20MnTiB.doc

我国中重型载货汽车齿轮用钢牌号较多，主要是为适应引进当时国外先进汽车技术的要求。50年代我国从原苏联里哈乔夫汽车厂引进当时苏联中型载货汽车(即“解放”牌原车型)生产技术的同时，也引进了原苏联生产汽车齿轮的20CrMnTi钢种。 改革开放以后，随着我国经济建设的高速发展，为了满足我国交通运输的快速发展需要，从80年代开始，我国有计划地引进工业发达国家的各类先进机型，各类国外先进中重型载货汽车也不断引进。同时，我国大汽车厂同国外著名汽车大公司进行合作，引进国外先进汽车生产技术，其中包括汽车齿轮的生产技术。与此同时，我国钢铁冶炼技术水平也在不断提高，采用钢包二次冶炼及成分微调和连铸连轧等先进治炼技术，使得钢厂能生产出高纯净度、淬透性能带缩窄的齿轮用钢材，从而实现了引进汽车齿轮用钢的国产化，使我国齿轮用钢的生产水平上了一个新台阶。近年来，适合于我国国情的国产重型汽车齿轮用含镍高淬透性能钢也得到了开发和应用，取得了较好效果。汽车齿轮的热处理技术也从原50-60年代采用井式气体渗碳护发展到当前普遍采用由计算机控制的连续式气体渗碳自动线和箱式多用炉及自动生产线(包括低压(真空)渗碳技术)、齿轮渗碳预氧化处理技术，齿轮淬火控制冷却技术(由于专用淬火油和淬火冷却技术的使用)、齿轮锻坯等温正火技术等。这些技术的采用不仅使齿轮渗碳淬火畸变得到了有效控制、齿轮加工精度得到提高、使用寿命得到延长，而且还满足了齿轮的现代化热处理的大批量生产需要。有关文献指出，汽车齿轮的寿命主要由两大指标考核，一是齿轮的接触疲劳强度，二是齿轮的弯曲疲劳强度。前者主要由渗碳淬火质量决定，后者主要由齿轮材料决定。为此，有必要对汽车齿轮用渗碳钢的要求、性能及其热处理特点有一个较全面的了解。铬锰钛钢和硼钢长期以来，我国载货汽车齿轮使用最普遍的钢种是20CrMnTi。这是上世纪50年代我国从原苏联引进的中型的汽车齿轮18XTr钢种(即20CrMnTi钢)。该钢晶粒细，渗碳时晶粒长大倾向小，具有良好的渗碳淬火性能，渗碳后可直接淬火。文献指出，在1980年以前，我国的渗碳合金结构钢(包括20CrbinTi钢)在钢材出厂时只保证钢材的化学成分和用样品测定的力学性能，但是在汽车生产时常常出现化学成分和力学性能合格的钢材，由于淬透性能波动范围过大而影响产品质量的情况。例如若20CrMnTi渗碳钢的淬透性过低，则制成的齿轮渗碳淬火后，心部硬度低于技术条件规定的数值，疲劳试验时，齿轮的疲劳寿命降低一半；若淬透性能过高，则齿轮渗碳淬火后内孔收缩量过大而影响齿轮装配。由于钢材淬透性能对轮齿心部的硬度和畸变都有极其重大的影响，1985年冶金部颁布了我国的保证淬透性结构钢技术条件(GB5216-85)，在此技术条件中列入了包括20CxMnTiH、20MnVBH钢在内的10种渗碳钢的化学成分、淬透性能数据。标准中规定：用于制造齿轮的20CrMnTi钢的淬透性能指标为距水冷端9咖处的硬度为30-42HRC。在此之后，采用20CrMnTi钢生产齿轮的齿心部硬度过低和畸变过大的问题基本上得到了解决。但是不管齿轮模数大小和钢材截面粗细均采用同一钢号20CrMnTi钢显然是不合理的。近年来，由于我国钢材冶炼技术水平的提高以及合金结构钢供应情况的改善，已经有条件把齿轮钢的淬透性能带进一步缩窄，并根据不同产品(如变速器齿轮与后桥齿轮等)的要求开发新的钢种以满足其要求。通过与钢厂协商，1997年长春一汽先后与生产齿轮钢厂的生产厂家签定了将20CrMnTi钢淬透性能分挡供应的协议，例如“解放”牌5t载货汽车上用于制造截面尺寸较小的变速器第一轴、中间轴齿轮和截面尺寸较大的后桥主、从动圆锥齿轮用20CrMnTiH钢淬透性能组别分别为I和，对应淬透性能分别为J9：3036HRC和J93642HRC。1960年前后，由于我国镍、铬钢的供应紧张，影响了我国含镍、铬钢材的生产。而当时我国的汽车工业是从原苏联引进的技术，苏联大量应用含镍、铬的钢材。因此，当时我国汽车工业大力发展了硼钢的开发、研制工作，用20MnVB和20Mn2TiB钢代替20CrMnTi渗碳钢制造齿轮。这是因为在结构钢中加入微量硼(0.0001%-0.0035%)可以显著地提高钢材的淬透性能，因此钢中加入微量硼可以代替一定数量的锰、镍、铬、钼等贵重合金元素，因而硼钢得到广泛的应用。长春一汽曾在“解放”牌汽车齿轮生产中使用过20MnTiB和20Mn2TiB钢。东风汽车公司生产的“东风”牌5，载货汽车变速器和后桥齿轮分别采用20CrMnTi和20MnVB钢制造。同样，也与钢厂签定了把钢材淬透性能带缩窄并分档供应的协议。变速器和后桥主、从动圆锥齿轮用钢分别为20CrMnTiH(3)和20MnVBH(2)、20MnVBH(3)，对应淬透性能分别为J93239HRC和J93744HRC、J93442HRC。我国綦江齿轮厂引进了德国公司的重型汽车变速器齿轮生产技术，在国内按德国公司的标准试制了该公司的Cr-Mn-B系含硼齿轮钢获得成功。