我国齿轮材料及其热处理技术的最新进展

1 我国齿轮材料及其热处理技术的最新进展 我国 齿轮材料 及其热处理技术的最新进展 众所周知，齿轮是机械设备中的关键零件，要求齿轮既具有优良的耐磨性、又要具备高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能，齿轮质量的优劣直接关系到整个设备的使用寿命。而齿轮质量的好坏在很大程度上取决于 齿轮材料 及其热处理工艺。因此，国内外与齿轮制造相关的厂家都极为重视 齿轮材料 及其热处理技术的研究开发，并先后开发出一系列新型 齿轮材料 及先进的热处理工艺 1 4。本文重点介绍近年来我国在 齿轮材料 及其热处理技术开发方面所取得的最新进展。 1、 齿轮材料 镍或低镍钢 齿轮材料 为满足煤矿严酷的工况条件，国外煤矿机械重载齿轮多采用含镍及钼的 齿轮材料 。近年来，我国多数国产煤矿机械的重载齿轮大都采用 18。该钢种的采用基本上消除了断齿等早期失效现象，但这种材料价格偏高，且热处理工艺复杂。中国矿业大学对无镍齿轮钢 158行了试验研究 5，结果表明，上述无镍和低镍齿轮钢的静强度及渗碳淬火后的静弯性能与 18接近；前者的冲击韧性值甚至优于 18镍基低镍钢的 疲劳性能也可与 18媲美。目前， 18已在 160速器上使用，效果良好。 煤炭科学研究总院太原分院在采掘机械重载 齿轮材料 的选择方面也就无镍齿轮钢 15低镍齿轮钢 18替 18题进行了深入的研究 6，结果表明， 18全可以代替 18 碳空冷贝氏体钢 天津盛昌齿轮有限公司和天津热处理研究所联合对低碳贝氏体钢及其渗碳工艺在轿车齿轮上的应用进行了深入研究，结果表明，低碳空冷 贝氏体钢经 930 渗碳 2h，强渗与扩散时间比为 1 比 1。工件表面含碳量为 对比试验表明，低碳贝氏体钢经过渗碳气淬后，工件变形量明显小于 20。低碳贝氏体钢不但渗碳工艺性能良好，力学性能优良，而且可采用渗碳气冷淬火从而减少小轿车齿轮渗碳淬火变形量，并可较经济的提高其制造精度和性能，对轿车变速器齿轮、后桥齿轮等零件具有重要推广应用价值 7。 贝氏体渗碳钢 西北工业大学 8研制成功的系列准贝氏体钢，具有高强高韧、工艺简单、成本低廉等优点，已得到广泛应用。为了将其用于渗 碳零件，又设计出准贝氏体渗碳钢 具有优异的综合力学性能。将 贝氏体钢用于某汽车输出轴五档齿轮，渗碳油冷后根据汽车齿轮相关标准，对随炉试样进行评定检测，结果符合有关技术要求。将准贝氏体钢齿轮装车路试，行车一定历程后拆下进行检验，发现齿轮跨球距在跑车前后基本无变化，啮合齿面光滑无麻点。试验表明， 可替代一些含镍较多的优质合金渗碳钢。 钢齿轮 在齿轮的设计制造中 ,常采用含碳量约 碳钢或合金钢 ,如 :10 570、 640、 。铸钢的机械性能不及锻轧制钢材 ,但流动性较好 ,铸钢的强度虽与球墨铸铁相近 ,但其冲击韧性和疲劳强度均比球墨铸铁高得多。因此 ,铸钢常用于制造对强度要求不很高 ,但形状复杂、直径较大的齿轮 9。 铁齿轮 态球铁齿轮 10 油田抽油机用球铁齿轮毛坯一般重 130 1400面厚度 40 60求力学性能达到 2 要求，但齿面硬度须达 70。目前，在生产类似于抽油机球铁齿轮铸件时，通常要通 2 过热处理来保证性能 要求。国内江北铸造厂曾试验生产抽油机铸态球铁齿轮，合格元素主要为 b,但齿面硬度偏低，仅为 40。为了生产出性能、齿面硬度达到要求的球铁大齿轮，大庆总机械厂采用廉价合金代替钼铁，生产出铸态球铁齿轮，在达到力学性能要求的同时降低了铸件废品率。生产实践表明，铸态高 铁非常适合于生产大型高硬度齿面抽油机齿轮，可获得明显的技术、经济效益。 