铬锰钛钢和硼钢

长期以来，我国载货汽车齿轮使用**普遍的钢种是20CrMnTi。这是上世纪50年代我国从原苏联引进的中型的汽车齿轮18XTr钢种(即20CrMnTi钢)。该钢晶粒细，渗碳时晶粒长大倾向小，具有良好的渗碳淬火性能，渗碳后可直接淬火。文献指出，在1980年以前，我国的渗碳合金结构钢(包括20CrbinTi钢)在钢材出厂时只保证钢材的化学成分和用样品测定的力学性能，但是在汽车生产时常常出现化学成分和力学齿轮轴齿轮轴性能合格的钢材，由于淬透性能波动范围过大而影响产品质量的情况。例如若20CrMnTi渗碳钢的淬透性过低，则制成的齿轮渗碳淬火后，心部硬度低于技术条件规定的数值，疲劳试验时，齿轮的疲劳寿命降低一半；若淬透性能过高，则齿轮渗碳淬火后内孔收缩量过大而影响齿轮装配。由于钢材淬透性能对轮齿心部的硬度和畸变都有极其重大的影响，1985年冶金部颁布了我国的保证淬透性结构钢技术条件(GB5216-85)，在此技术条件中列入了包括20CxMnTiH、20MnVBH钢在内的10种渗碳钢的化学成分、淬透性能数据。标准中规定：用于制造齿轮的20CrMnTi钢的淬透性能指标为距水冷端9咖处的硬度为30-42HRC。在此之后，采用20CrMnTi钢生产齿轮的齿心部硬度过低和畸变过大的问题基本上得到了解决。但是不管齿轮模数大小和钢材截面粗细均采用同一钢号20CrMnTi钢显然是不合理的。由于我国钢材冶炼技术水平的提高，和合金结构钢供应情况的改善，已经有条件把齿轮钢的淬透性能带进一步缩窄，并根据不同产品(如变速器齿轮与后桥齿轮等)的要求开发新的钢种以满足其要求。通过与钢厂协商，1997年长春一汽先后与生产齿轮钢厂的生产厂家签定了将20CrMnTi钢淬透性能分挡供应的协议，例如“解放”牌5t载货汽车上用于制造截面尺寸较小的变速器**轴、中间轴齿轮和截面尺寸较大的后桥主、从动圆锥齿轮用20CrMnTiH钢淬透性能组别分别为I和Ⅱ，对应淬透性能分别为J9：30—36HRC和J9=36～42HRC。1960年前后，由于我国镍、铬钢的供应紧张，影响了我国含镍、铬钢材的生产。而当时我国的汽车工业是从原苏联引进的技术，苏联大量应用含镍、铬的钢材。因此，当时我国汽车工业大力发展了硼钢的开发、研制工作，用20MnVB和20Mn2TiB钢代替20CrMnTi渗碳钢制造齿轮。这是因为在结构钢中加入微量硼(0.0001%-0.0035%)可以显著地提高钢材的淬透性能，因此钢中加入微量硼可以代替一定数量的锰、镍、铬、钼等贵重合金元素，因而硼钢得到广泛的应用。长春一汽曾在“解放”牌汽车齿轮生产中使用过20MnTiB和20Mn2TiB钢。东风汽车公司生产的“东风”牌5，载货汽车变速器和后桥齿轮分别采用20CrMnTi和20MnVB钢制造。同样，也与钢厂签定了把钢材淬透性能带缩窄并分档供应的协议。变速器和后桥主、从动圆锥齿轮用钢分别为20CrMnTiH(3)和20MnVBH(2)、20MnVBH(3)，对应淬透性能分别为J9=32～39HRC和J9=37～44HRC、J9=34～42HRC。我国綦江齿轮厂引进了德国公司的重型汽车变速器齿轮生产技术，在国内按德国Ⅲ公司的标准试制了该公司的Cr-Mn-B系含硼齿轮钢获得成功。其齿轮材料的淬透性能为J10=31～39HRC当然，20CrMnTi钢及20MnTiB钢、20MVB钢等含硼钢也存在不足。一般认为20CrMnTi等渗碳钢是本质细晶粒钢，渗碳后晶粒不会粗化，可直接淬火。但实际上由于钢材冶炼质量的影响，常常在正常条件下发生晶粒粗化现象。对多批材料的实际晶粒度试验，发现相当部分实际晶粒度只有2—3级(930℃保温3h条件下)。文献认为，20CrMnTi由于Ti含量较高，钢中TiN夹杂物多，尤其是大块的TiN夹杂是齿轮疲劳时的疲劳源，它的存在会降低齿轮的接触疲劳性能。这种夹杂物呈立方结构，受力时易发生解理开裂，导致齿轮早期失效。另一个问题是该钢的淬透性能有限，不能满足大直径大模数齿轮的要求，渗碳有效硬化层深度和心部硬度均不能满足重型齿轮的要求。此外，在热处理过程中20CrMnTi钢易产生内氧化和非马氏体组织而降低齿轮的疲劳寿命。但在我国齿轮渗碳钢中还没有哪一种钢在渗碳工艺上有20CrMn直齿轮直齿轮Ti钢这样成熟和可靠。所以，它仍是目前国内使用**普遍的渗碳钢种。20MnVB、20MnTiB和20Mn2TiB等硼钢也存在一些缺点，如在冶炼时由于脱氧去氮不好而使硼不能起到增加淬透性能的作用，因此，使硼钢的性能不稳定，渗碳淬火后的齿轮畸变增大而影响产品的质量。同时由于混晶和晶粒易于粗大，致变形不易控制和韧性较差，且硼钢齿轮根部易产生托氏体组织和碳氮共渗齿轮的黑网、黑带。因此，很多工厂中止使用该钢种。但是由此决不能就此得出硼钢不适宜作齿轮渗碳钢的结论。含硼的渗碳钢在国外还有使用。例如，德国**的Ⅳ齿轮厂，一直使用由其本厂拟订的保留钢种ZF7，这是一种含硼的低碳铬锰钢。该钢主要的化学成分(质量分数，%)为0.15～0.20C，0.15～0.40S，1.0～1.3Cr，1.0～1.3Mn，0.001～0.003B。美国汽车变速器齿轮和后桥主、从动齿轮有的也采用含硼渗碳钢，如50B15、43BVl4和94B17。因此，只要钢厂冶炼技术跟上去，硼钢的上述问题是能够解决的。20CrMnTiH、20MnVBH和20MnTiBH钢齿轮锻坯在连续式等温正火炉内进行处理可以保证得到均匀分布的片状珠光体+铁素体。这样可以使齿轮的热处理畸变大大减小，使齿轮的精度提高，使用寿命延长。齿轮锻坯等温正火硬度为156～207HB。