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我国齿轮行业新材料新工艺的创新

时间:2010-11-12 10:44:39  来源:  作者:

 BSc中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

        国外先进水平的车桥保修期为100万~150万km,而国内重载驱动桥的保修期为10万km。另外,国内重型车桥精度低、噪声大,已成为重卡用户的一大烦恼,与国际先进水平差距很大。 BSc中国热处理技术网 — 热处理行业的超级智库 CHTE 最全的热处理技术信息网站 热处理技术网 CHTE

  从商用车供应链系统来看,车桥制造商与其他零部件厂商一样,正遭受着来自主机厂以及钢材、油、煤等原材料涨价的双重压力。2008年驱动桥企业的采购成本分别同比增长10.7%,但销售价仅增长1.4%,根本无法弥补原材料上涨的成本压力。
 
  因此,我国商用车驱动桥制造业围绕提高精度,延长使用寿命,降低制造成本,大力展开科技创新,创立具有自主知识产权的制造技术,已成为行业发展的必然趋势。
 
  一、自主创新的技术成果与进展
 
    1. 稀土催渗技术
 
    对驱动桥齿轮弯曲疲劳寿命影响最大的因素有4个;心部硬度、啮合精度、渗层对齿轮心部的压应力,以及齿根部位的非马组织。采用Cr-Mn-Ti系齿轮钢,代替Cr-Ni-Mo系齿轮钢是解决钢材采购成本问题的惟一途径。按2010年5月价格,由国外引进且国内常用的17CrNiMo6H、20CrNi2MoH钢材价为13000~11000元/t,淬透能力与之相同的Cr-Mn-Ti系齿轮钢材价格为5000~6000元/t。
 
  Cr-Mn-Ti系齿轮钢惟一的缺点是抗内氧化的能力低,按常规渗碳工艺,齿根部位非马组织0.03~0.05mm,达不到≤0.02mm的要求;而齿根非马组织太高,降低了齿轮表层对心部的压应力。哈工大与哈汇隆齿轮厂合作,采用稀土催渗工艺,成功地解决了这一难题;将457锥齿轮齿根部位的非马组织控制在0.02mm以内,所用钢材为Cr-Mn-Ti系。目前,哈工大的稀土催渗技术已取得国家发明专利。该专利技术使得我国建立自己的Cr-Mn-Ti齿轮用钢合金化体系成为可能。
 
  2. 重载驱动桥锥齿轮Cr-Mn-Ti齿轮钢的应用
 
    重载驱动桥锥齿轮及工业齿轮的特点是,齿轮的截面大,齿轮淬火所产生的热应力对齿轮的热后变形影响大。为减轻热应力对齿轮啮合精度的影响,欧洲重载工程用车生产厂应对的措施是:
 
  (1)降低齿轮用钢的含碳量       马氏体的比体积与钢材的含碳量有关,含碳量越高,齿轮心部发生马氏体相变产生的体积效应越大,齿轮的热后变形越大。为减小齿轮的热后变形,应尽量降低钢材的含碳量。欧洲重载驱动桥锥齿轮和工业齿轮用钢均为17CrNiMo6H,含碳量(质量分数)为0.14%~0.20%。
 
  (2)提高齿轮钢材的淬透能力     重载驱动桥主动锥齿轮用钢淬透性J 25=34~41HRC,德国弗兰德公司的工业齿轮用钢的淬透性J 30=34~41HRC。
 
  (3)降低淬火冷却速度       采用冷却强度较低的分级淬火油,减小热应力。
 
  CGMA001-1∶2004车辆齿轮钢采购标准,其中的20CrMnTiH6钢是用于重载驱动桥主动锥齿轮的试用钢种。生产实践证明,该钢种用于重载驱动桥主动锥齿轮不是好的选择,原因如下:
 
  第一,按照上述欧洲的技术方案,为减小热应力,应当采用分级淬火油淬火,配用钢材的淬透性应为J 25=34~41HRC。20CrMnTiH6钢淬透性为J 25=30~36HRC,若采用分级淬火油,齿轮心部淬火硬度为30~36HRC,达不到34~41HRC的要求。其中心部硬度低于32HRC的锥齿轮,10万km的保修期未到,就会出现早期断齿。
 
  第二,因为20CrMnTiH6钢的淬透性低,为保障齿轮心部硬度能达到34~41HRC,齿轮厂只能采用快速淬火油,将齿轮心部淬火冷速由J 25提高到J 15。其后果是:齿轮淬火冷速快,产生的热应力大,热后变形大。
 
  第三,因为20CrMnTiH6钢的合金量较低,为使钢的淬透性达到J 15=34~41HRC的要求,实际含碳量(质量分数)应提高到0.21%~0.23%。
 
  目前,一汽集团重载驱动桥锥齿轮用钢为22CrNiMoH、22CrMoH,含碳量(质量分数)为0.19%~0.25%。与欧洲齿轮行业采用的17CrNiMo6H钢相比,我国重载驱动桥齿轮用钢材的含碳量高。锥齿轮淬火冷速快,热应力大。钢材含碳量高,马氏体相变的体积效应高,是锥齿轮啮合精度低、噪声高的重要原因。
 
