一種同步器齒輪用鋼的製作方法

2024-01-30 20:25:15 1

專利名稱：一種同步器齒輪用鋼的製作方法
技術領域：
本發明涉及冶金技術領域，屬於合金鋼類，是一種用於製造同步器齒輪的齒輪鋼。
背景技術：
同步器齒輪是變速箱中用來換擋的齒輪。特點是模數小，一般小於3.5；齒輪的模壁薄。齒輪在滲碳或碳氮共滲後的油淬過程中，心部的冷卻速度很快。這個特點對鋼材的要求是鋼的淬透性要低。目前，美國用SAE8620H，中歐國家用28MnCr5，日本用SCM420H，SCr420H，中國和俄羅斯用20CrMnTiH，20Cr，20CrNi鋼製造同步器齒輪。SAE8620H，28MnCr5，SCM420H，SCr420H，20CrMnTiH這五個鋼號的淬透性偏高，即時是使取鋼的淬透性的下限，同步器齒輪的心部硬度和內M值(跨棒距)的收縮量還是超出標準要求；例如，用20CrMnTiH鋼製造東風牌工程車的同步器齒輪，齒輪的心部硬度常超過HRC30-40的標準，達到HRC42-46，齒輪的內M值的收縮量達到0.25MM(超過0.15MM的要求)。用28MnCr5鋼製造齊瑞牌和吉利牌轎車的1/2檔同步器齒輪，很難保證HV320-480的心部硬度，達到HV520-550.吉利轎車1/2檔齒輪的內花鍵變形大，橢圓度達到0.25％。目前，為了保證齒輪的心部硬度不超過標準，減少變形；不得不採用750℃亞溫淬火。但是這又往往致使心部鐵素體組織級別超過標準，最大時達到八級。為避免同步器齒輪的嚴重變形，不得不採用壓床淬火。這又造成生產效率的降低和成本的升高。中國GB3077-88標準中的20Cr和20CrNi鋼的淬透性不高，用來製造同步器齒輪上述質量問題雖說沒有那麼嚴重，但由於淬透性太低，在齒輪毛坯正火處理之後，步氏硬度低，達不到HB160-180，同時因為碳含量低，毛胚正火組織中鐵素體含量高，致使零件在機械加工後出現光潔度達不到要求，表面拉傷，毛刺等質量問題。由於上述原因，同步器齒輪的製造長期處於質量問題多，製造成本高，技術難度大的狀態。
中國發明專利CN1257132A提出微變形滲碳齒輪鋼，試圖採用提高鋼材的合金含量，提高鋼材的淬透性，使齒輪毛胚從高溫不經過油淬和回火，只在空氣中冷卻，使齒輪的心部得到貝氏體組織，表面得到馬氏體加貝氏體組織的技術方案來減輕齒輪的熱處理變形。這個技術方案有兩個問題第一，齒輪從高溫狀態在空氣中冷卻會造成表面脫碳，這會大大降低齒輪的接觸疲勞強度。如果採用保護氣體冷卻，保護氣體的製備和消耗要大大提高製造成本。第二，齒輪表面的高碳馬氏體不經低溫回火，韌性很差。會造成淬火裂紋和齒面嘣裂。由於存在這兩個問題，這個技術方案很難應用於解決齒輪的變形問題。
日本專利JP56116857A，JP3184411B2所提出的齒輪鋼，其合金元素含量過高，鋼的淬透性高。如果用來製造同步器齒輪，會出現上述同樣的質量問題。

發明內容
本發明是要解決目前同步器齒輪製造中存在的變形大，心部硬度高，鐵素體組織超級別，冷加工性能不好，製造成本高等問題，提供一種熱處理變形小，機械加工性能好的同步器齒輪用鋼。
本發明鋼的化學成份(重量百分比)為C 0.25-0.30 Mn 0.5-0.85Si ≤0.37P ≤0.03 S 0.02-0.06 Cr 0.5-0.85Ni ≤0.10 Mo ≤0.05 W ≤0.05Ti 0.04-0.10 餘量為Fe和雜質本發明對模數為2-3.5的同步器齒輪用鋼，在煉鋼時須按下列要求控制成份C (％重量)(Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)±0.03(％重量)
0.25 1.630.26 1.590.27 1.550.28 1.510.29 1.480.30 1.44本發明對模數為2以下的同步器齒輪用鋼，在煉鋼時按下列要求控制成份C(％重量) (Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)±0.03(％重量)0.25 1.410.26 1.370.27 1.330.28 1.290.29 1.250.30 1.21本發明中的Ti0.04-0.10，可用(％重量)Al 0.02-0.055和N0.010-0.015來替換。
