依据。 关键词：汽车渗碳齿轮、新材料、热处理工艺、研究 n e wr e s e a r c ho nm a t e r i a la n dh e a tt r e a t m e n t t e c h n o l o g yo fa u t o m o b i l ec a r b u r i z e dg e a r a b s t r a c t t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ee x p e r i m e n t so nt h r e en e wt y p e so fa l l o ys t e e l so ft h ea u t o m o b i l eg e a r a n a l y s e st h ec o m p o n e n to fa u t o m o b i l ed r i v e sb r i d g ec a r b u r i z e dg e a rn e wm a t e r i a la n das e r i e so f e x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u to nd i f i e r e n tt e c h n o l o g yc o n d i t i o n s t h e s ee x p e r i m e n t sa r ea l la b o u tt h e p r e p a r a t o r yh e a tt r e a t m e n ta n dt h ec a r b u r i z i n gh e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g y b a s e do nt h ea b n o r m a ls t r u c t u r e a n dp r o p e r t i e so ft h et h r e em a t e r i a l s ，ar e a s o n a b l ep r e p a r a t o r yh e a tt r e a t m e n tp l a n - i s o t h e r m a l - a n n e a l i n g i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t so fc a r b u r i z i n ga n dh e a tt r e a t m e n to ft h en e wm a t e r i a l ， t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h em i c r o s t r u c t u r e ，m i c r o h a r d n e s sa n dt h ep r o p e r t i e sa f t e rh e a tt r e a t m e n to ft h e c a r b u r i z e dl a y e r t h i sp a p e rm a k e sac o m p a r i s o na b o u ts u p e r i o r i t i e sa n dd i f f e r e n c e so f2 0 c r n i 2 m o ， 1 7 c r n i m 0 6 ，a n d2 2 c r m ob ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r e ，p r o p e r t i e s ，c a r b u r i z i n gs p e e d ，q u e n c h i n gh a r d e n i n g a n dq u e n c h i n gd e g r e eo f t h i st h r e en e w t y p e sc a r b u r i z e ds t e e l s t h er e s e a r c hp r o v i d e se s s e n t i a lf o u n d a t i o n o ne x p e r i m e n ta n dt h e o r yf o r t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f t h en e wa u t o m o b i l eg e a rm a t e r i a l k e y w o r d ：a u t o m o b i l ec a r b u r i z e dg e a t n e wm a t e r i a lh e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g yr e s e a r c h i i 前言 一、课题名称 汽车渗碳齿轮新材料及其热处理工艺的研究 二、课题来源 本课题来自于东风公司车桥厂。