  目前,我国提高齿轮啮合精度、降低噪声只能靠“磨齿”,磨削量0.10~0.30mm。据报道,磨齿能提高啮合精度,但对降低噪声效果不佳。采用“珩齿”工艺既能提高齿轮的啮合精度,又能显着降低噪声,磨削量0.02~0.05mm,成本是磨齿工艺的一半。采用“珩齿”工艺的先决条件是齿轮热后变形不能太高。因此,降低淬火冷速,采用低碳高淬透性齿轮用钢材,降低齿轮的热后变形,为执行“珩齿”工艺创造条件,是必须采取的措施。 
 
  2005年曾有人提出:用17Cr2Mn2TiH钢代替国外引进的Cr-Ni-Mo系重载驱动桥齿轮用钢;钢的淬透性J 25=34~41HRC;可采用729分级淬火油。钢材的含碳量、淬透性均与17CrNiMo6H钢相同,可全部吸取欧洲齿轮行业的先进经验。双骏、株齿、汇丰齿轮厂用17Cr2Mn2TiH2齿轮钢代替22CrMoH钢,用于153驱动桥主动锥齿轮;用17Cr2Mn2TiH3钢代替20CrNi3H、22CrNiMoH钢,用于457驱动桥主动锥齿轮,共生产50 000套驱动桥齿轮。EQ153N2B桥台架寿命考核结果:日产柴标准规定:输出扭距30 000N·m,输出10万次合格。17Cr2Mn2TiH2主动锥齿轮输出扭距30 000N·m,输出40~50万次齿断,大大超过日产柴标准要求,并且齿轮啮合精度高,噪声低。株齿用17Cr2Mn2TiH与22CrNiMoH对比试验,用于457桥主动锥齿轮,台架寿命相当,跟踪跑车试验未见异常。从2005~2010年,5万套主动锥齿轮投放市场,至今没有出现锥齿轮失效的信息返回。鉴于上述成功的试验,17Cr2Mn2TiH钢将纳入新标准,作为试用钢,用于153、457、460、485、500重载驱动桥锥齿轮用钢,以进一步在实践中考核、完善重载驱动桥齿轮用钢。
 
  将重载驱动桥齿轮用钢的含碳量降低,在齿轮钢的成分设计中,受渗层淬透性的制约,不可能将齿轮钢的含碳量降的过低。17Cr2Mn2TiH钢和17CrNiMo6H钢齿轮渗碳淬火后往往残留奥氏体超标,齿面硬度达不到58~62HRC的要求,齿轮的接触疲劳寿命变坏。目前,国外解决这个问题的办法有两个:方法一是齿轮渗碳空冷+高温回火+二次加热淬火;方法二是降低扩散区碳势,渗碳后直接淬火。我国研发成功的稀土催渗技术,齿轮渗层中由于存在超细的碳化物颗粒,不必降低渗碳碳势,渗碳后可直接淬火而不会发生渗层残留奥氏体组织超标、齿面硬度低问题。
 
  3. 工业齿轮Cr-Mn-Ti钢及稀土催渗技术的应用
 
    工业齿轮比重载商用车驱动桥锥齿轮模数更大。主要用钢为17CrNiMo6H。2010年5月该钢种齿胚的采购价为12000元/t。据东力集团的上市报告,工业齿轮行业同样难以承受钢材涨价的压力。用17Cr2Mn2TiH钢代替17CrNiMo6H,齿坯的采购价可降低到9158元/t,降低成本23.7%,随采购量增大,齿坯采购成本还能降低。
 
  目前,国内有关工业齿轮传动设备厂已开始进行该钢种的试验。 
 
  从表中看出:两个钢种的淬透能力完全相同。用新钢种代替国外钢种,齿轮的心部淬火硬度能达到35~41HRC的最佳水平,从而保证齿轮有足够的抗弯曲疲劳强度和最小的热后变形。新钢种齿轮的渗碳,采用稀土催渗技术,能保证齿根非马组织同17CrNiMo6H钢齿轮相同。渗碳层中高度弥散的碳化物,不仅大大提高齿轮的耐磨能力,细小碳化物所造成的“碳元素的爬坡效应”,使渗碳层碳化物颗粒四周的孪晶马氏体转变为中碳板条马氏体,大大降低疲劳裂纹的扩张速度。稀土催渗技术应用于20Cr2Ni4H工业齿轮,经郑州机械所的台架试验证明,齿轮的接触疲劳寿命在高接触应力(2300MPa)下提高2.63~19倍,而在2100MPa较低应力下提高3.66~14倍;弯曲疲劳寿命在高弯曲应力693MPa下,稀土渗碳比常规渗碳高1.70~3.78倍,在低弯曲应力546MPa下则提高5.57~25.34倍。 
   
  二、结语
 
    采用新钢种和新的渗碳工艺,不仅大大降低成本,齿轮的弯曲疲劳、接触疲劳寿命也会更高。相关行业主管部门应当加以正确引导和推广,齿轮加工企业也应主动探索与实践,共同促进新钢种和新渗碳工艺的应用。
 

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