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    1.國內外汽車(chē)齒輪用鋼現狀
    1.1.國外齒輪鋼應用情況
    鋼中含鉬量較低的SCM415、SCM418、SCM420、SCM421鋼大多用于中型汽車(chē)變速齒輪和輕型汽車(chē)國外,最初使用的滲碳齒輪鋼基本上是錳鋼和錳鉻鋼,例如日本的SMn420、SMnC420,德國的16MnCr5、20MnCr5等。此類(lèi)鋼便宜,性能良好。這是當時(shí)從經(jīng)濟角度出發(fā),考慮到資源條件而研制的,但它們質(zhì)量不穩定,強韌性配合差,往往強度指標合格而硬度達不到要求,晶粒粗化傾向大。因此,目前國外汽車(chē)工業(yè)中已很少采用而逐漸被鉻鋼、鉻鉬鋼、鎳鉻鉬鋼所取代。德國ZF公司就曾在Mn2Cr鋼的基礎上再加硼處理,形成了頗具特色的ZF鋼系列,其各方面的性能大大改善。各國滲碳齒輪鋼應用狀況如下:
    日本:主要用鉻鋼和鉻鉬鋼。如鉻鋼SCr415、SCr420和鉻鉬鋼SCM415、SCM418、SCM420、SCM421、SCM822均是日本汽車(chē)工業(yè)中廣泛應用的鋼種。鉻鋼大多數用于小型車(chē)的變速箱齒輪。鉻鉬后橋主、被動(dòng)齒輪。Mo含量較高的SCM822則用于中型汽車(chē)后橋主、被動(dòng)齒輪。其次是鎳鉻鉬鋼,如SNCM415、SNCM420,主要用于要求高淬透性和要求心部韌性較高的重型汽車(chē)上,以取代不含Mo的鎳鉻鋼SNC415、SNC815等。
    美國:小汽車(chē)變速箱以鉬鋼4023為主。中型汽車(chē)變速齒輪及后橋主、被動(dòng)齒輪以含Ni較低的Ni2Cr2Mo鋼種8620、和8720為主,重型汽車(chē)齒輪采用含Ni較高的Ni2Cr2Mo鋼4320和含Mo較高的Ni2Cr2Mo鋼8822。個(gè)別重型汽車(chē)齒輪采用Ni2Cr2Mo2B鋼94B17。
    英國:仍使用傳統的Ni鋼,如輕、中型汽車(chē)采用Ni2Mo類(lèi)的EN35鋼、Ni2C類(lèi)的EN36鋼和Ni2Cr2Mo類(lèi)的EN352。重型汽車(chē)則采用含Ni2Cr2Mo較高的EN355。
    1.2.國內汽車(chē)齒輪鋼的應用狀況 
    1.2.1 傳統齒輪鋼我國汽車(chē)行業(yè)使用的齒輪材料,多年來(lái)主要沿用前蘇聯(lián)用鋼系列。二十世紀六十至七十年代,為節省Cr、Ni資源,我國研究了B鋼以及Si-Mn、Cr-Mo、Cr-Mn系鋼。近五年來(lái)還研究了易切削鋼、滲氮用鋼。由于品種繁多,有的因熱處理或冶煉造成材料性能不佳,給生產(chǎn)帶來(lái)了一定的困難。進(jìn)入八十年代,為了適應汽車(chē)齒輪國產(chǎn)化的需要,在消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎上,參照國外技術(shù)標準和引進(jìn)產(chǎn)品的實(shí)際水平,我國汽車(chē)齒輪鋼又相繼增加類(lèi)似于美國、日本、德國開(kāi)展了這些鋼種的基礎性能,鍛造毛坯熱處理工藝、齒輪零件的熱處理工藝實(shí)驗研究,并在提高齒輪鋼純凈度方面做了大量工作,獲得了可靠的數據。1987年以來(lái),我國各特殊鋼廠(chǎng)向汽車(chē)行業(yè)提供國產(chǎn)化齒輪鋼數千萬(wàn)噸。
    由于新型齒輪鋼價(jià)格過(guò)高,用戶(hù)不易接受;另外冶煉后續工序中需進(jìn)行相應的調整和改造,對有的材料研究尚欠深入。因此,對于引進(jìn)齒輪鋼的推廣應用還存在很大的障礙。
    目前,世界上汽車(chē)齒輪生產(chǎn)所采用的熱處理工藝主要是氣體滲碳。這種常用的滲碳工藝,國外通過(guò)計算機不僅可以控制滲碳層層深和表面硬度,而且還可控制表面含碳量、組織中的碳化物及殘留奧氏體的形態(tài)、分布以及表層硬度梯度等,從而可以得到最,提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。
    真空滲碳與離子滲碳工藝,一般壓力在200～3000Pa之間。滲碳氣體是甲烷和丙烷。在真空熱處理中一般選擇丙烷,因為在相同的滲碳溫度下它更容易分解。低壓滲碳最引人注目的一項主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)氧處理介質(zhì)使得滲碳零件不會(huì )產(chǎn)生內氧化。
    由于設備能做到提高滲碳溫度,從而也縮短了處理周期。低壓滲碳可顯著(zhù)減少氣體消耗量和排放量,不需要火簾,點(diǎn)燃器和排氣裝置,在空載時(shí)可以停爐;更短的加熱和降溫時(shí)間使系統能獲得最大的利用率。
    德國ALD在滲碳鋼硬化上用氣淬取代油淬,其心部硬度高于油淬。這種熱處理工藝一般用來(lái)生產(chǎn)高檔車(chē)齒輪。
