[发明专利]一种齿轴用钢及其制造方法

说明书

本发明提供了一种齿轴用钢，包括按质量百分比计的化学成分：C：0.27～0.33％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.65～1.00％，S：0.010～0.040％，Cr：0.80～1.20％，Al：0.030～0.050％，N：0.008～0.020％，Nb：0.002～0.030％，其中，淬透性临界理想直径Di的值为3.0～3.5in；其中：Di＝0.54×C×(3.33Mn+1)×(0.70Si+1)×(0.363Ni+1)×(2.16Cr+1)×(3.0Mo+1)×(0.365Cu+1)×(1.73V+1)×(2.50Nb+1)，式中的各化学元素均代入该化学元素的质量百分含量的百分号前面的数值。还提供了一种齿轴用钢的制造方法，所述齿轴用钢具有良好的高温晶粒稳定性，且具有较高的淬透性和较窄的淬透性带宽。

技术领域

本发明涉及合金钢领域，特别涉及一种齿轴用钢及其制造方法。

背景技术

随着汽车工业深入发展，市场和用户对汽车安全、环保和舒适的需要日益增长，汽车零部件的技术要求也越来越高。其中高性能齿轮或轴类零部件表面一般要经过硬化处理，如渗碳和淬火及回火处理，或者感应淬火及低温回火，或者经过碳氮共渗处理，以得到硬度较高的表面和韧性较好的心部，最终获得优异的抗疲劳寿命及耐磨性能等。近年来，面对汽车特别是新能源车减速器及差速器对齿轮或轴类零部件的高技术要求，高温渗碳技术应用日趋广泛，既可以获得性能优异的渗碳齿轮，又可以大幅提升生产效率，并减少气体排放而保护环境。

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960℃甚至1000℃以上。根据渗碳原理计算，渗碳温度提高50℃左右，获得同样厚度硬化层的渗碳时间可以缩短50％左右；因此如果把渗碳温度从930℃提高到980℃，可以使渗碳时间缩短为原来的50％，生产效率明显提升。此外，采用高温真空渗碳所得齿轮，表面少甚至无沿晶氧化，可以明显提高抗冲击断裂性能。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。

中碳齿轮钢通常在调质状态下使用，也可在正火后使用，用于制造在磨损及摩擦条件下或在很大冲击负荷下工作的重要机件，如轴、小轴、平衡杠杆、摇杆、连杆、螺栓、螺帽、齿轮和各种滚子等。这种钢可用作高频表面淬火用钢，也可以渗碳或者渗氮或者碳氮共渗，用于制作要求高的表面硬度及耐磨性的零件。

目前广泛使用的中低碳MnCr系齿轮钢，以其优异的综合性价比，在新能源车减速器及差速器上也有大量应用。MnCr系高淬透性齿轮钢的主要技术难题是在提高渗碳温度或延长感应加热时间的同时，齿轮不出现混晶和晶粒粗大现象；而一旦发生晶粒异常长大，则容易导致热处理变形和早期疲劳断裂等，有影响传动效率和造成交通事故的可能性。不仅如此，为了应对复杂形状齿轮的淬火及回火，伴随高温真空渗碳的气体淬火应用日趋广泛，对齿轮钢的淬透性也提出了更高要求。

试验研究表明，在MnCr系渗碳齿轮钢中添加Al、Nb、V、Ti及N等元素，利用碳氮化物可防止高温热处理时的晶粒异常长大。但仍存在着齿轮晶粒粗化温度不够高、大生产所得齿轮钢奥氏体晶粒度不稳定等问题。

例如：公告号为CN 10047346 C、名称为“高强度汽车用齿轮钢”的中国专利，其钢中复合加入了Nb、V、Al等合金元素，细化了原始奥氏体晶粒。通过加入微量的Nb、V后，齿轮钢的晶粒度、淬透性及其带宽均得到明显优化；同时增加了齿轮钢的综合力学性能，使用寿命延长。但该专利没有说明具体渗碳温度，添加了Al、Nb和V等微合金元素，仅可以满足常规气体渗碳的温度要求。

又例如：专利CN 101096742A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。通过加入微量的Nb、V后，齿轮钢的晶粒度、淬透性及其带宽均得到明显优化，从而使批量生产的齿轮的热处理变形量较小，配对率提高；同时增加了齿轮钢的综合力学性能，使用寿命延长；而且，成本低。该专利添加了贵金属元素Mo和V及Nb等，系成本较高的MnCr系渗碳齿轮钢。