温淬火球铁齿轮 为了降低振动噪声，郑州金牛集团公司开发了性能符合要求，韧性高的等温淬火球铁齿轮 11。试验结果表明，与 45 钢相比 ，由于等温淬火球铁的扬氏模量低于 45 钢，从而减少啮合冲击，使齿轮噪声大大降低；等温淬火球铁齿轮具有优良的抗点蚀能力和弯曲疲劳强度。在金牛集团生产的 油机上使用，效果良好，降低了齿轮制造成本。 美国康明斯公司 B 系列柴油机采用瑞士 司提供的等温淬火球铁齿轮。东风汽车公司引进 B 系列柴油机产品专利后，也已自行开发出等温淬火球铁齿轮的生产工艺 12。 贝球铁齿轮 奥 一种综合力学性能优异的新型工程材料。由于它不仅具有高的强度 ，高的耐磨性，而且还有较好的塑性与低温韧性。引起世界范围内工程技术界的高度重视和关注。各种齿轮是 重要应用领域。据报道，采用 造卡车后桥齿轮和拖拉机末端传动齿轮均取得了较好的经济效果和技术效果。 所以能够代替锻钢作为 齿轮材料 ，是因为和锻钢齿轮相比 有以下几方面的特点：奥贝球铁齿轮具有比调质钢好的齿根弯曲疲劳强度，经喷丸强化后的奥贝球铁齿轮的齿根弯曲疲劳强度可进一步提高，达到钢的最好水平。奥贝球铁齿轮的齿面接触疲劳强度优于调质钢和氮化钢。奥贝球铁的耐磨性明显高于调质钢和等温淬火钢。由于 度比锻钢小约10，所以整个重量可以减少 10左右。 轮中由于石墨的存在使其具有良好的减震性，机器运行过程中噪声较小。 奥贝球铁是 70 年代末由中国、芬兰、英国分别研究成功，其在强度、塑性、韧性和耐磨性等方面优良的综合力学性能是其一开始就得到特别的重视。其抗拉强度高于 1000长率可达 10以上，显著高于其它类型的铸铁。其优良的减振性能，高的比刚度和抗冲击能力使其被广泛应用于高载荷重要齿轮等重要零部件。 几十年来，奥贝球铁已成为冶金工作者的研究热点，在许多方面都有了很 大的突破 13、 14。残余奥氏体的检测方法，厚壁奥贝球铁及铸态奥贝球铁的生产技术现已基本得到解决。奥贝球铁的焊接问题、疲劳性和断裂性的研究也正逐步深入。日、德、美等国已制定了奥贝球铁的标准以加速其研究与生产我国二汽及杭州柴油机厂也已生产出奥贝球铁齿轮。奥贝球铁作为一种新型金属材料正得到越来越多的重视，并呈现出美好的发展前景。 一汽无锡柴油机厂结合奥贝球铁齿轮的应用研究，进行了非合金奥贝球铁不同温度等淬的淬透性研究 15。结果表明，各种等淬温度下，直径在 30下的都能淬透，故可保证零件都能淬 成奥淬温度较高时从表面至心部的硬度变化不明显。 江苏理工大学和一汽无锡柴油机厂合作，进行了用奥贝球铁齿轮代替 40质钢齿轮的研制工作，旨在降低柴油机的噪声，提高柴油机齿轮的使用寿命，并探索出适合一汽锡柴实际生产条件的奥贝球铁齿轮生产工艺 16。根据试验结果，齿轮铁液成分范围为（）： ，经（ 90010） 1h 奥氏体化 +（ 37010） 1h 等温淬火后综合性能较好；与其它材料相比，奥贝球铁的加工硬化作用较为明显，上贝组织的加工硬化作用 更强，因而能维持良好的耐磨性和较高的综合力学性能；与 40质钢齿轮相比，奥 ，齿轮侧噪声下降 5h 磨合后，在标定工况下连续运转 200h，齿轮间隙极限还有 余量，所以其磨损性能合格。 东风汽车公司从美国康明斯公司引进 B 系列柴油机发动机的六只传动齿轮（凸轮轴正时齿轮、曲轴正时齿轮、燃油泵齿轮、空压机齿轮、惰轮和机油泵齿轮），原用美国材料标准 碳钢 3 制造，为降低成本，康明斯公司经过 5 年的试验研究，成功的实现了用奥 东风汽车公司从铸造、热处理、机械加工、表面喷丸强化工艺等方面进行了系统的研究，成功完成了美国康明斯 B 系列柴油机发动机齿轮奥贝球铁齿轮国产化工作 17，同时为国内载重汽车发动机齿轮用材质及进一步推广应用于轻、轿车齿轮开辟了一个新的领域。 