    溫度和碳勢的控制精度、爐內溫度和氣氛的均勻性以及淬火油的攪拌、循環(huán)等都要求較高。溫度和碳勢的控制誤差大、爐內溫度和氣氛不均勻,將導致淬火變形加大等缺陷,嚴重時(shí)將造成齒輪報廢。由于我國熱處理設備技術(shù)落后,相當一部分滲碳爐不能進(jìn)行碳勢自動(dòng)控制,產(chǎn)品表面碳濃度波動(dòng)大,滲碳齒輪質(zhì)量差,生產(chǎn)效率低、能耗大、成本高。目前國內氣體動(dòng)態(tài)軟件在滲碳爐上的應用雖已獲得成功,但控制水平和國際上還有很多差距。
    在對齒輪滲碳層的工藝測量方法上,我國現行標準規定用金相法測量總層深,這種方法不能直觀(guān)地反映出淬硬層的硬度分布情況,國際上通用的是用硬度法測量滲碳層有效淬硬層深。目前有些大企業(yè)已開(kāi)始使用硬度法,并正在逐漸推廣。
    1.3 齒輪熱處理工藝研究進(jìn)展
    為解決滲碳鋼冷加工性能不良的問(wèn)題,獲得良好的金相組織和合適的硬度,尋求一種最佳的預備熱處理工藝是很有價(jià)值的。某齒輪廠(chǎng)從20世紀末就采用等溫退火代替原來(lái)的正火工藝。實(shí)踐表明,等溫退火后的齒坯具有良好的切削加工性能,能夠減少刀具的磨損,延長(cháng)刀具的壽命。另外也能不同程度地穩定零件最終熱處理的淬火變形。
    目前,國外汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)家對齒輪鍛坯普遍采用等溫退火處理,對不同的材料規定了不同的等溫退火工藝。國內外的生產(chǎn)實(shí)踐表明,經(jīng)等溫退火處理的齒輪不僅機加工性能大大提高,而且滲碳淬火后的變形也明顯減少。
    1.4 齒輪熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢
    1)研究開(kāi)發(fā)新型齒輪用鋼,如20CrNi2Mo、17CrNiMo6。
    2)研究開(kāi)發(fā)齒輪熱處理新工藝,如直升式滲碳
    3)隨著(zhù)我國汽車(chē)生產(chǎn)朝高質(zhì)量、大批量方向發(fā)展,各汽車(chē)制造廠(chǎng)也越來(lái)越重視汽車(chē)齒輪鍛坯的預先熱處理?，F代化的大批量生產(chǎn),能獲得均勻的組織和硬度,加工性能,合金滲碳鋼火處理,目的是調整鋼件的顯微組織和硬度,改善其切削加工性能,并為滲碳淬火作好組織準備,以減少淬火變形。但是,近年來(lái),隨著(zhù)齒輪新材料的開(kāi)發(fā)、齒輪材料的多樣化和對齒輪質(zhì)量的高標準要求,正火工藝常常難以滿(mǎn)足生產(chǎn)的實(shí)際需要,尤其是大功率發(fā)動(dòng)機的問(wèn)世,促進(jìn)了新型Cr2Ni2Mo系列鋼的開(kāi)發(fā)和應用,使鍛后熱處理工藝的研究顯得更為重要和迫切。
    正火時(shí),鋼的組織轉變是在連續冷卻過(guò)程中、即一定的溫度范圍內進(jìn)行的,所得到的組織不均勻,而且批量正火時(shí),鍛坯往往成堆在空氣中冷卻或吹風(fēng)冷卻,其冷卻速度易受其在堆中的位置及周?chē)h(huán)境的影響,造成同批零件的硬度波動(dòng)較大,同時(shí)又會(huì )增大滲碳淬火時(shí)的變形量。當材料中的C、Mn、Mo、Cr等元素含量較高時(shí),正火后的金相組織常有粒狀貝氏體組織出現,使得零件正火后的硬度高,造成不良品。為了降低硬度,常采用高溫回火,這樣雖然保證了鍛件硬度,但因組織中的貝氏體不能完全消除,且貝氏體組織回火轉變產(chǎn)物的彌散度較高,零件切削性能不好。為達到產(chǎn)品需要的硬度,需進(jìn)行二次加熱回火,明顯加大了熱處理的能耗和工藝成本。
    4)齒輪熱處理變形與控制技術(shù)研究及精密齒輪熱處理技術(shù)。
    5)開(kāi)發(fā)齒輪成形新工藝。
    6)在應用滲碳齒輪鋼的新材料中,采用齒輪噴丸強化技術(shù),或采用齒輪電拋光修形處理技術(shù),可以大大提高齒輪的抗疲勞 能力和表面耐磨性能。據此,可以開(kāi)發(fā)出大模數重載齒輪。
    綜上所述,近年來(lái),隨著(zhù)我國汽車(chē)行業(yè)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),國內目前使用的齒輪用鋼已遠不能滿(mǎn)足性能要求,優(yōu)質(zhì)汽車(chē)滲碳齒輪用鋼的開(kāi)發(fā)和應用勢在必行。因此,對汽車(chē)滲碳齒輪新材料的與熱處理工藝的研究具有很大的現實(shí)意義,它將推動(dòng)汽車(chē)滲碳齒輪技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。