该厂过去一直沿用传统的2 0 c r m n t i 来生 产汽车渗碳齿轮，不仅品种单一，而且钢材成分波动范围大，淬透性带宽，夹杂 物多，造成齿轮热处理变形大，工作寿命低。当前国内重型汽车的使用中，超载 行驶和路况不良这两个现实问题比较严重。因此，相继开发应用2 0 c r m o 、 2 0 c r n i 2 m o 、17 c r n i m 0 6 三种新钢种并进行相关的热处理工艺试验以替代传统用 2 0 c r m n t i 钢种，提高其使用和工艺性能就成了东风汽车公司一段时间以来的迫 切任务，本课题就是在这样的生产发展形势下正式立项和开展起来的。 三、选题意义 本人选取该课题列为攻读工程硕士的研究项目是从以下两方面考虑的： 1 、从东风公司车桥厂来说，该课题从2 0 0 2 年就开始了前期准备工作，然而，因 生产任务繁忙，试验研究只能断断续续，有些数据不完善。本人选取该课题，可 以协助厂里做些系统化工作，乃至通过进一步试验和必要的分析，能够为现生产 提供较完整的试验和理论分析而供参考。 2 、从开发渗碳新钢种的大冶钢厂来说，希望通过在东风汽车公司车桥厂汽 车驱动桥传动齿轮的生产应用试验进一步规范有关成分、性能标准和工艺， 为推广其应用提供数据依据。 四、研究内容 根据现生产的需要和课题进展计划，对本课题研究内容做如下安排： 1 、对三类新钢种的化学成分进行分析和比较； 2 、对三类新钢种进行预备热处理试验，并对其组织和性能进行对比分析和研究。 3 、分析、比较三种钢经渗碳、淬火和回火后的组织、性能以及渗碳速度、淬透 性、淬硬性和回火稳定性。 i l i 浙江大学硕士学位论文 第一章汽车齿轮用钢及热处理工艺现状 第一章汽车齿轮用钢及热处理工艺现状 1 1 汽车齿轮服役条件及选材要求 汽车齿轮主要装配在汽车变速箱差速器中。汽车中的各种齿轮，主要用于传 递动力和运动，通过它们来改变发动机、曲轴和主轴齿轮的速比。在差速器中， 通过车桥齿轮增加扭矩，并调节左右轮的转速。全部发动机的动力均通过齿轮传 给车轴，推动汽车运动。汽车齿轮的受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强 度、冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。由于汽车行驶状况随路况随机变化，因 而汽车齿轮的工作状况很复杂i “。 按照齿轮服役条件不同，汽车传动齿轮的损伤、失效形式主要是齿面磨损和 断齿。前者包括磨损、塑性变形、粘合、接触疲劳麻点、剥落、腐蚀、烧伤、磨 裂等；后者包括过载断裂、弯曲疲劳断裂、脆断、淬火裂纹引起的断裂等。在正 常生产和使用条件下，渗碳齿轮的主要失效形式是弯曲疲劳断裂和齿面接触疲劳 损伤【2 。图1 1是齿轮的四种主要失效形式【5 1 。 a 螺旋伞齿轮肯根部弯曲疲劳断裂 b 出面严重磨损、齿厚变小 c齿面剥落d轮齿冲击断裂 图l - l 汽车齿轮是主要失效形式 浙江大学硕士学位论文第一章汽车齿轮用钢及热处理丁艺现状 表1 1 是美国的一个关于齿轮失效形式及原因的统计资料5 1 。结果表明，疲劳 断裂占失效齿轮总数的三分之一以上，居首位；其次是表面损伤。由此可见，断 齿是齿轮失效的主要形式。东风公司车桥厂生产的齿轮失效问题同样主要是断 齿、齿面磨损和剥落等。 表1 1美国9 3 1 个齿轮失效方式及原因统计结果 失效方式统计结果( )失效原因统计结果( ) 断裂，总计6 i2 使用不当。总计 7 4 7 瘦劳断裂，轮齿3 2 8 润滑币良1 1 o 轮4 0安全不良2 1 2 过载断裂，轮齿2 3 8 过载3 8 9 轮0 6其它3 6 表面疲劳，总计2 0 3设计，总计6 9 麻点 7 2 设汁不合理28 剥落6 8 选材不当 i6 麻点剥落混合 6 8 热处理条件j | 9 l l 定不当 25 磨损，总计1 3 2热处理，总计1 6 2 磨粒磨损1 03淬火不良5 9 粘着磨损2 9 硬化层浅 48 心部硬度低2 0 塑性变形，总计5 3 硬化层太深1 8 其它，总计 1 4 从上述对齿轮服役条件及失效形式的分析中提出，对齿轮材料的性能要求 是：高的弯曲疲劳强度；高的接触疲劳强度和耐磨性：较高的强度和韧性。