[发明专利]一种高温真空渗碳齿轮用钢

说明书

技术领域

本发明属于合金钢领域，特别涉及一种高温真空渗碳齿轮用钢，高温真空渗碳前后钢材的晶粒度保持在7.0～8.0级，淬透性J5mm稳定控制在32HRC～42HRC，钢材组织稳定，性能稳定。

背景技术

随着环境污染和能源枯竭的日益加剧，环保、节能、高性能、高效率的高温真空渗碳技术成为近年国际热处理技术发展及应用的主要方向。目前国内外常用的气体渗碳温度一般不高于930℃，而高温真空渗碳由于其处理环境无氧，因此其渗碳温度可高达980℃甚至1000℃以上。根据渗碳原理计算，渗碳温度提高53℃左右，渗碳时间可以缩短50％左右。因此如果把渗碳温度提高到980℃，可以使渗碳时间缩短为原来的50％。高温真空渗碳技术以其自身的优势逐渐成为替代气体渗碳技术的必然选择。

从二十世纪九十年代开始，高温真空渗碳技术在欧洲和日本开始实现工业应用。然而，到目前为止，国内只有少数几家汽车零部件生产企业引进了高温真空渗碳成套设备，并且由于缺乏配套的高温真空渗碳用齿轮钢种，致使该设备当作普通渗碳设备使用，造成企业与社会资源浪费。因此，高温真空渗碳齿轮钢的开发研究迫在眉睫。

高温真空渗碳齿轮钢的主要技术难题是在提高渗碳温度后齿轮钢的奥氏体晶粒出现混晶和晶粒粗大现象，从而影响齿轮的强度和精度，使齿轮无法使用而报废。为保证高温真空渗碳齿轮的性能要求，一般要求奥氏体晶粒度为5.0-8.0级。为获得所要求的晶粒度，人们通常采用的方法是控制Al、N含量，或者添加Nb、Ti、V等元素，形成Al、Nb、Ti、V的碳、氮化合物微粒钉扎钢材的奥氏体晶界，阻碍奥氏体晶粒在加温过程中异常长大，从而提高齿轮钢奥氏体晶粒粗化温度，保证齿轮经过高温真空渗碳处理后其组织和性能符合齿轮的使用要求。

另一方面，为保证齿轮的淬火强度，通常对齿轮钢的淬透性提出要求。相关研究数据表明：齿轮齿根(对应J5mm)处的淬火硬度为32-42HRC时，齿轮的疲劳寿命达到最佳水平。现有的研究结果表明，添加Nb等微合金元素使齿轮钢经过常温渗碳淬火后的晶粒度提高到10级以上，这样可以大幅度提高齿轮钢的疲劳强度。但按照SAE J406标准，晶粒度每升高1级，淬透性降低8％，因此不利于齿轮钢的淬透性控制和强度提高。此外，加入Nb元素会使钢材的热加工性能变差，同时不可避免的会提高齿轮的加工成本。

Ti元素也是齿轮钢常见的控制晶粒度的微合金元素。Ti能与碳、氮形成TiN和TiC起到钉扎晶界、抑制奥氏体晶粒异常长大的效果。但是，Ti含量过高容易形成粗大的TiN夹杂，且TiN夹杂形状尖锐，严重影响齿轮钢的疲劳强度等性能。

V元素的作用与Ti元素相近，但是由于V(CN)析出物的固溶温度较低，因此，V元素在高温渗碳条件下，对抑制齿轮钢高温奥氏体晶粒粗化的作用不如Nb和Ti元素明显。

中国专利CN101319294A采用降低20CrMoH的终轧温度至900℃，同时添加Nb等微合金元素使晶粒度提高到10级以上，从而使钢材的接触疲劳性能提高30％以上，弯曲疲劳强度提高15％以上。由于晶粒度过细，该专利通过加入B来提高其淬透性。已有的研究已经表明，B是对淬透性非常敏感的元素，B含量的微小变化会引起淬透性较大的波动，因此齿轮钢中加入B元素不利于齿轮钢淬透性带宽的窄幅控制。

中国专利CN101603151A通过增加Nb元素降低了Ti含量，解决了由于Ti夹杂多而引起的接触疲劳寿命问题，但是，Nb元素的加入也提高了齿轮钢材的生产成本。

中国专利CN101275204A公开了了一种CrMnTi齿轮钢，Ti含量控制在0.010％-0.038％，仍然具有较高的Ti元素含量，出现夹杂的可能性仍然较大，不利于钢材的组织和性能。

中国专利CN101096742A公开了一种高强度汽车用齿轮钢，钢中复合加入了Nb、V、Al等合金元素，细化了原始奥氏体晶粒。但是，Nb、V的复合添加也提高了钢材的生产成本。

综上所述，合金元素含量过低，不能达到钢材设计目的，无法满足用户的工况要求，合金元素含量过高，使某些性能指标过剩，提高了钢材成本，浪费了有限资源。因此应该在保证性能的前提下，尽量降低钢材中合金元素的种类和数量，提高钢材的成本竞争优势。

发明内容