钢制齿轮价格较高，为了提高齿轮寿命，降低成本，山东生建摩托车发动机厂 18研究试用了贝氏体球铁代替 20制造齿圈类齿轮，取得了显著的经济效益和社会效益。该厂贝氏体球墨铸铁齿轮从 1998 年 10 月小批量在主机厂装车超载使用，半年后又分批进 行了试用，现已批量生产，至 2000 年 10 月底已装车 2 万余辆，无一发现问题。 2、齿轮的热处理工艺 等温退火工艺 随着我国汽车工业朝高质量、大批量方向发展，各汽车制造厂家也越来越重视汽车齿轮锻坯的预先热处理。现代化的大批量生产要求齿坯在预先热处理后能获得均匀的组织和硬度，以保证获得良好的切削加工性能及稳定的淬火变形规律，因此传统的预先热处理方法（退火、正火）已不能满足当前现代化生产的需要，而采用等温退火工艺是较为合理的选择。 杭州一齿轮箱公司 19从 20 世纪末就采用等温退火工艺来 代替原来的正火工艺。实践表明，等温退火后的齿坯能获得较均匀的片状珠光体铁素体组织及较均匀的硬度。经等温退火后的齿坯，具有良好的切削加工性能，减少了刀具的损耗，延长了刀具的寿命。另外也不同程度地稳定了零件最终热处理的淬火变形规律。 感应热处理 频感应热处理 高频感应加热技术已有多年的历史，传统的高频感应加热只是一种单纯的感应加热。利用高频电流对零件局部电阻加热淬火，是 20 世纪 80 年代初美国首先采用的方法。通高频电流时，试样、电触头和感应器连成一回路，感应器下方的试样表面既 是受感导体，又是高频电路中的一段导体。这样，试样局部表面不仅被感应加热，而且还被电阻加热。更换不同的感应器，可以加热不同形状的试样表面。与传统的高频加热相比，试样表面加热电流更集中，密度更大，加热速度更快。用这种方法加热工件表面的功率密度使传统感应加热的数倍，可对试样表面实施高能率热处理。 该工艺加热设备简单，操作和传统感应加热一样方便。用于齿条齿面淬火，通过分析齿条的外观，表面硬度、组织、淬硬层深度及硬度分布得出，有了功率足够的高频机和合理的夹具，调整好工艺，就能淬出合格的零件，而且效率高，无需回 火，是一种节省能源，降低成本的好办法。 重庆长风机器厂对 45 钢齿条进行高频感应电阻加热 20，其工艺参数：灯丝电压 33 34V；槽路电压 9 10极电压 极电流 极电流 热时间 4s；冷却介质为 5 15 溶液，出口压力 火喷水压力 应器与齿面的间隙距离 2 3条经高频淬火后经磁力探伤和肉眼观察没有发现裂纹和烧伤现象。检查齿条中每一个齿的硬度值，齿面的平均硬度是 部淬火区的组 织为回火马氏体，马氏体等级为 5 6 级，合格。 哈尔滨拖拉机配件厂成功地用 40频处理齿轮代替 20碳齿轮，降低了生产成本 21。其工艺为：粗加工调质精加工高频淬火；通过多次冷热配合试验，调整内齿轮热处理前参数 m 值，使其经高频处理后达到技术要求，并严格控制内齿轮条质硬度。采用新工艺生产的 1000 多件内齿轮装车使用情况良好。 感应加热表面淬火的质量与设备的利用率在很大程度上取决于感应器的设计，而感应器的设计主要靠丰富的实践经验。山东德州齿轮公司通过对 油机调速齿轮端面局部高频淬火的工艺试验，设计制作了齿轮端面淬火感应器 22，从而解决了需要平面淬火工件的淬火问题，填补了该公司平面高频加热淬火的空白。生产表明，采用新设计的感应器对 油机调速齿轮实施端面局部高频淬火，工件淬火质量稳定，操作简便，提高了生产效率。 4 高频电阻加热表面淬火（以下简称导电淬火），是利用高频电源和电触头对工件同时进行感应加热和电阻加热，根据集肤效应和感应效应，使工件表面升温到 (3050) 以上，在急剧冷却而使工件表面获得很高硬度的一种表面淬火的方法 23。