其齿轮材料的淬透性能为J103139HRC当然，20CrMnTi钢及20MnTiB钢、20MVB钢等含硼钢也存在不足。一般认为20CrMnTi等渗碳钢是本质细晶粒钢，渗碳后晶粒不会租化，可直接淬火。但实际上由于钢材冶炼质量的影响，常常在正常条件下发生晶粒粗化现象。对多批材料的实际晶粒度试验，发现相当部分实际晶粒度只有23级(930保温3h条件下)。文献认为，20CrMnTi由于Ti含量较高，钢中TiN夹杂物多，尤其是大块的TiN夹杂是齿轮疲劳时的疲劳源，它的存在会降低齿轮的接触疲劳性能。这种夹杂物呈立方结构，受力时易发生解理开裂，导致齿轮早期失效。另一个问题是该钢的淬透性能有限，不能满足大直径大模数齿轮的要求，渗碳有效硬化层深度和心部硬度均不能满足重型齿轮的要求。此外，在热处理过程中20CrMnTi钢易产生内氧化和非马氏体组织而降低齿轮的疲劳寿命。但目前在我国齿轮渗碳钢中还没有哪一种钢在渗碳工艺上有20CrMnTi钢这样成熟和可靠。所以，它仍是目前国内使用最普遍的渗碳钢种。20MnVB、20MnTiB和20Mn2TiB等硼钢也存在一些缺点，如在冶炼时由于脱氧去氮不好而使硼不能起到增加淬透性能的作用，因此，使硼钢的性能不稳定，渗碳淬火后的齿轮畸变增大而影响产品的质量。同时由于混晶和晶粒易于粗大，致变形不易控制和韧性较差，且硼钢齿轮根部易产生托氏体组织和碳氮共渗齿轮的黑网、黑带。因此，目前很多工厂中止使用该钢种。然而，决不能就此得出硼钢不适宜作齿轮渗碳钢的结论。含硼的渗碳钢在国外还有使用。例如，德国著名的齿轮厂，一直使用由其本厂拟订的保留钢种ZF7，这是一种含硼的低碳铬锰钢。该钢主要化学成分(质量分数，%)为0.150.20C，0.150.40S，1.01.3Cr，1.01.3Mn，0.0010.003B。美国汽车变速器齿轮和后桥主、从动齿轮有的也采用含硼渗碳钢，如50B15、43BVl4和94B17。因此，只要钢厂冶炼技术跟上去，硼钢的上述问题是能够解决的。20CrMnTiH、20MnVBH和20MnTiBH钢齿轮锻坯在连续式等温正火炉内进行处理可以保证得到均匀分布的片状珠光体+铁素体。这样可以使齿轮的热处理畸变大大减小，使齿轮的精度提高，使用寿命延长。 齿轮锻坯等温正火硬度为156207HB。铬锰钼钢和铬钼钢22CrMnMo、20CrMnMoH和20CrMoH钢由于有着较高淬透性而用于中型汽车齿轮。此类钢可采用渗碳后直接淬火工艺。由于铬锰钼钢和铬钼钢中含有铬和钼等形成碳化物的元素，在渗碳过程中将促使轮齿表面碳含量增加，容易在渗碳层组织中出现大量碳化物，使渗碳层性能恶化。因此，齿轮采用铬锰钼钢和铬钼钢渗碳时，宜采用弱渗碳气氛，以防止形成过量碳化物。22CrMnMo和20CrMnMoH齿轮锻坯正火后在650670进行高温回火处理，金相组织为细片状珠光体+少量铁素体，硬度为171229HB。20CrMnH齿轮锻坯最好在连续式等温正火炉中处理，935945加热，640650先预冷后等温，可获得均匀的铁素体+珠光体组织，硬度为156207HB。文献指出，20CrMoH钢冶炼工艺稳定，淬透性带较窄且易于控制，与20CrMnTi钢齿轮比较，具有热处理畸变小；渗层有良好、稳定的淬透性；金相组织、渗碳淬火后的表面和心部硬度，均能较好地满足技术要求；疲劳性能好，比较适合汽车中小模数齿轮。综合考虑齿轮的服役条件，既保证齿轮的疲劳寿命，又减少齿轮的热处理畸变，在用以制造变速箱齿轮时应为J93036HRC，用以制造后桥齿轮时应为J93742HRC。国外先进汽车齿轮用钢的国产化随着国外先进车型的引进，各种齿轮钢的国产化使我国的齿轮钢水平上了一个新台阶。目前，德国的Cr-Mn钢，日本的Cr-Mo系钢，和美国的SAE86钢满足了中小模数齿轮用钢。国产载货汽车齿轮有的采用美国牌号SAE8822H钢，如8t和10t桥用圆锥齿轮采用SAE8822H，该钢主要化学成分(质量分数，%)为0.190.25C，0.701.05Mn，0.150.35Si，0.350.75Ni，0.350.65Cr，0.300.40Mo。文献认为，控制淬透性是解决齿轮畸变问题的关键。为减少畸变应选用Jominy淬透性带宽在4HRC以下的H钢。采用H钢的齿轮热处理后精度(接触区)比普通钢高70%80%，使用寿命延长。因此，工业发达国家先后规定了渗碳合金结构钢的淬透性带。根据需要将淬透性带限制在很窄的范围(45HRC)。1)在德国订货时，可以要求钢材的淬透性能在给定的范围内，也可以要求缩窄淬透性能的钢材。17CrNiM06非常适合制造大模数重负荷汽车齿轮，该钢主要化学成分(质量分数，%)为0.150.20C，0.400.60Mn，1.501.80Cr，0.250.35Mo，1.401.70Ni。此钢在我国已开始生产和使用。