齿轮材料

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我国齿轮行业新材料新工艺技术创新
字体大小：大 中 小　　2010-10-15 10:51:11　　来源：中国金属加工在线　　
    国外先进水平的车桥保修期为100万～150万km，而国内重载驱动桥的保修期为10万km。另外，国内重型车桥精度低、噪声大，已成为重卡用户的一大烦恼，与国际先进水平差距很大。
    从商用车供应链系统来看，车桥制造商与其他零部件厂商一样，正遭受着来自主机厂以及钢材、油、煤等原材料涨价的双重压力。2008年驱动桥企业的采购成本分别同比增长10.7%，但销售价仅增长1.4%，根本无法弥补原材料上涨的成本压力。
    因此，我国商用车驱动桥制造业围绕提高精度，延长使用寿命，降低制造成本，大力展开科技创新，创立具有自主知识产权的制造技术，已成为行业发展的必然趋势。
    一、自主创新的技术成果与进展
    1.稀土催渗技术
    对驱动桥齿轮弯曲疲劳寿命影响最大的因素有4个；心部硬度、啮合精度、渗层对齿轮心部的压应力，以及齿根部位的非马组织。采用Cr-Mn-Ti系齿轮钢，代替Cr-Ni-Mo系齿轮钢是解决钢材采购成本问题的惟一途径。按2010年5月价格，由国外引进且国内常用的17CrNiMo6H、20CrNi2MoH钢材价为13000～11000元/t，淬透能力与之相同的Cr-Mn-Ti系齿轮钢材价格为5000～6000元/t。
    Cr-Mn-Ti系齿轮钢惟一的缺点是抗内氧化的能力低，按常规渗碳工艺，齿根部位非马组织0.03～0.05mm，达不到≤0.02mm的要求；而齿根非马组织太高，降低了齿轮表层对心部的压应力。哈工大与哈汇隆齿轮厂合作，采用稀土催渗工艺，成功地解决了这一难题；将457锥齿轮齿根部位的非马组织控制在0.02mm以内，所用钢材为Cr-Mn-Ti系。目前，哈工大的稀土催渗技术已取得国家发明专利。该专利技术使得我国建立自己的Cr-Mn-Ti齿轮用钢合金化体系成为可能。
    2.重载驱动桥锥齿轮Cr-Mn-Ti齿轮钢的应用
    重载驱动桥锥齿轮及工业齿轮的特点是，齿轮的截面大，齿轮淬火所产生的热应力对齿轮的热后变形影响大。为减轻热应力对齿轮啮合精度的影响，欧洲重载工程用车生产厂应对的措施是：
    （1）降低齿轮用钢的含碳量马氏体的比体积与钢材的含碳量有关，含碳量越高，齿轮心部发生马氏体相变产生的体积效应越大，齿轮的热后变形越大。为减小齿轮的热后变形，应尽量降低钢材的含碳量。欧洲重载驱动桥锥齿轮和工业齿轮用钢均为17CrNiMo6H，含碳量（质量分数）为0.14%～0.20%。
    （2）提高齿轮钢材的淬透能力重载驱动桥主动锥齿轮用钢淬透性J25=34～41HRC，德国弗兰德公司的工业齿轮用钢的淬透性J30=34～41HRC。
    （3）降低淬火冷却速度采用冷却强度较低的分级淬火油，减小热应力。
    CGMA001-1∶2004车辆齿轮钢采购标准，其中的20CrMnTiH6钢是用于重载驱动桥主动锥齿轮的试用钢种。生产实践证明，该钢种用于重载驱动桥主动锥齿轮不是好的选择，原因如下：
   第一，按照上述欧洲的技术方案，为减小热应力，应当采用分级淬火油淬火，配用钢材的淬透性应为J25=34～41HRC。20CrMnTiH6钢淬透性为J25=30～36HRC，若采用分级淬火油，齿轮心部淬火硬度为30～36HRC，达不到34～41HRC的要求。其中心部硬度低于32HRC的锥齿轮，10万km的保修期未到，就会出现早期断齿。
    第二，因为20CrMnTiH6钢的淬透性低，为保障齿轮心部硬度能达到34～41HRC，齿轮厂只能采用快速淬火油，将齿轮心部淬火冷速由J25提高到J15。其后果是：齿轮淬火冷速快，产生的热应力大，热后变形大。
    第三，因为20CrMnTiH6钢的合金量较低，为使钢的淬透性达到J15=34～41HRC的要求，实际含碳量（质量分数）应提高到0.21%～0.23%。
    目前，一汽集团重载驱动桥锥齿轮用钢为22CrNiMoH、22CrMoH，含碳量（质量分数）为0.19%～0.25%。与欧洲齿轮行业采用的17CrNiMo6H钢相比，我国重载驱动桥齿轮用钢材的含碳量高。锥齿轮淬火冷速快，热应力大。钢材含碳量高，马氏体相变的体积效应高，是锥齿轮啮合精度低、噪声高的重要原因。