它既有 加热迅速、生产效率高、节能、适合大批量生产等优点，应用逐步扩大。 上海采埃孚转向机公司主要产品是为国内多种轿车配套的转向机，而齿条是转向机内安全件，目前年产批量约 25 万根。在 37齿条的生产中，采用导电淬火工艺对齿部进行淬火，获得了极大的成功，并取得了良好的经济和技术效益。 频加热喷水淬火 运输机械减速器齿轮直径较大、要求高、齿部硬度 48 53轮外径 宽 45数 种大大直径齿轮工作时负荷较重，齿部要求强度高。采用高频加热淬火硬化浅层， 不以保证强度要求。为此，四川齿轮厂采用中频加热喷水淬火对 40齿轮进行处理，获得良好的效果 24。 其它感应热处理 江苏泰州机械厂对薄壁齿轮采用超音频感应加热淬火，效果显著 25。该厂自 1999 年 6 月投产至今，已生产了近千只，工艺可靠、质量稳定，达到了设计要求。 天津修船技术研究所 1997 年建成激光加工中心，已为船舶行业的船用发电机组大模数齿轮、减速器齿轮进行激光强化，效果良好。清华大学近年来在轻型车凸轮轴螺旋齿轮的激光强化方面取得了较大进展 26。 3、齿轮的化学热处理 轮渗碳 27 30 为了提高 产品变速箱齿轮的强度，郑州勘察机械厂对系列内花键齿轮 405 09、 405 14405 16 进行了渗碳直接淬火处理，取得了良好效果。 郑州纺织工学院 31采用改变工件装炉方式，调整渗碳淬火工艺参数等措施来控制变速箱、变矩器中薄盘类齿轮渗碳淬火变形，结果表明效果良好。 长江液压件厂 32对 17齿轮的渗碳齿轮工艺进行了深入探讨，经多次试验，在适当降低渗碳后期碳势的同时加快工件渗碳后的冷却速度，由空冷改为风冷，阻止大块碳化物的形成 ，以达到所需要的金相组织，且不会造成工件开裂和使变形超差，碳化物级别在回火后可控制在 4 级以内。工件经重新加热淬火后表便硬度达 60 62全符合技术要求。结果表明， 17是一种高强度合金钢，有这种钢生产的齿轮经渗碳后具有良好的综合力学性能。 压真空渗碳 33 标准的低压真空渗碳炉由一个或多个加热渗碳室，一个气淬室，一个装卸料室，一个传送室以及整套的工件传送系统、真空系统、气体循环系统、计算机监控系统等组成。加热渗碳室的工作温度范围为 700 1300 ，不仅适合于 800 1000 的渗碳或碳氮共渗的工艺温度，同时也可对高速钢、模具钢、工具钢工件进行高压真空气淬。气淬室采用高用氮气冷却工件，气淬压力在 2围内可调。一套真空系统能够保证加热渗碳室和传送室真空度达到 50 100围。计算机监控系统可同时控制多个渗碳室中进行的不同工艺。 20世纪 70年代美国 而提出了真空渗碳概念。但是由于当时缺乏对真空渗碳工艺的可变性的认识，以及需要较高的渗碳气分压和强烈气体循环风 扇等条件，单件处理成本较高，因此未能推广开来。 20 世纪 70 年代末，法国、日本等国家开始研究将这一技术进行生产性应用。 1980 年法国 司在 真空淬火炉上添加渗碳装置后进行的试验获得了较满意的效果，并在实验室里初步建立了富化率理论。 1982 年，他们在法国国家热处理学会展示了低压渗碳过程。 1985 年开发出计算机模拟软件，并于 1988 年建造了第一条连续生产线。 1992 年 司为雪铁龙公司的变速器齿轮生产提供了第一台 低压真空渗碳工业炉。 5 为了进一步提高齿轮零件热处理质量，上海 汽车齿轮总厂 1998 年用法国 司的 400型低压渗碳炉对 16从动锥齿轮进行热处理试验。 