此外 还要求有较好的热处理工艺性能。齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度。影响汽 车渗碳齿轮失效和齿轮疲劳强度的因素主要有心部硬度、有效层深、渗层和心部 的金相组织、表面硬度和表层残余应力分布【6 4 】等。根据汽车齿轮渗碳要求，选 用低碳合金钢作为汽车齿轮材料最为理想。 在选用渗碳齿轮钢时主要考虑以下因素：( 1 ) 钢材的淬透性能要保证齿轮渗 碳淬火后齿面和心部得到所规定的硬度，满足齿轮的使用要求，同时也希望钢材 的淬透性能较窄以保证齿轮热处理后的变形范围小【9 1 ；( 2 ) 钢材应是本质细晶粒 钢1 2 2 j ，以保证在高温渗碳时奥氏体晶粒不长大，可能采用渗碳后直接淬火。对淬 火来说。应予注意淬火工艺和淬火油温对齿轮形状和尺寸的变化影响很大 2 3 1 。 浙江大学硕士学位论文第一章汽车齿轮_ i ；j 钢及热处理工艺现状 目前还可以利用计算机辅助法，依据淬透性进行钢材的选择。但这一新的选材方 法只适用于那些淬透性已知的钢材，其优点是能更灵活地选择特定的淬火条件， 能精确计算出回火温度及回火后邻界点处的各项力学性能数据【9 1 1 2 齿轮渗碳用钢综述 用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。渗碳钢可分为碳素渗碳钢和合金渗碳 钢。渗碳钢的含碳量一般都低，介于0 1 0 2 5 之间 1 0 - 1 1 l ，属于低碳钢范畴。低 的含碳量可保证渗碳零件心部具有足够的韧性和塑性。碳素渗碳钢的淬透性低， 对大模数齿轮心部淬火得不到低碳马氏体，热处理后不能使碳钢渗碳零件的心部 获得明显的强化效果。合金渗碳钢则不然，具有良好的淬透性高，零件心部可以 得到低碳马氏体，即热处理能使合金渗碳钢零件的心部获得较显著的强化效果。 化学成分是影响淬透性最主要的因素【1 2 - 1 3 】， 合金渗碳钢中主要合金元素是铬( 2 ) 、镍( 4 5 ) 、锰( 2 ) 、硼( o 0 0 5 ) 等，钢中硼的最佳含量是( o 0 0 0 0 0 5 - - - 0 0 0 5 ) 5 1 。，这些元素除了能提高钢的 淬透性，改善渗碳零件心部组织和性能之外，还能提高渗碳层的力学性能，如强 度、韧性及塑性。其中尤以镍为最好。除上述元素外，在合金渗碳钢中，通常还 加入少量的钒( 小于0 2 ) 、钨( 1 2 ) 、钼( o 6 ) 、钛( o 1 ) 等碳化物 形成元素。这些元素具有细化晶粒，抑制钢件在渗碳时的过热作用( 即晶粒粗大) 。 当合金渗碳钢中所含的碳化物形成元素，如c r 、m n 、w 、v 、t i 等愈多时，会 使渗碳层中碳浓度分布曲线梯度陡峻，同时还会使渗碳层中有可能出现较多的块 状碳化物，降低渗碳层的性能，损害渗碳层质量。同时，合金元素合金对渗碳钢 碳化物形态有很大的影响【6 _ ”。因此，这类元素在合金渗碳钢中的含量必须限制 在一定的范围之内。合金渗碳钢按淬透性或强度的大小可为以下三类：淬透性一 般的有：1 5 c r 、2 0 c r 、2 0 m n v ：淬透性较好的有：2 0 m n v b 、2 0 c r m o 、2 0 c r m n t i ； 淬透性好的有：1 2 c r n i a 、1 2 c r 2 n i a 、2 0 c r n i 2 m o 。 渗碳钢的热处理一般都要先通过渗碳，使工件表层碳含量增加到0 8 1 0 5 成为表层高碳钢材料。工件加工前应予正火或等温退火而提高表面硬度，改善钢 的切削加工性能和随后的热处理工艺性能；渗碳后则应淬火并低温回火，使零件 表层获得高硬度高耐磨性的回火马氏体及少量的残余奥氏体，硬度为 6 0 - 6 2 h r c 。其心部组织与钢的淬透性与零件截面尺寸有关，完全淬透回火后为 低碳回火马氏体组织，硬度为4 0 - 4 8 h r c ；未淬透回火后为少量低碳回火马氏体、 屈氏体与少量的铁素体，硬度为2 5 , - - 4 0 h r c | 8 】，工件的心部具有良好的塑性和韧 性。冲击韧性一般高于7 0 0 j c m z ”j ，从而使零件满足“表硬里韧”的要求。 根据使用要求，渗碳钢应具有的性能是：渗碳层硬度高，具有优良的耐 磨性和接触疲劳抗力，同时又有适当的塑性和韧性；心部则必须有高的韧性和足 够高的强度。当心部韧性不足时 1 0 - 1 1 】，在冲击载荷或过载荷作用下容易断裂：强 度不足时，则硬脆的渗碳层缺乏足够的支撑，而容易破裂、剥落。具有良好 的热处理工艺性能，即要求在渗碳温度9 0 0 一9 5 0 下奥氏体晶粒不易长大。