钢齿轮的热处理工艺设计-论文

20CrMo钢齿轮的热处理工艺设计【摘要】齿轮是机械设备中的关键零件，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，并先后开发一系列新型齿轮材料及先进的热处理工艺。20CrMo钢是制造齿轮的主要材料，于是研究一套以20CrMo为原料的齿轮热处理工艺便是研究任务的重中之重。【关键词】齿轮齿轮钢发展热处理特性缺陷工艺1概述1.1齿轮的材料选择齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件，合理地选择和使用金属材料尤为重要。大致上讲，应主要满足齿轮材料所需的机械性能、工艺性能和经济性要求三个方面：1.1.1满足齿轮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。1.1.2满足齿轮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。1.1.3满足齿轮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：采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样；通过改进热处理工艺也可以降低成本；所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理；我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。1.2齿轮钢齿轮是汽车制造业中的关键零部件之一。汽车齿轮用钢应具有高强度、耐疲劳、耐磨损和良好的尺寸精度。齿轮钢的强度特性包括轮齿的弯曲强度、齿面强度、冲击强度和耐磨性能等。高质量齿轮钢要求淬透性带宽度窄、纯净度高、晶粒细小均匀和较高的抗弯曲冲击力。窄淬透性带宽度的齿轮钢热处理后的弯曲变形量小从而齿轮的修磨量小、啮合精度高。冶炼时化学成分的控制是保证窄淬透性带的关键。钢中的氧含量是影响齿轮疲劳寿命的重要因素，在冶炼过程中应采取降低氧含量的工艺技术。在生产和加工过程中应控制晶粒度，防止出现混晶，从而稳定齿轮性能。然而车辆经常换挡，使齿轮端部受到多次撞击，加之车辆使用时因路况、环境、车速等的不同，齿轮有时在过载和强烈冲击条件下工作，使齿轮出现多种不同的失效形式。因而车辆齿轮在要求的尺寸表面精度、正常的承载和良好的润滑条件下，影响其失效的主要因素除了制造齿轮所用材料的化学成分和冶金质量之外，还与齿轮热处理缺陷有关。据此可以加强齿轮材料热处理技术的研发和应用，从而在车辆行业等方面逐步实现强韧性、轻量化、高效化的目标。齿轮钢使用覆盖面较广，除轿车、货车、农用车和摩托车等车辆齿轮制造使用外，工程机械齿轮使用量也较大。目前我国齿轮钢的年需求量在5O万t以上，从国内市场供需情况看，国产齿轮钢在数量上基本能满足国内汽车及工程机械齿轮的需求。我国汽车用齿轮钢的钢种及系列是与汽车产品技术引进分不开的。如引进德系品牌的桑塔纳、奥迪、捷达轿车技术时，齿轮钢也同时采用了大众企标的Mn—Cr系列齿轮钢。在引进日系汽车品牌的同时，其相关的零部件用材也基本采用了JIS标准和对应牌号。1.3国内外汽车齿轮钢的发展现状我国汽车用齿轮钢的钢种及系列是与汽车产品技术引进分不开的。如引进德系品牌的桑塔纳、奥迪、捷达轿车技术时，齿轮钢也同时采用了大众企标的Mn—Cr系列齿轮钢，在引进日系汽车品牌的同时，其相关的零部件用材也基本采用了JIS标准和对应牌号。当前国内齿轮钢的主体钢种仍是20CrMnTiH。配合国内汽车工业引进而试制的新产品有Cr系、Cr—Mo系、Ca—Mn系、Ca一Mn一B系、Cr一Ni—Mo系、Cr—Mn—Ni系等20多个钢种。