本發明技術方案的特點在於1.同20CrMnTiH，SCM420H，SCr420H，28MnCr5，專利JP3184411B2，專利JP56116857A，專利JP61291952A鋼相比，本發明鋼的合金元素Mn，Cr的上限大大降低，同SAE8620H鋼相比，同專利JP3184411B比較，本發明鋼中Ni，Mo，W合金元素的含量的上限極低；如表1
表1合金元素含量的比較
注專利1JP3184411B2，專利2JP56116857A，專利3JP61291952A由於本發明在進行鋼的成分設計時，測定了同步器齒輪在淬火過程中心部的冷卻速度，定量計算了所需要的合金元素含量，發現目前已有的齒輪鋼中的合金含量超過了需求量，導至鋼的淬透性過高。這是造成同步器齒輪心部硬度高，熱處理變形大的主要原因；特別是模數小於2的同步器齒輪。本發明降低了鋼的合金元素的含量，使鋼的淬透性降低，適應了同步器齒輪在淬火過程中心部冷卻快的特點。本發明鋼的淬透性，化學成份的中限值與表1其他鋼的比較如表2。用本發明的鋼製造同步器齒輪，不必採用亞溫淬火工藝，齒輪的心部硬度也能夠符合標準要求；解決了同步器齒輪心部鐵素體組織超級別的問題。齒輪的熱處理變形幅度大大減小。
表2鋼的化學成份的中限值，淬透性的的比較
專利1JP3184411B2，專利2JP56116857A，專利3JP61291952A注表2中的So(mm)是末端淬透性試樣上半馬氏體區距水冷端的距離。表中的淬透性是根據每個鋼種化學成份的中限值測算的。
2.本發明鋼同GB3077-88標準中的20Cr，20CrNi鋼的化學成份的比較如表3；淬透性的比較如表4表3合金元素含量的比較
表4鋼的化學成份的中限值和淬透性的的比較
注表4中的So(mm)是末端淬透性試樣上半馬氏體區距水冷端的距離。表中的淬透性是根據每個鋼種化學成份的中限值測算的。
本發明鋼同GB3077-88標準中的20Cr，20CrNi鋼相比較，碳含量大大提高，又添加了S易切削元素；20Cr，20CrNi鋼的淬透性比表1.中鋼的淬透性低；比本發明鋼的淬透性略高；用於製造同步器齒輪，心部鐵素體組織超級別，心部硬度高，變形大等質量問題不太突出，但是由於鋼的淬透性太低和碳含量低兩個因素造成了齒輪毛胚正火組織中鐵素體含量相對增加，齒輪毛坯的正火硬度達不到HB160-180的水平，零件機械加工後光潔度達不到要求，出現毛刺，表面拉傷等質量問題。本發明設計的鋼的淬透性更低，在保證淬透性不提高的前提下，提高了鋼中的碳含量；由於碳含量提高，毛胚正火組織中鐵素體含量相對減少，又添加了易切屑元素S，齒輪毛坯的正火硬度在HB140-170，雖未達到HB160-180的水平，零件機械加工後光潔度仍然很高，斷屑性仍然很好。
28MnCr5鋼的C，Mn，Cr的下限值分別為0.25％，0.60％和0.80％，對應的So(mm)為4.8mm；對模數為2以下的同步器齒輪，為保證心部硬度和變形不出問題，鋼的So(mm)應控制在4.8mm以下。由於很難實現按下限化學成份煉鋼，28MnCr5鋼無法用來製造模數2以下的同步器齒輪。
JP61291952A專利提出的
權利要求
C0.15-0.40％，Cr0.50-2.0％，Mn≤0.5％；當合金元素含量的組合使鋼的So(mm)很低，在4.8mm以下時，如果鋼中的C＜0.25％，將會出現機誡加工性能變壞的問題。另外，當Cr含量超過1.5％時，合金元素含量的組合會使鋼的So(mm)高出所要求的數值，導制齒論的心部硬度偏高和熱處理變形太大。因此，該專利提出的技術方案不能解決同步器齒輪現在存在的技術問題。
