專利名稱：高強(qiáng)度汽車用齒輪鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種齒輪鋼，特別是汽車用高強(qiáng)度齒輪鋼。

背景技術(shù)：
近來，隨著汽車輕量化及環(huán)保和節(jié)省燃油等汽車工業(yè)發(fā)展的需求，提高齒輪的設(shè)計(jì)應(yīng)力即要求鋼高強(qiáng)度化已經(jīng)作為國(guó)內(nèi)外汽車齒輪鋼發(fā)展的主要方向，但是，現(xiàn)有引進(jìn)的新牌號(hào)齒輪鋼在使用中往往出現(xiàn)芯部淬透性不足、末端淬透性帶控制較寬等問題，經(jīng)一段時(shí)間使用后將會(huì)出現(xiàn)齒輪性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致用戶更換齒輪困難，并可能產(chǎn)生一系列安全問題，因此提高齒輪鋼性能的穩(wěn)定性成為了當(dāng)務(wù)之急。
迄今為止，22CrMoH鋼(相當(dāng)于日本的SCM822H)已經(jīng)普遍使用于汽車后橋齒輪上，這些齒輪鋼的端淬硬度范圍為33～41HRC、淬透性帶寬≤8HRC、晶粒度要求≥5級(jí)。但是最近幾年的發(fā)展目標(biāo)要求為淬透性帶≤4HRC、晶粒度≥7級(jí)。現(xiàn)有齒輪鋼往往不能滿足這方面要求，關(guān)鍵的問題是成分控制不均勻，奧氏體晶粒度不夠均勻細(xì)小導(dǎo)致其末端淬透性不夠穩(wěn)定。因此，開發(fā)良好的淬透性能(窄的淬透性帶)和晶粒細(xì)小均勻的高強(qiáng)度齒輪鋼成為當(dāng)今鋼種開發(fā)和試制的主題。
現(xiàn)有齒輪鋼如表1所示 表1(wt％) 專利JP 4088148發(fā)明鋼主要通過加入適量的Nb、V以提高其齒根及齒面的疲勞強(qiáng)度，與本發(fā)明鋼相比，其C、Si含量較低，適合于快速滲碳，但強(qiáng)度相對(duì)低于本發(fā)明鋼，且Cr及Mo沒有同時(shí)加入，淬透性提高不足； 專利JP 4083848發(fā)明鋼通過復(fù)合加入Nb、Ni等合金元素以提高齒輪的彎曲及沖擊疲勞性能，但該鋼種Nb含量較低，不足以發(fā)揮Nb的析出強(qiáng)化(固溶Nb)及沉淀強(qiáng)化(碳化鈮)的雙重強(qiáng)化作用，因此Nb的細(xì)化晶粒作用沒有得到充分發(fā)揮，導(dǎo)致其強(qiáng)度略顯不足，同時(shí)該鋼其他合金含量較高，成本增加； 專利JP 4124217發(fā)明鋼通過添加不同含量的Mo、Ni等微合金化元素來細(xì)化鋼的晶粒度，且增加其抗淬火變形能力，但此鋼種的主要目的是提高鋼的韌性及穩(wěn)定性，沒有充分考慮高強(qiáng)度的使用要求； 專利JP 3061348、JP 10017928發(fā)明鋼為強(qiáng)硬化的齒輪鋼(高碳)，添加合金元素主要為了提高齒輪的芯部韌性。
可以看出，該類鋼種一般均需要進(jìn)行后續(xù)滲碳處理，要求淬透性帶必須很窄，以使批量生產(chǎn)的齒輪的熱處理變形較小，配對(duì)率提高，因此必須嚴(yán)格控制那些對(duì)淬透性影響大的元素的成分波動(dòng)。現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)齒輪鋼均存在淬透性不足或淬透性帶控制不夠窄的問題，滿足不了當(dāng)今汽車性能穩(wěn)定高效的要求。另外，我國(guó)Mo、Ni等金屬資源豐富缺乏，價(jià)格昂貴。因此，降低鋼中此類元素的含量有節(jié)能增效的重要意義。