文献认为，在17CrNiM06钢齿轮渗碳过程中，在适当降低渗碳后期碳势的同时加快渗碳后的冷却速度，由空冷改为风冷，阻止大块碳化物的形成，然后在630cC进行高温回火，以析出部分合金碳化物，为的是在820二次加热淬火时减少残留奥氏体量，最终获得较好的金相组织。2)奥地利Styer重型汽车厂要求淬透性带宽为7HRC。3)日本中重型货车，如“日野”牌KB222型载重9t汽车和“日产”牌CKL20DD型载货8t汽车的变速器齿轮及后桥齿轮广泛采用Cr-Mo系钢，如SCM420H和SCM822H钢，相当于我国国产化20CrMnMoH和22CrMoH钢。此类钢具有较高的淬透性能。在一定范围内，齿轮的弯曲疲劳寿命随着淬透性的增加而提高。文献指出，长春一汽开始在生产“解放”牌9t载货汽车后桥齿轮时，采用20CrMnTiH钢，既使使用淬透性能为组的钢材(J93642HRC)，热处理后齿轮轮齿心部硬度也只有2224HRC，达不到齿轮技术条件规定的要求，汽车在使用时，后桥主动和从动圆锥齿轮发生早期损坏。因此不得不选用淬透性能更高的Ct-Mo钢，其主要成分参考日本的SCM822H齿轮钢，该钢材的主要化学成分(质量分数，%)为：0.190.25C，0.550.90Mn，0.150.35Si，0.851.25Cr，0.350.45Mo。经与钢厂协商，生产出了国产化的新钢种22CrMoH钢，其淬透性能指标为J93642HRC，较好地满足了汽车齿轮的使用要求。但是，该钢的工艺性能较差，齿轮锻坯要经过等温退火处理后才能进行切削加工，硬度为156207HB，金相组织为先共析铁素体+伪共析珠光体。此钢淬透性能较高，普通正火容易产生粒状贝氏体，粒状贝氏体的出现对切削加工极为不利，不仅使刀具的使用寿命大幅度下降，而且由于异常组织的出现，总是伴随着金相组织的不均匀性，最终造成齿轮热处理畸变的增大。4)近年来，美国汽车制造厂家力图降低生产成本并提高零件的可靠性和耐久性，这就需要产品的几何尺寸及力学性能的高度一致。对热处理的零件要改善产品性能的一致性，必须降低零件淬火后硬度的分散程度，这就与钢的淬透性能带的宽窄程度有直接关系。齿轮心部硬度的一致性将减少热处理的畸变，从而提高齿轮的精度，并使轮齿表层的残余压应力分布更加均匀。美国载货汽车变速器齿轮和后桥主动圆锥齿轮用钢有的采用SAE8620钢和SAFA820钢制造。美国SAE8620H、SAE8822H等牌号钢在我国也已开始生产(如宝钢集团上钢五厂等)和使用，分别用于中型载货汽车变速器齿轮和后桥圆锥齿轮。国内重型汽车齿轮用钢目前，我国齿轮钢基本满足使用和引进技术过程国产化的要求，而重型车传动齿轮及中重型车的后桥齿轮用钢，尚有待开发和生产。根据国内重型汽车的使用技术现状分析，超载使用和路况较差这两个问题较为严重，而且短期内无法克服，这就使齿轮经常承受较大的过载冲击载荷。过载冲击载荷介于疲劳和断裂应力之间，它对齿轮使用寿命有很大影响，往往造成齿轮早期失效。从这一点来说，大模数重负荷汽车齿轮应选择Cr-Ni或Cr-Ni-Mo系钢，如德国的17CrNiM06钢最好，还有国产20CrNi3H、20CrNiMoH钢。大功率发动机的问世促进了新型Cr-Ni-Mo系列齿轮钢的开发和应用。如新型齿轮用钢20CrNi2Mo、17CrNiM06。一汽集团某汽车改装公司开发了一种新型载货汽车桥，其特点是匹配发动机的功率大。为保证齿轮的使用寿命，对齿轮的材料及质量有了更高的要求，原采用22CrMoH钢制成的后桥主动圆锥齿轮在使用过程中出现早期失效，严重时甚至出现断齿现象。在热处理方面，由于齿轮材料热处理工艺有时不够稳定，部分齿轮的有效硬化层不够，齿轮心部和表面硬度偏低，这些都是导致齿轮早期失效的主要原因。而且，Cr容易形成晶间网状碳化物，有损渗层力学性能。分析发现，齿轮轮齿心部硬度低时，过渡层塑性变形会引起渗碳层产生过高应力，因而导致渗碳层形成裂纹，最后使整个轮齿断裂。为此，根据“斯太尔”汽车桥后桥主动圆锥齿轮使用20CrNi3H钢的良好行车使用效果，应确保齿轮的有效硬化层深度在1.82.2mm，齿轮轮齿心部硬度在3845HRC，齿轮表面硬度在6064HRC，碳化物在13级，马氏体、残留奥氏体在14级，这样可使齿轮的使用寿命提高30%40%。文献指出，试验证明，当热处理后在渗碳层得到完全马氏体时，铬-镍钢比铬-锰钢和铬-钼钢有较高的疲劳性能。含镍钢随着镍量的增加，渗碳淬火后残留奥氏体增加，适当数量的残留奥氏体对接触疲劳性能的影响有现实意义，因为在齿轮工作时接触面有很高的接触应力，在接触载荷的作用下，残留奥氏体发生相变和加工硬化作用，提高了接触疲劳性能。 热处理后在渗碳层中有40%50%残留奥氏体时可以显著提高接触疲劳性能。其中，镍铬钢优于铬锰钢和铬-钼钢。渗层中残留奥氏体对弯曲疲劳性能和接触疲劳性能的影响是不同的，如以弯曲载荷为主，残留奥氏体的数量不要超过25%，如以接触应力为主，则残留奥氏体的数量可以高于这个数值。同时，含镍的钢渗碳后也有较好的冲击疲劳强度和弯曲疲劳强度。