我国齿轮材料及其热处理技术的最新进展.doc

我国齿轮材料及其热处理技术的最新进展 Gear Material and Its Hottreatruent Technology 郭应国,张洁,张社会,王伟,谢晖 中国船舶重工集团公司第十二研究所,陕西兴平713102 摘要介绍了我国近年来在齿轮材料及热处理工艺技术开发方面所取得的最新进展. 关键词齿轮材料;热处理工艺 中图分类号TG156 文献标识码A 文章编号10013814200302005402 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[143.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 1.1无镍或低镍钢齿轮材料 为满足煤矿严酷的工况条件,我国国产煤矿机械的重载齿 轮大都采用18Cr2Ni4WA钢,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15CrMn2SiMo及低镍齿轮 钢18CrMnNiMo进行了试验研究“],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18Cr2Ni4WA接 近;其冲击值甚至优于18Cr2Ni4WA;疲劳性能也可与 18cr2Ni4WA相媲美.目前,18CrMnNiMo钢已在16OkW减速 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15CrMn2SiMo及低镍齿轮钢 18CrMnNiMo代替18Cr2Ni4WA问题进行了深入的研究 ],结 果表明,18CrMnNiMo完全可以代替18Cr2Ni4WA. 1.2低碳空冷贝氏体钢 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.与 2OCrMnTi钢的对比试验表明,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而减少小轿车齿 轮渗碳淬火变形量,从而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]. 1.3准贝氏体渗碳钢 西北工业大学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BZ18Q,将其用于某汽车输出 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.将准贝氏体渗碳钢齿轮装 车路试,行车一定里程后拆下进行检验,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.表明该钢可用于制造汽 车齿轮,并可替代一些含镍较多的优质合金渗碳钢. 1.4铸钢齿轮 在齿轮的设计制造中,常采用含碳量约0.4的碳钢或合 金钢,如ZG31057O,ZG340640,ZG35SiMn及ZG42SiMn等. 铸钢的力学性能不及锻轧制钢材,但其强度与球墨铸铁相近,而 冲击韧度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]. 1.5球铁齿轮 1.5.1 铸态球铁齿轮[1o] 油田抽油机用球铁齿轮毛坯一般重13O～1 400 kg,齿面厚 度4O～60 mm,要求力学性能达到QT7002要求,齿面硬度达 24O～270 HB.目前,在生产类似于抽油机球铁齿轮铸件时,通常 要通过热处理来保证性能要求.为了在铸态下能够生产出性能 达到上述要求的球铁大齿轮,大庆总机械厂通过各种球铁的对 比试验,并经生产实践表明,铸态高CuSn球铁非常适合于生产 大型高硬度齿面抽油机齿轮,可获得明显的技术,经济效益. 1.5.2等温淬火球铁齿轮 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[1 .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ZHllO5W柴油机上使 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George Fisher公 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[1 . 1.5.3奥一贝球铁齿轮 奥一贝球铁是2O世纪7O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 能使其一开始就得到特别的重视.其抗拉强度高于1 000 MPa, 伸长率可达1O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齿轮 等重要零部件.采用奥一贝球铁制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. 一汽无锡某厂结合奥一贝球铁齿轮的应用研究,进行了非合 金奥一贝球铁不同温度等淬的淬透性研究[1 .结果表明,各种等淬 温度下,直径在30 mm以下的都能淬透,故可保证零件都能淬成 收稿日期20021212 作者简介郭应国1960一,男,河南邓县人,工程师. 维普资讯 http// 热加工工艺2003年第2期 生产技术与应用 55 奥一贝组织.等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,进行了用奥一贝球 铁齿轮代替40Cr调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 产条件的奥一贝球铁齿轮生产工艺[】 .根据试验结果,齿轮铁液 成分范围为质量分数,oA3.6～3.9C,2.6～3.1Si,0.3Mn 时,经900土1O℃1h奥氏体化370土1O℃1h等温淬火 后综合性能较好;与其它材料相比,奥一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40Cr调质钢齿轮相比,奥一贝球 铁齿轮可使柴油机整机噪声降低1.92 dB,齿轮侧噪声下降5.3 dB.奥一贝球铁齿轮经45h磨合后,在标定工况下连续运转200 h,齿轮间隙极限还有0.13 mm的余量,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 ANST1022渗碳钢制造,为降低成本,康明斯公司经过5年的试 验研究,成功的实现了用奥一贝球铁代替渗碳钢齿轮. 