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)度汽車用齒輪鋼，具有淬透性優(yōu)異(窄淬透性帶)和晶粒均勻細(xì)小、低成本特點(diǎn)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是， 高強(qiáng)度汽車用齒輪鋼，其成分質(zhì)量百分比為， C0.20～0.40 Si0.20～0.50 Mn0.50～1.00 Cr0.80～1.30 Nb0.015～0.080 V0.015～0.10 Mo0.15～0.55 Al0.015～0.050 其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
本發(fā)明鋼加入Nb改善了鋼材的淬透性和強(qiáng)度，其原因是由于Nb加入后細(xì)化了原始奧氏體的晶粒尺寸，提高了鋼材的綜合力學(xué)性能；Nb在鋼水中的收得率將近100％，合金化準(zhǔn)確，反應(yīng)在性能數(shù)據(jù)上分散度小；另外，Nb的碳氮化物在軋鋼時(shí)可以“釘扎”晶界，阻止晶粒長(zhǎng)大，而固溶Nb在晶界富集濃度高達(dá)1.0％以上(原子比)，晶內(nèi)較低，所以它具有雙重強(qiáng)烈拖拽晶界移動(dòng)的能力。將Nb的含量控制在0.015～0.08wt％是為了使其在熱變形中以析出物形態(tài)及固溶態(tài)存在的比例(2∶3)達(dá)到最佳，同時(shí)可以節(jié)約成本。
V是一種能細(xì)化鋼的晶粒組織以及提高鋼的強(qiáng)度、韌性和耐磨性的元素，而且當(dāng)它在高溫熔入奧氏體時(shí)，可增加鋼的淬透性。V的碳化物及氮化物能起到沉淀強(qiáng)化的作用。V的含量低于0.030wt％時(shí)，強(qiáng)化效果不明顯，但V的碳化物及氮化物的大量沉淀將導(dǎo)致鋼的韌性下降，因此控制V的含量在0.090wt％以下，同時(shí)采取添加Nb來改善加入V帶來的韌性損失。
碳是保證齒輪使用強(qiáng)度所必需的成分，但當(dāng)減輕汽車重量要求高強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)限制碳含量，同時(shí)，碳是影響鋼的淬透性至關(guān)重要的元素。碳含量低于0.20％齒輪強(qiáng)度不夠，且不能保證良好淬透性的要求，高于0.40％后不能滿足齒輪心部韌性的要求。因此，確定碳含量為0.2～0.4％。
鋼中加入Cr可以改善其淬透性及強(qiáng)度、耐磨性，并起到一定的抗氧化作用。Cr含量低于0.8％，對(duì)強(qiáng)度及淬透性的貢獻(xiàn)不甚明顯。另外，Cr明顯降低淬火及回火鋼材的韌性，但含量低于1.30％時(shí)無太大影響。與此同時(shí)，Cr降低了碳的活度，可以防止加熱、軋制和熱處理過程中的脫碳行為，因此增加了質(zhì)量可靠性。當(dāng)Cr量小于0.8％時(shí)，這種效應(yīng)就不明顯。所以，Cr含量控制在0.8～1.30％。
Mo能明顯提高鋼的淬透性和熱強(qiáng)性，防止回火脆性及過熱傾向，并能細(xì)化晶粒，改善鋼的強(qiáng)度及韌性。Cr含量小于0.6％時(shí)，可明顯增加鋼的塑性，降低熱裂傾向，但高于0.55％時(shí)，Mo增加鋼的再熱裂紋傾向，同時(shí)，Mo的價(jià)格昂貴，成本較高，一般應(yīng)節(jié)約使用。所以，Mo含量一般控制在0.15～0.55％。