含镍渗碳钢的优越性是由于镍可以提高高碳马氏体的塑性。并且在镍-铬钢中含镍量增加将使渗碳层的强度和塑性显著提高，而铬钢中含铬量增加将使渗碳层的强度和塑性降低。镍对渗碳层强度和塑性的影响主要是它影响了马氏体的性能，铬对渗碳层强度和塑性的不利影响主要是因为铬增加了表层含碳量。实践证明，重型汽车后桥主动圆锥齿轮采用20CrNiMoH、20CrNi2Mo等钢制造，行车使用效果也很好。例如，最近一汽集团生产的重型汽车后桥主动齿轮广泛采用20CrNiMoH钢，在热处理金相组织控制方面，碳化物为01级，马氏体为03级，轮齿有效硬化层深为1.72.1mm，齿轮硬度为60-64HRC。原苏联重载汽车后桥齿轮采用Ni-Cr钢(12X2H4A)和Ni-Cr-Mo(18X2HM4A)钢制造，北京钢铁研究所等研制的20CrMnNiMo是用来代替高铬镍渗碳钢的新钢种，已开始用于实际生产。这是一种比较适合我国国情的淬透性能较高的含镍、含锰渗碳钢种。重型汽车后桥主动圆锥齿轮采用的Cr-Ni或Cr-Ni-Mo系列渗碳钢中的Cr、Ni和Mo均有利于提高淬透性，Cr有利于提高齿轮心部淬透性，并提高抗蚀能力。Mo在925时对提高渗层硬化性能特别有利，Mo钢适合于渗碳后直接淬火。Ni可提高渗层的韧度，Ni和Mo综合作用对提高淬透性特别有利，Ni和Mo的匹配使钢在高碳时具有良好的淬硬层均匀性，并提高渗层韧度。因此，钢中含镍时，渗碳后齿轮的各种力学性能优越，但含Ni钢价格高，工艺性能差，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，一般要经过二次加热淬火，以减少残留奥氏体，因此，热处理工艺复杂。20CrNi2Mo钢是一种新型含镍的渗碳齿轮钢，合金元素含量较高，淬透性能较高，热轧成材后，组织为贝氏体，硬度约为240HB。等温退火是一种很有效的降低硬度的预备热处理方法，等温退火温度以640660为佳。齿轮锻坯经等温退火处理后，可获得所要求的平衡组织，即铁素体+珠光体。20CrNiMo、18CrNiWA和20CrNi3等钢热处理工艺性很差，其齿轮锻坯正火后还要经高温回火才能进行切削加工，齿坯硬度达170228HB，金相组织为铁素体和铁素体基体上分布的回火索氏体。其中20CrNi3钢制成的齿轮渗碳后可在650左右进行高温回火，再在810-820进行二次加热淬火处理，以减少残留奥氏体量，使齿轮获得较好的金相组织，即颗粒状碳化物和细针状马氏体+少量残留奥氏体，轮齿心部为低碳马氏体。18Cr2Ni4Mo、20Cr2Ni4等钢的热处理工艺性很差，齿轮锻坯要在630640进行等温退火处理，齿坯硬度为156200HB，金相组织为先共析铁素体+伪共析珠光体，但带状组织的消除效果不够理想。轮齿心部韧性不足，在冲击载荷或较大过载作用下容易断裂。为此，可采用高淬透性高镍20Cr2Ni4钢。20Cr2Ni4由于含Ni较高，而且有很高的强度和韧性，渗碳后硬度及耐磨性很高，淬透性也高，可用来制造承受高负荷的渗碳件，适用于高速、重载，有冲击和外型复杂的齿轮。18Cr2Ni4Mo和20Cr2Ni4齿轮材料作为高合金渗碳钢，由于含Ni较高，为减少渗碳淬火后的残留奥氏体，可采用渗碳后高温回火，最后在800左右进行二次加热淬火处理，以减少残留奥氏体量。有时为了消除网状碳化物、细化晶粒，也可采用二次淬火工艺。齿轮用钢的冶金质量检验标准及技术要求1 化学成分合金结构钢化学成分应符合GBT3077-88合金结构钢技术条件中的有关规定，保证淬透性结构钢化学成分应符合GB/5216-85保证淬透性结构钢条件中的有关规定。检验标准执行GB223。2 纯净度钢材氧含量2.0X10-53 低倍组织一般疏松2级，中心疏松2级，偏析2.5级。检验标准执行GBl779-80结构钢低倍组织缺陷评级图。4 非金属夹杂物非金属夹杂物按GBT10561-89中级标准检验，A2，B2，C1，D1。氧化物3级，硫化物3级，氧化物+硫化物5.5级。检验标准执行GBT10561-89钢中非金属夹杂物显微评定方法。5 带状组织钢中带状组织3级。检验标准执行GBT13299-91钢的显微组织评定方法。6 晶粒度经930X3h渗碳后空冷，奥氏体晶粒度5级。检验标准执行GB6394-86金属平均晶粒度测定法。7 末端淬透性根据齿轮具体使用要求，按淬透性带订货，同炉钢中最大离散值为4HRC。检验标准执行GBrF225-88钢的末端淬透性试验方法。齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。齿轮传动通过轮齿互相啮合来传递空间任意两轴间的运动和动力，并可以改变运动的形式和速度。齿轮传动使用范围广，传动比恒定，效率较高，使用寿命长。 在机械零件产品的设计与制造过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗。如果齿轮材料选择不当，则会出现零件的过早损伤，甚至失效。因此如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。 满足材料的机械性能 材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。 例如，在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高30-50HBS，这是因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄，强度低于大齿轮。为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。 另一方面，根据材料的使用性能确定了材料牌号后。要明确材料的机械性能或材料硬度，然后我们可以通过不同的热处理工艺达到所要求的硬度范围，从而赋予材料不同的机械性能。如材料为40Cr合金钢的齿轮，当840-860油淬，540-620回火时，调质硬度可达28-32HRC，可改善组织、提高综合机械性能；当860-880油淬，240280回火时，硬度可达46-51HRC，则钢的表面耐磨性能好，芯部韧性好，变形小；当500-560氮化处理，氮化层0.15-0.6mm时，硬度可达52-54HRC，则钢具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲劳强度，较高的抗蚀性和抗胶合性能且变形极小；当通过电镀或表面合金化处里后，则可改善齿轮工作表面摩擦性能，提高抗腐蚀性能。 满足材料的工艺性能 材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。 例如汽车变速箱中的齿轮选择20CrMnTi钢，该钢具有较高的机械性能，在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为58-62HRC，芯部硬度为30-45HRC。20CrMnTi的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。此外，20 CrMnTi还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火。且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据齿轮的工作条件选用20CrMnTi钢是比较合适的。 材料的经济性要求 所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。我们可以从以下几方面考虑： 从材料本身价格来考虑。碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。 从齿轮生产过程的耗费来考虑。首先，采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样，如12CrNi3A钢渗碳表面淬火的费用要比氮化处理的费用少得多，而碳氮共渗又具有生产周期短和成本低的特点。其次，通过改进热处理工艺也可以降低成本。如某齿轮工作时在高速、中载且承受中等冲击条件下，原选用中合金高级渗碳钢18cr2Ni4WA材料，其经过910-940渗碳，850淬火，180-200回火后机械性能的抗拉强度1177Mpa、屈服强度834Mpa、延伸率10、断面收缩率45，冲击韧性980kJm2，硬度为58-62HRC。虽能满足齿轮的使用性能和工艺性能，但零件的价格高。现选用价格相对便宜的低碳中合金、中淬透性渗碳钢20CrMnTi。经过910-940渗碳，870淬火，180-200回火后机械性能的抗拉强度1100Mpa、屈服强度850Mpa、延伸率10、断面收缩率45，冲击韧性680，硬度为58-62HRC。仅此一项改进，材料费用不仅大大降低，而且满足了其使用性能和工艺性能。第三，所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理。随着齿轮形状、尺寸和材料向着多品种、多系列和个性化的方向发展，尤其是在型号多、产量小时，在齿轮锻造、机加工和热处理等生产工艺方面，存在着设计量大，生产周期长、效率低、成本高、能耗大、管理难和质量不易保证等不利状况，因此在齿轮选材时精选、优选和压缩材料牌号和规格有利于提高选材通用化、系列化和标准化程度，提高材料的利用率，提高材料采购的计划性，以减少库存积压、加快资金流动，方便储存和保管以及降低材料的成本消耗。最后，我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。如模锻件生产的模锻工艺已突破传统工艺的要求，在提供成型毛坯时，可利用少无切削工艺，模锻与机械精加工相结合，部分或全部取代切削加工直接生产零件，或在生产中采用成组技术与工艺，也可提高产品质量、生产效率和降低成本。 