[发明专利]二次硬化齿轮钢

说明书

对相关专利申请的交叉引用

本国际申请要求以下申请的优先权：申请日为2007年8月22日、申请号为60/957,307 的美国临时专利申请，以及申请日为2008年8月20日、申请号为12/194,964的美国专利 申请。这两份专利申请均通过引用结合到本申请中。

政府利益

与本发明主题有关的研究活动至少部分受到美国政府、海军空战中心第 N68335-06-C-0339号合同的资助，因此受到美国许可权和其它权利的制约。

技术领域和背景技术

本发明主要涉及高性能渗碳齿轮钢，由于表面硬度和钢芯韧性的独特、有益的结合， 这种齿轮钢能够提高旋翼机的动力传输性能。美国海军估计，如果齿轮耐久性提高20％， 每年就可为国防后勤局节省一千七百万美元。不过，旋翼机工业超过二十年没有采用新的 齿轮钢，而是着重于表面处理的优化如激光喷丸、超精加工和定向锻造。这些处理在提高 耐久性方面的作用渐渐变小。本发明提供对处理方法改善进行补充的技术方案，本发明使 那些能够在更高操作温度下传送更大动力的高性能齿轮尺寸更小、重量更轻。

渗碳钢X53(美国专利4,157,258)是旋翼机传动装置现在所用的材料。与X53号钢相 比，本发明着重于提高表面强度和钢芯断裂韧性，并将热稳定性提高至450℃，以便提供 高温剧增中的热硬度。

美国专利6,464,801也公开了表面硬化钢。但是专利6,464,801中的实施例A1显示出 有限的表面硬度，即洛氏硬度C级(HRC)值为60-62。专利6,464,801中的另一实施例中， 钢C3显示出更大的表面硬度即HRC值为69，但是钢芯缺乏韧性。用作齿轮时，钢芯的断 裂韧性必须超过50ksi√in。因此，需要开发HRC表面硬度至少约62～64、可用钢芯韧性超 过50ksi√in的渗碳齿轮钢。

发明内容

简单地说，本发明包括特别用于旋翼机传动装置的高性能齿轮钢。这种钢与常规渗碳 齿轮钢相比具有更高的表面硬度和钢芯断裂韧性。这种钢具有合理的碳化物溶线温度，该 溶线温度反过来能够使气体或真空渗碳反应得以发生。在固溶热处理温度下进行气体淬火 后，所述钢变成主要为板条马氏体的基体。在回火时，最佳强化弥散的二次碳化物M₂C析 出，其中M为钼、铬、钨和/或钒。所述钢的高的回火温度使得与常规齿轮钢如X53或9310 相比，用其制成的传动部件具有更高的工作温度。

为了实现高的钢芯韧性，仔细地平衡基体的组成，以确保韧-脆转变低于室温。这种设 计的组成也有效地限制了用于使变脆的拓扑密堆(Topologically-Close-Packed，TCP)金 属间相(如σ和μ)沉淀的热力学驱动力。本发明的钢的韧性还通过颗粒钉扎(Grain-pinning) 晶粒的细分散体分布状态得以提高，所述颗粒钉扎晶粒在渗碳和固溶热处理周期中是稳定 的。所述颗粒钉扎晶粒为MC碳化物，其中M＝Ti、Nb、Zr、V，优选为Ti，所述晶粒在 均质化过程中溶解，然后在锻造过程中析出。

表I

本发明优选实施例中的钢如上表中的C64。由于含有W，这种钢与美国专利6,464,801 披露的那些钢(即A1、C2和C3)不同。含有W使得M₂C驱动力增大(与含有Cr或 Mo类似)，并唯一地限制了用于不受欢迎的TCP相的沉淀的热力学驱动力。其中，Mo和 Cr优先提高σ相而不是μ相，W则提供与之相反的效果。因此，通过添加W，用于σ相 和μ相的总驱动力得以平衡，避免了任一TCP相的析出。

合金C69B是一个相反的例子。虽然合金C69B也包含W并成功地避免了TCP相的析 出，但是基体中Ni的含量不足，使得韧-脆转变温度高于室温。因此本发明实施例的合金 中Ni的含量较高，以使韧-脆转变温度高于室温，同时使用于M₂C的驱动力最大，从而使 本发明的钢与任何已知的二次硬化钢相比，在可用韧性下具有最高的表面硬度。

由于高的表面硬度、好的钢芯韧性，以及高温性能，本发明的钢被认为特别适合制造 直升机传动系统的齿轮。本发明的钢的其它用途包括车辆的传动装置和装甲。关于前面例 举的钢的组成，所述合金的组成优选为可以在平均值的正负百分之五范围内变化。

附图说明

下面参考以下附图，对本发明作详细描述：

图1为系统设计图，该图描绘了本发明合金的理想层次微观结构、必需的处理和特性 目标之间的交互作用；