主要工艺参数： 渗碳温度： 950 加热和均温时间 50碳时间： 扩散时间： 火介质：高纯氮气 淬火压力： 火时间： 15 回火温度： 150 回火时 间： 3h 试验后测得结果为： 表面硬度（ 729； 心部硬度（ 356； 齿面有效硬化层深度（硬度 510 齿面显微组织：碳化物（ 1 级）残余奥氏体（ 2 级）马氏体（ 2 级），无明显非马氏体组织。 试验结果表明，将低压真空渗碳技术用于齿轮的热处理不但确保工件热处理质量，而且可节约能源，保护环境，是一项很有发展前途的齿轮热处理技术。 土低温渗碳 南华大学 34对材质为 20的拖拉机末端传动齿轮稀土低温渗碳处理进行了研究，结果表明，与常规工艺相比，稀 土渗碳可使生产周期缩短 15；处理温度降低 40 ，同时由于稀土元素的渗入使得表面组织明显细化，碳化物形态为弥散度较大的细块状和颗粒；稀土渗碳后的硬度能完全保证产品的技术要求，同时表面硬度及心部硬度均有所提高。衡阳拖拉机厂采用该工艺取得了良好的效果。 青岛第二齿轮厂 35采用稀土渗碳淬火工艺生产了 8 个品种， 8 万多台套汽车螺旋锥齿轮，其内在质量和变形量均达到了控制。齿轮的渗层深度和硬度均达到图纸要求。金相组织全部合格。 碳热油分级淬火 所谓的分级淬火是把钢件奥氏体化后随之浸入温度稍高的或稍低于 钢的 的淬火介质中，当工件各处均达到介质温度时，再将其予以最终缓冷，使奥氏体转变成马氏体。分级淬火齿轮的热应力约比普通淬火低 1/4 左右，又因冷却分两步进行，齿轮各部位组织转变的时差小，所以齿轮的扭曲畸变较小。 据报道，国外齿轮制造业大都采用热油分级淬火，而国内近年来也大量推广该工艺。齿轮分级淬火介质最常用的是硝盐和热油。硝盐冷却能力强，使用温域广，但热油也有某些优点，淬火后工件表面光洁，不择炉型和加热介质，不易污染环境，使用安全方便，因而应用较广。与冷油淬火相比，热油分级淬火工艺有四个显著特点： 1、齿轮 的变形小，此法在提高齿轮精度方面的贡献仅次于以降低加热温度来改善齿轮变形的离子渗氮法； 2、可使钢材淬透性赋予齿轮淬火变形的影响有所减少； 3、可提高薄壁渗碳淬火件的疲劳强度； 4、淬火件内应力小、又是可不再低温回火，节约能源。 江西宜春齿轮厂 36生产的农机齿轮带花键的零件一律采用热油分级淬火工艺。生产实践表明，淬热油后收缩量的极差近为淬冷油的 60，成品内花键 100合格。该工艺的实施对提高齿轮品质具有实际意义。 华北工学院 37提出的齿轮变压低温渗碳技术新工艺可以达到高速渗碳，对于 20轮钢 ，渗碳速度可达 h；采用内部加热方式加热工件，节省了大量能源，降低了生产成本。 速气体氮碳共渗 重庆长江柴油机厂 1对摩托车离合器 45 钢从动齿轮进行了快速气体氮碳共渗工艺试验和大批量生产性考核。结果表明， 580 2h 的快速氮碳共渗工艺可使 45 钢从动齿轮达到化合物层 10m,表面硬度 期生产实践表明，采用该快速气体氮碳共渗工艺，普遍情况下，齿轮实际能获得 15 25合物层很致密且脆性很小。有效硬化层深度可达 0.4 m 6 m 以上。表面硬度普遍在 500 围内。该工艺在国内处于领先水平，达到国外先进产品的水平。 层可控离子渗氮 20 世纪 80 年代中期以来，由于低温化学热处理技术的迅速发展，齿轮制造业也探索了以渗氮技术部分代替渗碳淬火的可能性并取得了可喜进展，尤其是深层可控离子渗氮，在使齿轮综合强度提高的同时，加工精度无明显下降，对于常用的 7 6 级齿轮，渗氮后不必磨齿就可装机使用，从而使一部分高精度齿轮找到了既经济又方便的强化技术，也为进口齿轮备件国产化开辟了另一强化途径。 郑州机械研究所 38在开发齿轮深层可控离子渗氮工艺方面 做了大量的试验研究工作，并取得了明显效果。研究表明，研究开发的深层可控离子渗氮工艺，