结束语 综上所述，在选择齿轮材料时。必须了解我国工业发展形式，结合我国资源和生产条件，从实际出发，全面考虑机械性能、工艺性能和经济性等方面的问题，只有合理选材才能保证齿轮质量、降低产品成本，从而提高市场竞争力。本篇文章来源于 “中国金属加工在线” 转载请以链接形式注明出处 网址：/html/200703/0323/20070323112649759.shtml20CrMnTi，渗碳钢，也可做为调质钢使用。特性：淬火低温回火后，综合力学性能和低温冲击韧性良好，渗碳后具有良好的耐磨性和抗弯强度，热处理工艺简单，热加工和冷加工性好，但高温回火时有回火脆性倾向。应用：是应用广泛，用量很大的一种合金结构钢，用于制造汽车拖拉机中截面尺寸小于30mm的中载或重载、冲击耐磨且高速的各种重要零件，如齿轮轴，齿轮，十字轴，滑动轴承支撑的主轴，蜗杆，爪牙离合器，也可以代替20SiMnVB，20MnTiB使用摘要：低碳马氏体技术包括低碳马氏体材料技术，低碳马氏体理论技术和低碳马氏体工艺技术。在我国已有近50年的研发应用历史。随着理论研究越来越深入，应用的领域也越来越广阔。淬火后获得更多的甚至全部低碳马氏体组织，是提高零部件力学性能；延长零部件使用寿命的关锌。低碳马氏体技术是一项节约钢材，节约资源和能源，保护环境的先进技术。 关键词：低碳马氏体技术；节约钢材；节约资源和能源；保护环境 低碳马氏体(也称板条马氏体、位错马氏体、块状马氏体、立方马氏体、高温马氏体)，具有相当高的强度(硬度达4550HRC，屈服强度达10001300MPa和抗拉强度达12001600MPa)，很好的塑性(A10、z40)和韧性(Akv59J)，以及良好的冷加工性、可焊性和热处理形变小等优点。因此，低碳马氏体的应用日益广泛，成为发挥钢材强韧性潜力，延长机器零件寿命的一个重要途径。 从上世纪60年代初，西安交大周惠久教授就开始了对低碳马氏体及其综合力学性能的研究、试验工作；与此同时，在上述研究成果的基础上，我国石油行业率先应用低碳马氏体技术，采用15CrMo低碳合金钢经强烈淬火，获得低碳马氏体，代替价格昂贵的PCrNi3Mo炮钢，制造57103型射孔枪，获得了成功。经过近50年时间的发展，我国对低碳马氏体的研究越来越深入，应用推广的领域越来越广阔，取得了可喜的成果。低碳马氏体已成为一门先进的科学技术。 1低碳马氏体技术的概念与内容 低碳马氏体技术包括：低碳马氏体材料技术，低碳马氏体理论技术，低碳马氏体工艺技术。 1.1低碳马氏体材料技术 应用低碳马氏体技术，首先是掌握材料选择的技术。凡是含碳量小于0.25的非合金钢(碳素钢)，低碳低合金结构钢经强烈淬火，可获得80以上甚至100低碳马氏体组织，这类钢统称为低碳马氏体材料，既低碳马氏体钢。一般情况下，碳含量0.150.25范围内淬火强化效果好，综合力学性能高。 对低碳马氏体材料的选择，主要依据零部件的技术要求，使用状态和截面尺寸。力学性能要求较低，截面尺寸小(30mm)的零部件可选择淬透性低的20、25、20Mn、20Mn2、20Cr钢；力学性能要求较高、截面尺寸较大(50mm)的零部件可选择淬透性较高的20CrMnTi、20MnVB、20MnTiB钢等。 1.2低碳马氏体理论技术对低碳马氏体具有高的力学性能(特别是强韧性)的理论研究主要归纳为以下几条：低碳马氏体的亚结构是高密度的位错。低碳马氏体在电子显微镜下的特征是马氏体条内具有高密度的位错经电阻法测量估计约(0.30.9)1012cm2，因此也称位错型马氏体。这是低碳马氏体具有高的力学性能(特别是强韧性)的主要原因。低碳马氏体的晶体结构是体心立方晶格。在一些合金钢中，测定0.2C马氏体为立方结构，这是低碳马氏体中碳原子偏聚(自回火)的结果，现确定0.2C的马氏体为体心立方晶格。由于低碳马氏体的晶格仍然是奥氏体的体心立方品格，晶格畸变很小，所以低碳马氏体具有微变形、不开裂的特点。低碳马氏体板条及板条间有残余奥氏体。低碳马氏体板条及板条之间有明显残余奥氏体薄膜，经电子衍射谱标定为马氏体和母相奥氏体，无界面碳化物析出。因此，可见这种组织具有很好的强韧性。低碳马氏体具有“自回火”特点。低碳钢由于Ms点温度较高(350)，淬火时得到的低碳马氏体，在淬火冷中途便得到回火，获得回火马氏体组织，使钢的强度及韧性均得到提高。这种方法为软钢强韧化的有效方法，称为。“淬回火”(自回火)。1.3 低碳马氏体工艺技术低碳马氏体工艺技术主要有以下特点：淬火加热温度Ac3+100。从淬火强化的效果考虑，适当提高淬火加热温度，Ac3+100，有利于奥氏体的均匀化，细化晶粒，提高钢的淬透性，缩短加热时间。另外，低碳马氏体淬火强化效果，不仅取决于淬火加热温度，而且也取决于零部件淬火时的温度。淬火冷却要激冷、深冷既强烈淬火。