为 了防止晶粒的长大可以加入微量的铝和氮l l2 | 。具有良好的淬透性。 渗碳钢主要用于制造汽车、拖拉机以及机床中的变速齿轮，内燃机凸轮轴、 活塞销等零件。它们在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较高的交变载荷。 常用渗碳钢的牌号、成分、热处理、性能和主要用途见表1 2 和1 3 所示【1 4 l 浙江大学硕士学位论文第一章汽车齿轮用钢及热处理：i ：艺现状 表i - 2常用渗碳钢的牌号、成分 化学成分( ) 牌号 cs im npsc rn im 0 其他 1 5o 1 2 卸1 90 1 7 加3 7o 3 5 o 6 5 0 0 4如0 4 s o 2 5蜘2 5 2 00 1 7 加2 4o 1 7 加3 70 3 5 o 6 5兰0 0 4如0 4o 2 5蔓0 2 5 1 5 c r0 1 2 加1 80 2 0 加4 0 0 4 0 0 7 0 0 ，0 4- 0 0 4 07 0 1 0 0 0 7 0 10 0 2 0 c r0 1 7 加2 40 2 4 o4 0o 5 0 如8 0 0 0 4 0 0 4 0 7 0 10 00 7 0 10 0 2 0 m n 2 0 1 枷2 40 2 0 o4 005 0 0 8 0 00 40 0 4 茎o 3 5s o 3 5 b 0 0 0 l , - 0 0 0 4 2 0 m n v b0 1 7 加2 40 2 0 加4 01 4 0 一i 8 0 0 0 4s o 0 4o 3 5- 0 3 5 v 0 0 7 - 4 ) 1 2 2 0 c r m n t i0 17 加2 40 2 0 - - 0 4 01 2 0 一1 6 0 o 0 40 0 4 10 0 l _ 3 0 - 0 3 5 o2 0 15 c r m n m o0 1 2 01 802 0 - - 0 4 008 0 1 1 0 - 0 0 40 0 4 09 0 12 0- 0 3 5 - - 03 0 1 2 c r n i 30 i o 0 1 70 2 0 - - 0 4 00 9 l2 0 - - 0 0 4s o 0 4 0 6 0 加9 02 7 5 17 5 2 0 c r n i 4 ao 1 7 0 ，2 4o 2 0 0 4 00 3 0 - 0 6 0 0 0 4 00 4 1 2 5 1 7 5 3 2 5 3 7 5 w 1 8 c r n i 4 w a0 1 3 0 1 90 2 0 加4 00 3 0 0 6 0 - 0 0 4卯0 4 03 5 - 16 540 0 45 0 o8 0 l2 t i0 0 6 - 0 1 2 2 5 m n t i b02 2 02 80 2 0 0 4 00 3 0 珈6 0 0 0 4- 0 0 4 ( 02 5 s 0 2 5 b 0 0 i - - 00 0 4 1 3 国内外汽车齿轮用钢现状 1 3 1 国外齿轮钢应用情况 国外，最初使用的渗碳齿轮钢基本上是锰钢和锰铬钢，例如日本的s m n 4 2 0 ， s m n c 4 2 0 ，德国的1 6 m n c r 5 ，2 0 m n c r 5 等。此类钢的合金元素便宜，性能良好。 这是当时从经济角度出发，考虑到资源条件而研制的，但它的质量不稳定，强韧 性配合差，往往强度指标合格而硬度达不到要求，晶粒粗化倾向大。因此，目前 4 浙江大学硕士学位论文第一章汽车齿轮用钢及热处理工艺现状 表1 - 2常用渗碳钢的牌号、成分 化学成分( ) 牌号 cs im 1 1psc rn lm 0 其他 1 5o1 2 - - 0 1 90 1 7 加3 70 3 5 - 06 5 兰o 0 41 00 4- 0 2 5s o2 5 2 00 1 7 1 02 40 1 7 珈3 703 5 加6 5 o 0 4兰00 4 5 02 5o2 5 1 5 c r01 2 0 1 802 0 - 0 4 004 0 - - 07 0 0 0 40 0 4 07 0 一l0 007 0 - - lu 0 2 0 c r o 1 7 0 2 40 2 4 04 00 5 0 - 08 01 0 0 400 407 0 一10 0o7 0 l0 0 2 0 m n 201 7 4 1 2 402 0 0 4 005 0 - 08 0 0 0 400 4s o 3 5蜘3 5 2 0 m n v b0 1 7 珈2 402 0 0 4 014 0 一l 墙0 翊0 4- g o 0 4- 03 503 5 2 0 凸m n t i 01 7 - 帕2 40 2 0 一0 4 01 2 0 1 