3.鋼的淬透性的穩定性是影響齒輪熱處理變形波動幅度的決定性因素；控制鋼的淬透性在很窄的範圍內波動，可以大大提高齒輪的加工精度。在齒輪熱處理時，可以取消壓床淬火，大大提高生產效效率。在冶煉齒輪鋼時，目前控制鋼的淬透性的方法有兩種一種是對C，Mn，Cr，Mo，W，Ni六種影響淬透性大的元素的含量分別給定一個目標值；要求六個目標值都要達到。在冶煉鋼時很難作到六個目標都能達到。第2種方法是用電腦，按特定的控制程序對爐中鋼液的成份實行動態控制。工人每次加料前要給電腦輸入40多個數據，操作的任何錯誤都可能導制廢品。對操作工人的素質要求很高。另外，這種特定的控制程序尚屬某些高科技企業的秘密技術；因此，也很難廣泛應用於工業生產。按本技術方案的第2和第3條控制鋼的成份，煉鋼工人很容易將鋼的淬透性控制在很窄的範圍內。當某個元素高出預定的目標值時，可以降低其他的元素的目標值，達到C和(Mn+Cr+Mo+W+.2Ni)之間的配比符合本技術方案的要求當鋼的成份符合本技術方案的要求時，考慮到成份偏析對鋼的淬透性帶寬的影響，淬透性帶寬不超過5HRC。半馬氏體距離So的波動幅度不超過1.2mm。由於鋼的淬透性穩定，同步器齒的熱處理變形的波動幅度會很小，這樣通過熱處理前預留變形量，可取消壓床淬火。大大降低製造成本，縮短生產周期。
模數為2-3.5的同步器齒輪用鋼化學成份的匹配和淬透性C(％) (Mn+Cr+Mo+W+.2Ni)％ So(mm) J5(HRC) J10(HRC)0.251.63 6.3 39 270.261.59 6.1 39 270.271.55 5.8 39 270.281.51 5.6 39 270.291.48 5.5 39 270.301.44 5.4 39 27模數為2以下的同步器齒輪用鋼化學成份的匹配和淬透性C(％) (Mn+Cr+Mo+W+.2Ni)％ So(mm) J5(HRC) J10(HRC)0.25 1.41 4.8 34.0 240.26 1.37 4.6 34.0 240.27 1.33 4.4 33.8 240.28 1.29 4.3 33.7 24
0.29 1.25 4.2 33.6 240.30 1.21 4.0 33.5 24注So(mm)為末端淬火試樣上半馬氏體區距水冷端的距離。
J5(HRC)，J10(HRC)為末端淬火試樣上距水冷端5mm，10mm的距離處的硬度。
總之，本發明提出的技術方案解決了同步器齒製造中存在的變形大，心部硬度高，鐵素體組織超級別，冷加工性能不好，製造成本高等一系列問題。
具體實施例方式實施例1齊瑞牌轎車1/2擋步同器齒輪的製造(1)齊瑞牌轎車1/2擋步同器齒輪的技術要求有效硬化層深0.4-0.6mm表面硬度HV660-780心部硬度HV320-480M值64.582(+0.092，-0)mm公法線W/639.779-39.844mm(變動幅度＜＝0.065)(2)用鋼成份(％)
(Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)＝1.44(3)齊瑞牌轎車1/2擋步同器齒輪的熱處理工藝齒輪毛坯的正火工藝加熱溫度890℃ 等溫溫度550℃ 風冷時間3分20秒齒輪毛坯的碳氮工共滲工藝900℃ 3時共滲；780/800℃ 120分油淬；200℃ 180分回火(4)齒輪毛坯的正火硬度HB146-156，冷加工表面光潔度高，斷屑性好。
(5)齊瑞牌轎車1/2擋步同器齒輪的成品成品的心部硬度，表面硬度，心部鐵素體組織，有效硬化層深以及熱處理後的變形幅度均符合要求。
*每次的樣本數為20件。
*M變動，W/6變動是M值和W/6值熱處理前，熱處理後值的差值的絕對值。
實施例2吉利轎車1/2擋步同器齒輪的製造(1)吉利轎車1/2擋步同器齒輪的技術要求有效硬化層深0.4-0.8mm，表面硬度HV660-780，心部硬度HV330-480，M值62.02-62.146(變動幅度≤0.126mm)公法線W/627.517-27.591mm(變動幅度＜＝0.074mm)(2)用鋼成份(％)
(Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)＝1.26(3)吉利轎車1/2擋步同器齒輪的熱處理工藝齒輪毛坯的正火工藝加熱溫度890℃ 等溫溫度550℃ 風冷時間3分20秒齒輪毛坯的碳氮工共滲工藝900℃ 3時共滲；780/800℃ 120分油淬；200℃ 180分回火(4)齒輪毛坯的正火硬度HB160-165，冷加工表面光潔度高，斷屑性好。
(5)吉利轎車1/2擋步同器齒輪的成品成品的心部硬度，表面硬度，心部鐵素體組織，有效硬化層深以及熱處理後的變形幅度均符合要求。
*每次的樣本數為20件。
*M變動，W/6變動是M值和W/6值熱處理前，熱處理後值的差值的絕對值。
實施例3CA7-95(解放牌工程用車)1/2擋步同器齒輪(齒谷)的製造(1)CA7-95(解放牌工程用車)1/2擋步同器齒輪(齒谷)的技術要求有效硬化層深0.3-0.6mm，表面硬度HV660-780，心部硬度HRC33-40，M值89.345mm(變動幅度-0.145mm，+0mm)公法線W/1099.648mm(變動幅度-0.072mm，+0mm)三曹14.05-14.13mm(變動幅度0.125mm)(2).用鋼成份(％)
(Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)＝1.54(3)CA7-95(解放牌工程用車)1/2擋步同器齒輪(齒谷)的熱處理工藝齒輪毛坯的正火工藝加熱溫度910℃ 等溫溫度530℃ 風冷時間7分齒輪毛坯的碳氮工共滲工藝900℃ 3時共滲；780/800℃120分油淬；200℃ 180分回火(4)齒輪毛坯的正火硬度HB165-170，加工表面光潔度高，斷屑性好。
(5)CA7-95(解放牌工程用車)1/2擋步同器齒輪(齒谷)的成品成品的心部硬度，表面硬度，心部鐵素體組織，效硬化層深以及熱處理後的變形幅度均符合要求。
*每次的樣本數為20件。
*M變動，W/10變動，三曹變動是M值，W/10值，三曹熱處理前，熱處理後值的差值的絕對值。
權利要求
1.一種同步器齒輪用鋼，其特徵是具有以下組份(重量百分比)C 0.25-0.30 Mn 0.5-0.85 Si≤0.37P≤0.03 S 0.02-0.06 Cr 0.5-0.85Ni≤0.10Mo≤0.05W≤0.05Ti 0.04-0.10餘量為Fe和雜質
2.根據權利要求1所述的一種同步器齒輪用鋼，其特徵是對模數為2-3.5的同步器齒輪用鋼，在煉鋼時按下列要求控制成份C (％重量)(Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)±0.03(％重量)0.25 1.630.26 1.590.27 1.550.28 1.510.29 1.480.30 1.44
3.根據權利要求1所述的一種同步器齒輪用鋼，其特徵是對模數為2以下的同步器齒輪用鋼，在煉鋼時按下列要求控制成份C (％重量)(Mn+Cr+Mo+W+0.2Ni)±0.03(％重量)0.25 1.410.26 1.370.27 1.330.28 1.290.29 1.250.30 1.21
4.根據權利要求1所述的一種同步器齒輪用鋼，其特徵是其中的Ti 0.04-0.10，可用(％重量)Al 0.02-0.055和N 0.010-0.015來替換。
全文摘要
本發明是一種同步器齒輪用鋼，其化學組份(％重量)為C 0.25－0.30，Mn 0.50－0.85，Si≤0.37，Cr 0.50－0.85，S 0.02－0.06，Ti0.04－0.10，Ni≤0.10，Mo≤0.05，W≤0.05，本發明用於製造同步器齒輪，熱處理變形小，變形波動幅度小；機械加工性能好，特別適合於製造汽車同步器。
文檔編號C22C38/28GK1548571SQ0311908
公開日2004年11月24日 申請日期2003年5月15日 優先權日2003年5月15日
發明者常曙光 申請人:常曙光