其产量基本能满足国产化的要求并对齿轮钢的结构调整起了先导作用。引进钢号的新产品试制也基本上是按国外企业标准订货而后组织生产，与老产品相比，标准要求高得多，主要表现在以下方面：a．淬透性，奥迪、桑塔纳、切诺基、捷达轿车及153中型载货车用齿轮钢要求单点控制，带宽≤7HRC；标致、富康轿车及斯太尔重型车要求全带(多点)控制，带宽≤4—7HRC。b．纯净度，氧含量≤0.02,B系夹杂《2级。c．S及Al含量，硫含量处于0.0150％—0.035％之间或0.025％—0.040％之间；铝含量处于0.015％—0.040％之间。国外汽车齿轮钢是在通用的渗碳结构钢基础上开发的，有Cr系、Cr—Mn系、Cr—Mn—B系、Cr—Mo系、Cr—Ni—Mo系、Q—Mn—Ni系多种系列。在德国渗碳钢标准Dl72l0中合金钢有8个钢号，有Cr系、Cr—Mn系、Cr—Mo系、Q—Ni—Mo系。其中用得最多的是Q钢和Cr—Mn钢。我国从德国引进的奥迪、桑塔纳和捷达轿车用的齿轮钢为Cr钢和Q—Mn钢。它们除符合DIN17210标准的一般要求外，还要符合德国大众公司的标准要求。德国大众公司用的齿轮钢有如下特点：a．根据齿轮的工况和尺寸大小选择不同的钢号，例如奥迪轿车变速箱的主动齿轮、从动齿轮就分别选用上述标准中的4221、4l29和4l25钢号。b．钢材的淬透性范围窄。一般为8—7HRc。而且要求同一批投料要在4HRC以内。主要是为了控制齿轮热处理后的变形。这比DIN17210中规定的要严得多，也比国内齿轮钢的淬透性带窄得多。c．含硫量控制在0．02O％—0．035％。这是为了改善钢材的切削性能，而不像国内标准那样仅规定上限，如S≤O.035％，这意味着越低越好。d．含硅量要求严，Si(％)≤O．12。这是为了改善渗碳层组织和性能比DIN17210(0．15％—0．35％)和国内规定(O，l7％—0．37％)都要严格。e．通过控制钢中含铝量(0．02％—0．055％)来控制钢材晶粒度。国产20Mn是通过加钛来细化晶粒，但加工易形成TiN夹杂物丽降低齿轮的接触疲劳寿命。用铝控制晶粒度可以避免这种缺点。f．对钢的纯净度有较高的要求。这是为了提高齿轮的疲劳寿命。采用K法来评定钢中夹杂物。为了保证钢的纯净度，要控制钢中含氧量，通常要求小于0.000015。日本工业标准JISG4052保证淬透性的结构钢中含碳量低的Mn钢、Cr钢、Cr—Mo钢、Cr—Ni钢和Cr—Ni—Mo钢都可作渗碳齿轮钢使用，但是用得最普通的还是Cr钢(SCr420H)和Cr—Mo钢(SCM420H)。这些钢号在成分范厨、性能要求及纯净度方面比我国的合金结构钢标准的同类钢号都有更为严格的要求。1.4汽车齿轮钢的质量要求汽车齿轮材科与其他许多工程材料一样，要求经济耐用、工艺性能和使用性能良好。除了强度、韧性等共性要求，齿轮材料还有其特性要求。在长期的生产实践中总结出最基本的三项要求是特定的淬透性及窄的淬透性带宽，高的纯净度和细的晶粒度。1.4.1淬透性根据齿轮的工况条件和有效截面来选择与之相匹配的淬透性的材料，不仅对满足使用性能是重要的，而且对于减小热处理变形也是十分必要的。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，淬透性带宽的大小很大程度上影响热处理变形。为此近年来齿轮行业对钢厂提出了越来越严的要求。但是，为了减少热处理变形，齿轮制造厂本身也加强了内部技术管理，针对不同有效截面的齿轮进行了合理选择。例如，选择不同的合金系列或者同一合金系列改变碳含量来保证不同有效截面齿轮对淬透性微量的不同要求。国外对常用_的代表性钢种都建立以碳为核心的系列，例如美国的“86'’系列，从8615开始到8630，仅仅改变碳含量就分成7个钢号。德国的锰铬系列就有16MnCr5、20MnCr5、25MnCr5、27MnCr5等。法国有l6CD4、20CD4、25CD4、28CD4等。