Mn能溶于鐵素體，起固溶強(qiáng)化的作用，還能增強(qiáng)奧氏體的穩(wěn)定性，降低Ms點(diǎn)，提高淬透性，同時(shí)，Mn有利于消除S的有害作用，又有利于脫氧。但發(fā)現(xiàn)當(dāng)Mn量小于0.5％時(shí)作用較小。當(dāng)Mn含量超過1.0％后，淬透性提高很大，在熱軋時(shí)韌性變壞，以致影響鋼絲的生產(chǎn)。因此Mn含量控制在0.5～1.0％之間。
本發(fā)明還提供了一系列齒輪鋼的化學(xué)成分。通常說來，齒輪鋼的淬透性及其帶寬控制是通過改變鋼的碳、錳、鉻等元素的含量及分布來實(shí)現(xiàn)的。但這些元素的加入勢(shì)必會(huì)不同程度地降低鋼的韌性，組織中晶粒不夠均勻細(xì)小使其穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致鋼性能波動(dòng)較大。如國(guó)產(chǎn)化后的日本的SCM822H及美國(guó)的SAE8620H等都出現(xiàn)淬透性不足或淬透性帶較寬的問題，這嚴(yán)重影響齒輪的使用性能。本發(fā)明中通過加入適量的Nb、V后，Mo含量可以降低到比較低的水平，節(jié)約了成本，而淬透性能(淬透性帶)并沒有下降。其原因是由于Nb、V等合金元素的加入細(xì)化了初始奧氏體的晶粒尺寸并在基體中形成了阻礙位錯(cuò)滑移的細(xì)小析出相，增強(qiáng)了其組織的均勻穩(wěn)定性。同時(shí)，明顯提高了鋼的淬透性，并將淬透性帶控制較窄，性能波動(dòng)小。
本發(fā)明的有益效果 本發(fā)明鋼中由于復(fù)合加入了Nb、V，細(xì)化了原始奧氏體的晶粒尺寸、增加了鋼的淬透性、提高了鋼材的綜合力學(xué)性能；此外，Nb、V、Al等合金元素的加入在提高了鋼強(qiáng)度的同時(shí)，改善了鋼的韌性。這些效果使鋼材的強(qiáng)度、韌性及淬透性得到明顯提高，并使其淬透性帶寬范圍控制在較高的水平上(≤4HRC)。
本發(fā)明中復(fù)合加入鈮、釩、鋁微合金化元素后可以極大地提高了鋼的淬透性，淬透帶寬明顯縮小，從而降低了產(chǎn)品的性能尤其是硬度的波動(dòng)范圍，最終使得齒輪熱處理后變形量較小，配對(duì)率提高；同時(shí)，采用復(fù)合添加鈮、釩的方法充分發(fā)揮了二者強(qiáng)度與韌性良好的互補(bǔ)作用，其綜合性能大大提高。另外，本發(fā)明從晶粒細(xì)化的角度來穩(wěn)定鋼的淬透性范圍，改變了一貫從煉鋼的角度即改善鋼的純凈度來增加性能穩(wěn)定性的觀念。因此，用這種方法處理的新型齒輪鋼可制造高應(yīng)力、性能要求穩(wěn)定嚴(yán)格的汽車齒輪。此外，和現(xiàn)有齒輪鋼相比，本發(fā)明鋼成本低廉，減少了Mo、Ni等戰(zhàn)略元素的用量，并通過Nb、V、Al微合金化元素后提高了鋼的綜合力學(xué)性能，這完全符合節(jié)能降耗的設(shè)計(jì)思路。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的實(shí)施例參見表2。
表2 wt％ 注比較例1鋼號(hào)為日本牌號(hào)SCM822H(相當(dāng)于中國(guó)牌號(hào)22CrMoH) 比較例2鋼號(hào)為專利(JP 4083848) 比較例3鋼號(hào)為專利(JP 4088148) 表3 試驗(yàn)鋼的晶粒度檢測(cè) 表2中試驗(yàn)鋼用比較法測(cè)定晶粒度，用YB 27-77中第一標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別圖評(píng)定其晶粒度級(jí)別。表3為試驗(yàn)鋼的晶粒度等級(jí)檢驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，本發(fā)明鋼經(jīng)加入Nb、V、Al元素，使其組織中晶粒明顯細(xì)化。