某汽车公司从铸造,热处理,机加工,表面强化等方面进行 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 轮奥一贝球铁齿轮国产化工作[1 ,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D6]研究试用了贝氏体球铁代替20CrMnTi钢 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 2.1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. 某齿轮箱公司Dr]从2O世纪末就采用等温退火工艺代替原 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 状珠光体铁索体组织及较均匀的硬度.经等温退火后的齿坯 有良好的切削加工性能,减少刀具的损耗,延长刀具的寿命.另 外也不同程度地稳定零件最终热处理的淬火变形规律. 2.2 高频感应电阻加热表面淬火 高频感应电阻加热表面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Ac 3050℃以上,再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.该工艺加热设备简单, 操作和传统感应加热一样方便,更换不同的感应器可以加热不 同形状的试样表面.它具有加热迅速,生产效率高,节能,适合大 批量生产等优点.重庆长风机器厂将其用于45钢齿条[】 ,上海 采埃孚转向机公司将其用于37CRS4钢齿条[】9]的齿部淬火,获得 成功并取得了良好的经济和技术效益. 2.3 激光热处理 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.清华大学激光加工研究中心近年来在轻型车凸轮轴螺 旋齿轮的激光强化方面也取得了较大进展L2 . 2.4渗碳 因常规气体渗碳工艺常会在渗碳齿轮表面形成内氧化层, 即出现一层很薄的非马氏体组织,显著影响其疲劳性能.为了提 高渗碳齿轮零件的热处理质量,上海汽车齿轮总厂1998年用法 国EMM公司开发制造的ICBP一400型低压真空渗碳炉对 6MnCr5钢从动锥齿轮进行热处理试验,取得了比较理想的效 果,产品不仅无内氧化,而且变形小,渗层控制精度高.该厂现引 进一台ICBP一966型低压真空渗设备用于生产L2 . 齿轮渗碳淬火变形是较普遍存在的问题.结合生产实际试验 采用相应的工艺措施防止或减少齿轮渗碳淬火变形,对提高产品 质量,降低生产成本都至关重要.青岛第二齿轮厂[2 ]为解决汽车 后桥从动锥齿轮2OCrMnTi钢渗碳后直接淬火的畸变问题,曾 改用渗碳后缓冷再二次加热压床淬火的方法,但这不仅增加了能 耗和工时,而且易造成齿轮二次加热压淬时表面脱碳,使之接触 疲劳强度降低.另外压淬过程中齿轮内孔涨大,椭圆度超差的也 占有相当比例,成对研磨时出现印痕偏移现象.经试验研究,现改 用稀土低温880渗碳直接淬火,并配用合适的工装和淬火介质, 不仅解决了齿轮的变形问题,也使齿轮的热处理质量明显提高. 为减小齿轮花键孔的渗碳淬火变形,郑州勘察机械厂[2 采用齿轮 上专用工夹具,花键孔充填松紧适中的煤粉石英长石砂铸造车 间废砂进行渗碳直接淬火Or质为机油;江西宜春齿轮厂[24]采 用渗碳后热油分级淬火的方法,均取得了良好效果. 2.4.2 渗氮 由于渗氮温度低,畸变小以及加工工序少而使成本降低的 优点,极大地吸引着齿轮制造者.渗氮齿轮已广泛地用于工业齿 轮装置.为了缩短齿轮氮化周期,改善渗层脆性,重庆长江柴油 机厂[ 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 氮碳共渗可获得15～25 btm的致密且脆性很小的化合物层,有 效硬化层深度达0.4 mm以上.表面硬度普遍在500～600 HV0.2范围内,且齿轮畸变微小,均匀,装车合格率接近国外先 进产品水平. 某研究所[25]研究开发的深层可控离子渗氮工艺,可在中碳合 金钢齿轮硬基体上获得表面为韧性丫 相,深度为0.8～1.2 mm 的渗氮层.东方电工股份有限公司[26]推出了材料为38CrMoAI, 40Cr和42CrMo齿轮的快速渗氮新工艺,该工艺为300～350℃ 预氧化1.5 h520℃8 h氨分解率为18 ～25 560℃2 h氨分解率为4O oA～6O ,渗后炉冷至16O℃空冷.生产中采用 上述快速渗氮新工艺后,金相组织和力学性能完全达到产品质量 要求,而渗氮保温时间较原工艺缩短了一半以上. 3结语 综上所述,近年来我国在齿轮材料及其热处下转第58页 维普资讯 http// 58 APPLICAT10N Hot Working Technology 2002 No.3 处仍有孤立液相区.再次修改工艺,即将冷铁2和3 4 8 l2 l6 2O 24 28 32 36 40 t,h 图3各点的冷却曲线模拟结果 厚度加大,再次对磨盘进行凝固过程的温度场模拟,结 果表明原来出现孤立液相区的部位,不再出现该问题. 选定图1中所示的有代表性的12个点做出各点的 温度曲线,如图3所示.可以看出,随着凝固时间的延 长,冒口套的温度呈直线上升,冷铁的温度呈抛物线上 升;铸件上各点的温度逐渐下降,如第7点在冷却到 8643 s后,温度降低较快.从总体来看,铸件的凝固从下 到上,符合顺序凝固的规律.生产实践证明,采用优化后 的工艺方案进行生产,可以得到无缩孔和缩松缺陷的优 质铸件,冒口冷却后,其顶面较平整. ..一 上接第56页所示.可见,这些钎料均具有较强的抗腐 蚀能力. 4 稀土对AlCu钎焊接头性能影响 在A1一Cu钎焊中,以Zn一40Sn一2Cu钎料为基础,分 别添加了不同数量的混合稀土35, Ce,30 La,20 ～22 Nd,7.8 Pr,0.3 Sm,0.3 Y,对AlCu钎 焊的影响做了初步探讨.结果表明,稀土元素对钎料的 工艺性能的影响不明显,而对提高钎焊接头的强度及抗 腐蚀性有显著的效果见表3.这主要是稀土元素在钎 料中起到除气排污的净化作用及细化晶粒的结果. 表3稀土元素对接头性能的影响 稀土添加量/ 接头强度/MPa 腐蚀后接头强度/MPa 强度下降率/ O.1 42 34.9 16.9 0.2 43.4 36.5 15.8 0.3 44.9 38.3 14.7 O.4 46.9 40.2 14.3 0.5 54.1 46.5 14 0.6 46 39.7 13.7 1 34.5 32.3 6.4 5 结论 Zn基钎料是钎焊A1一Cu接头的理想钎料,但含Zn 量不宜太高.若在钎料中加入微量稀土元素,可起到提 高接头强度及抗腐蚀性能的效果. ..一 1-接第55页理技术研制开发方面取得了一定的成就,但还要 通过开展齿轮材料筛选试验和热处理工艺研究,使我国齿轮材 料系列化,热处理工艺规范化.同时,在努力开发新的齿轮热处 理工艺和设备的基础上,加快引进,吸收和合理利用国外先进热 处理工艺和设备的步伐,使我国齿轮用材和热处理水平提高到 一个新高度. 参考文献 [1] 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