相比之下，我国年用量达数十万吨的20CrMnTi，却没有自己的系列，这是值得研究和完善的。1.4.2纯净度钢的纯净度要求，主要是指氧化物夹杂含量的降低及除s以外其他有害元素的降低(齿轮钢中有时需保持一定的硫含量以改善切削性)。氧化物夹杂对齿轮的疲劳性能，特别是接触疲劳有显著的危害作用。氧化物夹杂总量的高低，直接决定于氧含量的高低。降低钢中氧含量的主要方法是真空处理。此外．为了提高纯净度，减少有害夹杂物，不用H作为齿轮钢的合金元素也是很重要的。因为过量的在钢中易形成颗粒大、带棱角的TIN，是疲劳裂纹的发源地。这是Cr—Mn—Ti这一类钢疲劳寿命不高的主要原因。因此，工业发达国家标准中都没有含的齿轮钢，如原西德莱希钢厂的内控标准中明确规定不得大于0．01％，足见Ti的夹杂物对疲劳性能的危害已经引起各国的高度重视。1.4.3晶粒度晶粒尺寸大小是齿轮钢的又一项重要指标，因为粗粒的晶粒使渗层碳浓度相对增高导致脆性增加，使弯曲强度下降，齿面容易剥落。如果出现混晶，有可能使齿牙之间的热处理变形失去规则而无法配对。晶粒细化主要通过舔加一定量的细化晶粒元素如Al、Nb等来达到。另外通过生产厂、用户厂、科研单位联手也是可以解决的。由于上面提到的原因，在要求疲劳性能的钢中，是不宜用来细化晶粒的。因此，晶粒细化主要靠适量的Al来保证。以细化晶粒的钢，从冶金方面保证既定的成分，只是细晶的基础，实际产品的晶粒能否细化还要取决于炼钢后的锻、轧热处理工艺是否顺应AIN的溶解一析出规律。因此在研究生产中出现的粗晶或混晶问题时，不仅要看钢中Al量和与之相匹配的N量是否合适，同时也要看相应的工艺是否合理。2热处理工艺2.1齿轮钢常用热处理工艺1．表面淬火常用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr钢等。表面淬火后，齿面硬度一般为40～55HRC。特点是抗疲劳点蚀、抗胶合能力高，耐磨性好。由于齿心部末淬硬，齿轮仍有足够的韧性，能承受不大的冲击载荷。2．渗碳淬火常用于低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr钢等。渗碳淬火后齿面硬度可达56～62HRC，而齿心部仍保持较高的韧性，轮齿的执弯强度和齿面接触强度高，耐磨性较好，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。齿轮经渗碳淬火后，轮齿变形较大，应进行磨齿。3．渗氮渗氮是一种表面化学热处理。渗氮后不需要进行其他热处理，齿面硬度可达700～900HV。由于渗氮处理后的齿轮硬度高，工艺温度低，变形小，故适用于内齿轮和难以磨削的齿轮，常用于含铬、铜、铅等合金元素的渗氮钢，如38CrMoAlA。4．调质调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、35SiMn钢等。调质处理后齿面硬度一般为220～280HBS。因硬度不高，轮齿精加工可在热处理后进行。5．正火正火能消除内应力，细化晶粒，改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可采用中碳钢正火处理，大直径的齿轮可采用铸钢正火处理。2.2齿轮材料的主要热处理特性2.2.1淬透性含义:指钢接受淬火而获得马氏体的能力，不同钢种接受淬火的能力不同。淬透性不同的钢，淬火后得到的淬透层深度不同，从而沿截面分布的金相组织以及机械性能也不同。淬透层深度是指由淬火表面马氏体到50%马氏体层的深度。全部淬透的工件通常表面残留着拉力，容易产生变形和开裂，同时对工作的疲劳性能也不利。设计时考虑要点：1.零件尺寸越大，内部热容量越大，淬火时零件的冷却速度越慢，因此，淬透层越薄，性能越差，这种现象叫做“钢材的尺寸效应”。所以，