表2中的試驗(yàn)鋼經(jīng)中頻感應(yīng)爐冶煉、鍛造后在925℃正火、925℃下端淬后并測(cè)量其端淬硬度(按GB/T 5216-2004)，其結(jié)果如表4所示；同時(shí)取鋼錠不同部位作淬透性試驗(yàn)，檢測(cè)試驗(yàn)鋼的淬透性帶范圍(見表5所示)?？梢钥闯?，在鋼中加入鈮和釩后，本發(fā)明鋼的淬透性及淬透性帶寬控制均明顯優(yōu)于對(duì)照鋼B1和B2，并且本發(fā)明鋼中通過復(fù)合添加Nb、V、Al元素，其淬透性及帶寬控制均得到了不同程度的提高。 表4 試驗(yàn)鋼的淬透性(HRC) 表5試驗(yàn)鋼的淬透性帶寬(HRC) 試驗(yàn)鋼經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施制成齒輪，再將滲碳淬火(滲碳層深為1.4～1.6mm)后的樣品進(jìn)行單齒彎曲疲勞試驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的負(fù)荷為90N·m，轉(zhuǎn)速為3000r/min。從表6中可以看出，本發(fā)明鋼由于復(fù)合添加了Nb、V細(xì)化了晶粒組織，其彎曲疲勞性能均高于或接近于對(duì)照鋼。
表6 試驗(yàn)鋼的疲勞性能 注(1)齒面接觸應(yīng)力為600kgf/mm2。
本發(fā)明與現(xiàn)有齒輪鋼相比，碳含量均在不同的范圍內(nèi)，這是由于鋼種使用條件的不同所致，同時(shí)，現(xiàn)有齒輪鋼的合金加入主要以提高鋼的強(qiáng)度為主，與本發(fā)明鋼微合金化的目的有一定的差別。另外，與現(xiàn)有齒輪鋼相比，本發(fā)明鋼主要通過復(fù)合加入適量的Nb、V、Al后，鋼的晶粒得到細(xì)化、淬透性提高，強(qiáng)度及韌性的配合要優(yōu)于現(xiàn)有齒輪鋼，且本發(fā)明添加的合金元素含量整體要低于現(xiàn)有齒輪鋼，因此成本較低。
權(quán)利要求
1.高強(qiáng)度汽車用齒輪鋼，其成分質(zhì)量百分比為，
C 0.20～0.40
Si 0.20～0.50
Mn 0.50～1.00
Cr 0.80～1.30
Nb 0.015～0.080
V 0.015～0.10
Mo 0.15～0.55
Al 0.015～0.050
其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
全文摘要
高強(qiáng)度汽車用齒輪鋼，其成分質(zhì)量百分比為C0.20～0.40，Si0.20～0.50，Mn0.50～1.00，Cr0.80～1.30，Nb0.015～0.080，V0.030～0.090，Mo0.15～0.55，Al0.015～0.050，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明通過加入微量的Nb、V后，齒輪鋼的晶粒度、淬透性及其帶寬均得到明顯優(yōu)化，從而使批量生產(chǎn)的齒輪的熱處理變形量較小，配對(duì)率提高；同時(shí)，增加了齒輪鋼的綜合力學(xué)性能，使用壽命延長(zhǎng)；而且，成本低。
文檔編號(hào)C22C38/26GK101096742SQ20061002826
公開日2008年1月2日 申請(qǐng)日期2006年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月28日
發(fā)明者徐文亮, 張忠鏵, 弛 張 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司