6 0s 00 400 4 10 0 13 0 s o 3 5 1 5 c r m n m o01 2 0 1 8 02 0 - 0 a 0 08 0 1 1 0 o 0 4- 0 0 4 09 0 12 0 1 03 5 1 2 c r n i 30 1 0 枷1 702 0 加a 009 0 一12 0 - 0 0 4兰00 4 o6 0 - 09 027 5 1 7 5 2 0 c 订q i 4 a0 1 7 0 2 40 2 0 - - 0 4 00 3 0 0 6 0 00 4蔓00 412 5 l7 53 2 5 3 7 5 】8 c r n i 4 w ao1 3 0 1 9n 2 0 加4 003 0 q ) 6 0 00 4s 00 4 03 5 16 540 0 4 5 0 2 5 m n t i bo2 2 加2 802 0 加4 003 0 o 0 4如0 4 蜘2 5 s o ，2 5 1 3 国内外汽车齿轮用钢现状 1 3 1 国外齿轮钢应用情况 国外，最初使用的渗碳齿轮钢基本上是锰钢和锰铬钢，例如日本的s m n 4 2 0 ， s m n c 4 2 0 ，德国的1 6 m n c r 5 ，2 0 m n c r 5 等。此类钢的合金元素便宜，性能良好。 这是当时从经济角度出发，考虑到资源条件而研制的，但它的质量不稳定，强韧 性配合差，往往强度指标合格而硬度达不到要求，晶粒粗化倾向大。因此，目前 性配合差，往往强度指标合格而硬度达不到要求，晶粒粗化倾向大。因此，目前 浙江大学硕士学位论文第一章汽车齿轮用钢及热处理：i ：艺现状 表i - 2常用渗碳钢的牌号、成分 化学成分( ) 牌号 cs im npsc rn im 0 其他 1 5o 1 2 卸1 90 1 7 加3 7o 3 5 o 6 5 0 0 4如0 4 s o 2 5蜘2 5 2 00 1 7 加2 4o 1 7 加3 70 3 5 o 6 5兰0 0 4如0 4o 2 5蔓0 2 5 1 5 c r0 1 2 加1 80 2 0 加4 0 0 4 0 0 7 0 0 ，0 4- 0 0 4 07 0 1 0 0 0 7 0 10 0 2 0 c r0 1 7 加2 40 2 4 o4 0o 5 0 如8 0 0 0 4 0 0 4 0 7 0 10 00 7 0 10 0 2 0 m n 2 0 1 枷2 40 2 0 o4 005 0 0 8 0 00 40 0 4 茎o 3 5s o 3 5 b 0 0 0 l , - 0 0 0 4 2 0 m n v b0 1 7 加2 40 2 0 加4 01 4 0 一i 8 0 0 0 4s o 0 4o 3 5- 0 3 5 v 0 0 7 - 4 ) 1 2 2 0 c r m n t i0 17 加2 40 2 0 - - 0 4 01 2 0 一1 6 0 o 0 40 0 4 10 0 l _ 3 0 - 0 3 5 o2 0 15 c r m n m o0 1 2 01 802 0 - - 0 4 008 0 1 1 0 - 0 0 40 0 4 09 0 12 0- 0 3 5 - - 03 0 1 2 c r n i 30 i o 0 1 70 2 0 - - 0 4 00 9 l2 0 - - 0 0 4s o 0 4 0 6 0 加9 02 7 5 17 5 2 0 c r n i 4 ao 1 7 0 ，2 4o 2 0 0 4 00 3 0 - 0 6 0 0 0 4 00 4 1 2 5 1 7 5 3 2 5 3 7 5 w 1 8 c r n i 4 w a0 1 3 0 1 90 2 0 加4 00 3 0 0 6 0 - 0 0 4卯0 4 03 5 - 16 540 0 45 0 o8 0 l2 t i0 0 6 - 0 1 2 2 5 m n t i b02 2 02 80 2 0 0 4 00 3 0 珈6 0 0 0 4- 4 2 蔓3 5 3 5 1 0) 1 0 - - 1 5 1 5 炉数 3 51 7 78 l1 42 9 11 65 5l l l1 4 i 1 9 8 l ( )1 1 45 7 62 6 44 69 4 85 21 703 6 24 5 9 炉数2 91 1 97 62 42 2 52 37 58 48 9 1 9 8 2 ( )1 174 8 03 069 79 0 7933 023 3 93 5 9 1 9 8 3炉数 1 1 61 3 24 7l l 1 9 61 0 7 88 44 4 6 月止 ( )7 86 4 02 2 85 49 5 14 93 784 0 82 i 4 炉数 8 04