低碳钢或低碳低合金钢在强烈淬火水淬，W(Nac1)510水溶液淬火或(NaoH)10水溶液淬火后可获得低碳马氏体。低碳、低合金钢结构钢采用强烈淬火不会产生淬火裂纹。而低碳中、高合金钢由于碳当量较高(0.45)淬火冷却时应采用适当的冷却方法和冷却介质。如：水空，水油或油冷。低碳马氏体淬火后可不经回火而直接使用。零部件截面尺寸越大，淬火后硬度越高。中碳、中碳合金结构钢零部件截面尺寸越大，淬火后硬度就越低，而低碳马氏体工艺技术的又一特点就是：零部件截面尺寸越大，淬火后硬度越高。应用低碳马氏体技术，不仅可以显著提高零部件的力学性能质量，延长零部件使用寿命，而且可以显著节约钢材、节省能源和资源，有利于保护环境。这是一项值得推广应用的先进的科学技术。2 低碳马氏体技术在模具中的应用由于低碳马氏体具有很高的综合力学性能，以及良好的冷加工性、可焊性和热处理畸变小，不开裂等优点。因此，如何使模具钢的淬火组织中得到更多的、甚至全部低碳马氏体，是提高模具强韧性，延长模具使用寿命的关键。近年来，一些国家已在模具钢标准中列入了低碳马氏体模具钢；例如，冷作模具钢有：ISO4957-1999冷作合金工具钢标准中5CrMo4钢(0.07C)、7CrMoNi2钢(0.10C)、20Cr13钢(0.16-0.25C)；德国工具钢种：21MnCr5钢(0.16-0.24)，X6CrMo4钢(0.07C),15NiCr18钢(0.10-0.17C)。热作模具钢有：美国的H25钢(0.25C)，德国的21CrMo10钢(0.16-0.23C)，和法国的20MoNi34-13钢(0.18-0.23C)。特别是美国ASTMA681-1999合金工具钢标准已单独列出P系列(P1P6、P21)低碳模具钢(0.07-0.21C)。我国也有不少应用低碳马氏体技术制造模具的实例。2.1 20钢锯齿锁紧垫圈冷冲模该冷冲模用于冲压65Mn钢钢带(179217HBW)。原采用T10钢(4850HRC)，使用寿命1500次；后采用Cr12MoV钢(4850HRC)，使用寿命3000次；而采用20钢(4648HRC)，使用寿命高达34万次。其热处理工艺为：(91010)加热，10Nac1盐水冷却，不回火(淬回火)直接使用，成本低廉。2.2 20CrMnTi钢压制铝套冷挤压模巨力集团生产的D16、D20型压制铝套钢丝绳冷挤压模，原采用CrWMn钢，淬火回火后硬度为4550HRC，尽管硬度要求在冷挤压模中较低，但是由于CrWMn钢碳化物不均匀性比较严重，很难避免网状，带状碳化物，因此造成崩刃、开裂而早期失效，使用寿命仅为1000多件，有的仅几百件甚至几十件。选用20CrMnTi钢制作D16、D20铝套冷挤压模，经950加热，盐水淬火后，不回火(淬回火)直接使用，模具硬度为4648HRC，压制铝套2000多件，仍能使用。目前巨力集团已批量应用此项工艺技术。2.3 20Cr钢索节扣体热锻模巨力集团生产的拉索冷铸锚杯索节扣体是斜拉桥关键受力固定端锚具，技术要求必须是锻件。由于合同订货数量仅88件，因此采用强韧性高，耐冲击，有一定热强性的20Cr钢制造索节扣体热锻模。热处理工艺为：920加热，10Nac1盐水淬火，430该工艺不仅消除了淬火软点，提高了模具淬透性，而且可以提高模具屈服强度和冲击韧性，保证模具使用寿命。经上述工艺处理的索节扣体热锻模，平均硬度40HRC，金相组织为较细的板条马氏体，完成合同生产任务后，仍能继续使用。3 低碳马氏体技术在调质件中的应用我国应用低碳低合金钢淬成低碳马氏体并低温回火来代替中碳合金钢的调质处理，获得可喜的成就。成为发挥钢材强韧化潜力，延长机器零件寿命的一个重要途径。3.120Cr钢低碳马氏体强烈淬火，代替40Cr钢调质处理。20Cr钢经920加热后，淬入W(Nac1)10水溶液；3502h回火，各方面性能均优于40Cr钢淬火+500回火调质处理的性能。用20Cr钢可以取代40Cr钢制造钻杆锁接头，因而可减少甚至可避免滑扣失效。由于具有高的塑性，断裂韧度和多冲抗力和冷脆化温度较低(tk-70)，可显著提高钻杆锁接头的使用寿命。3.220钢低碳马氏体强烈淬火，代替45钢调质处理。3.2.1采用20钢钢管代替45钢调质制造链板运输机的方套。20钢钢管经9007min淬火(Nac1)10水溶液，16030min回火，硬度4246HRC，强度比45钢调质提高40，简化了工序。装配时不发生破裂，变形小，提高了产品质量，生产效率提高了一倍以上。3.2.2采用20钢代替45钢调质制造升降臂连接销。升降臂连接销，原采用45钢，调质处理，部分零件两头6mm孔产生裂纹；采用20钢，10005min，碱水冷却，没有裂纹。3.2.3采用20钢代替45钢调质制造分离定位销。分离定位销原采用45钢调质，在淬火后的孔与台阶处产生裂纹；改用20钢，10005min，碱水淬火冷却，没有裂纹。3.320CrMnTi钢低碳马氏体强烈淬火代替40CrMnTi钢调质 20CrMnTi钢不仅力学性能质量比40CrMnTi钢高，不产生裂纹，而且材料成本低、生产效率高。4低碳马氏体技术在高强度螺栓中的应用随着我国经济建设的发展，汽车工业、机械工程、大型建筑工程和桥梁工程等重点项目越来越多。市场对高强度螺栓的需求以每年40幅度增长。并朝着高强度(13.9级、14.9级)大规格(60mm以上)方向发展。4.115MnVB钢高强度螺栓在汽车发动机上的应用汽车发动机缸盖上的螺栓，原设计采用40Cr钢制造，随着发动机马力增加，螺栓最大拉力的设计要求，由原来的8t提高到10t以上。40Cr钢已不能满足设计要求。采用15MnVB钢低碳马氏体强化，代替40Cr钢制造螺栓，达到设计要求。而且15MnVB钢的冷墩性能好，基本不开裂。生产效率高，废品率低。4.220MnSi钢高强度鱼尾螺栓高强度鱼尾螺栓是铁道无缝线路配套使用的紧固件。它要求高的强度和良好的塑性，韧性相结合，低的缺口偏斜敏感度和较低的冷脆转化温度。经采用20MnSi钢低碳马氏体强化，其螺栓使用寿命比原设计的40B钢螺栓提高1倍。而且20MnSi钢每吨价格比40B钢低260元。4.320钢高强度缸盖螺栓缸盖螺栓原采用45钢调质处理，硬度2430HRC，淬火时经常发生12左右的螺栓纵向裂纹而报废，且螺纹易滑牙。改用20钢经91012min加热，淬盐水，2002h回火，表面硬度4043HRC，心部硬度为3035HRC。在最大装配旋紧扭力下，伸长率均0.09，而调质状态45钢一般为0.16。表命比45钢提高3540，热处理合格品率100。4.420MnTiB钢12.9级高强度螺栓某建筑工程用M60大规格12.9级高强度螺栓，原采用42CrMo钢制造，但综合力学性能不合格，特别是塑性，韧性较低。经过技术攻关后，采用20MnTiB钢，经低碳马氏体强烈淬火，低温回火后，综合力学性能符合技术要求。不仅强度高，而且塑性、韧性也好，充分发挥了低碳马氏体高的强韧性的特点。5低碳马氏体技术在铁路钢轨上的应用钢轨是铁路轨道运输的重要部件，承担着引导车轮、传递载荷的功能。是发展高速、重载以及实现繁忙铁路运输安全的基础。随着铁路重载运输的进一步发展，如列车轴重大于350KN，单列货车运量达到几万吨，要求钢轨进一步提高强韧性。鉴于珠光体钢轨已接近研发极限，材料工作者将研发的目光集中到低碳马氏体。近年来，英国英钢联公司研究开发了轨头硬度达445HBW(47HRC)的低碳马氏体钢轨钢，并申请了专利。尽管该钢种的耐磨性能与珠光体型热处理钢轨相似，但韧性却高很多。低碳马氏体钢轨不仅强度高，耐磨性好，而且塑性、韧性高。特别是低温冲击韧性高，-20冲击吸收功Akv可达100J左右。40冲击吸收功Akv可达50J左右，比共析钢钢轨高几倍。另外，低碳马氏体钢轨焊接性能比珠光体型共析钢钢轨好得多，可满足焊接长钢轨无缝线路的焊接性能要求。采用低碳马氏体钢轨代替珠光体共析钢钢轨，可以说是铁路钢轨一百多年发展史上的一场技术革命，必将会显著降低钢轨脆性断裂(特别是冷脆性)事故的发生，保证钢轨的安全性，可靠性，提高钢轨的使用寿命，保障铁路的畅通。6低碳马氏体技术在矿用高强度扁平接链环中的应用矿用高强度扁平接链环是煤矿井下采煤机，创煤机和刮板输送机上的牵引用圆环链条相互连接的关键的元件。其质量的好坏不仅关系到综合采煤设备的可靠性，更关系到煤矿工人生产的安全。因此，曾被原国家煤炭部列为关键易损零部件质量攻关项目之一。采用20MnVB钢制作接链环，应用低碳马氏体特殊热处理工艺技术，不仅取消了接链环锻件毛坯正火和淬火后的回火二道工序，而且采取了盐浴高温快速波动淬火工艺技术(见图1)。6.1采用高温形变正火，取消接链环锻件毛坯普通正火有关文献指出：高温形变正火是钢材或工件毛坯在锻造(或轧制)时，适当降低终锻(轧)温度(常在Ac3附近，或在Ac1以下，以避免再结晶过程的严重发展)，之后空冷的复合热加工工艺。进行高温形变正火的主要目的，不在于提高钢的强度，而在于提高材料的冲击韧性，抗磨损能力，疲劳抗力；同时降低钢的脆性转变温度。其主要原因在于：大大增加了钢中位错线的密度。显著细化钢的晶粒组织。强化细化钢中的第二相粒子的颗粒。提高了钢的组织均匀性。6.2发挥低碳马氏体淬火“自回火”的特点，取消了接链环淬火后的回火工序。有关文献介绍，西安交通大学周惠久教授发表了低碳马氏体的自回火研究一文。周教授等试验了五种低碳钢、低碳合金钢，在不同速度淬火时所得到的低碳马氏体的自回火现象，证实它是一个普通现象。由此从理论上阐明了淬火所得到的低碳马氏体不需要回火即可使用的原因。6.3应用效果 按上述工艺淬火的20MnVB钢2286接链环破断负荷最低590KN，最高达745KN，平均663KN，高于德国DIN 22258标准550KN的要求。34126接链环在大同矿务局马家梁矿与英国长备公司生产的L(3B)1500830型刮板输送机配套使用中，“过煤量”已稳定达到100万吨，最高达130万吨，仍能使用。远远