    目前，我国提高齿轮啮合精度、降低噪声只能靠“磨齿”，磨削量0.10～0.30mm。据报道，磨齿能提高啮合精度，但对降低噪声效果不佳。采用“珩齿”工艺既能提高齿轮的啮合精度，又能显着降低噪声，磨削量0.02～0.05mm，成本是磨齿工艺的一半。采用“珩齿”工艺的先决条件是齿轮热后变形不能太高。因此，降低淬火冷速，采用低碳高淬透性齿轮用钢材，降低齿轮的热后变形，为执行“珩齿”工艺创造条件，是必须采取的措施。
    2005年曾有人提出：用17Cr2Mn2TiH钢代替国外引进的Cr-Ni-Mo系重载驱动桥齿轮用钢；钢的淬透性J25=34～41HRC；可采用729分级淬火油。钢材的含碳量、淬透性均与17CrNiMo6H钢相同，可全部吸取欧洲齿轮行业的先进经验。双骏、株齿、汇丰齿轮厂用17Cr2Mn2TiH2齿轮钢代替22CrMoH钢，用于153驱动桥主动锥齿轮；用17Cr2Mn2TiH3钢代替20CrNi3H、22CrNiMoH钢，用于457驱动桥主动锥齿轮，共生产50000套驱动桥齿轮。EQ153N2B桥台架寿命考核结果：日产柴标准规定：输出扭距30000N•m，输出10万次合格。17Cr2Mn2TiH2主动锥齿轮输出扭距30000N•m，输出40～50万次齿断，大大超过日产柴标准要求，并且齿轮啮合精度高，噪声低。株齿用17Cr2Mn2TiH与22CrNiMoH对比试验，用于457桥主动锥齿轮，台架寿命相当，跟踪跑车试验未见异常。从2005～2010年，5万套主动锥齿轮投放市场，至今没有出现锥齿轮失效的信息返回。鉴于上述成功的试验，17Cr2Mn2TiH钢将纳入新标准，作为试用钢，用于153、457、460、485、500重载驱动桥锥齿轮用钢，以进一步在实践中考核、完善重载驱动桥齿轮用钢。
    （2）提高齿轮钢材的淬透能力重载驱动桥主动锥齿轮用钢淬透性J25=34～41HRC，德国弗兰德公司的工业齿轮用钢的淬透性J30=34～41HRC。
    （3）降低淬火冷却速度采用冷却强度较低的分级淬火油，减小热应力。
    CGMA001-1∶2004车辆齿轮钢采购标准，其中的20CrMnTiH6钢是用于重载驱动桥主动锥齿轮的试用钢种。生产实践证明，该钢种用于重载驱动桥主动锥齿轮不是好的选择，原因如下：
    第一，按照上述欧洲的技术方案，为减小热应力，应当采用分级淬火油淬火，配用钢材的淬透性应为J25=34～41HRC。20CrMnTiH6钢淬透性为J25=30～36HRC，若采用分级淬火油，齿轮心部淬火硬度为30～36HRC，达不到34～41HRC的要求。其中心部硬度低于32HRC的锥齿轮，10万km的保修期未到，就会出现早期断齿。
    第二，因为20CrMnTiH6钢的淬透性低，为保障齿轮心部硬度能达到34～41HRC，齿轮厂只能采用快速淬火油，将齿轮心部淬火冷速由J25提高到J15。其后果是：齿轮淬火冷速快，产生的热应力大，热后变形大。
    第三，因为20CrMnTiH6钢的合金量较低，为使钢的淬透性达到J15=34～41HRC的要求，实际含碳量（质量分数）应提高到0.21%～0.23%。
    目前，一汽集团重载驱动桥锥齿轮用钢为22CrNiMoH、22CrMoH，含碳量（质量分数）为0.19%～0.25%。与欧洲齿轮行业采用的17CrNiMo6H钢相比，我国重载驱动桥齿轮用钢材的含碳量高。锥齿轮淬火冷速快，热应力大。钢材含碳量高，马氏体相变的体积效应高，是锥齿轮啮合精度低、噪声高的重要原因。
    目前，我国提高齿轮啮合精度、降低噪声只能靠“磨齿”，磨削量0.10～0.30mm。据报道，磨齿能提高啮合精度，但对降低噪声效果不佳。采用“珩齿”工艺既能提高齿轮的啮合精度，又能显着降低噪声，磨削量0.02～0.05mm，成本是磨齿工艺的一半。采用“珩齿”工艺的先决条件是齿轮热后变形不能太高。因此，降低淬火冷速，采用低碳高淬透性齿轮用钢材，降低齿轮的热后变形，为执行“珩齿”工艺创造条件，是必须采取的措施。
    2005年曾有人提出：用17Cr2Mn2TiH钢代替国外引进的Cr-Ni-Mo系重载驱动桥齿轮用钢；钢的淬透性J25=34～41HRC；可采用729分级淬火油。钢材的含碳量、淬透性均与17CrNiMo6H钢相同，可全部吸取欧洲齿轮行业的先进经验。双骏、株齿、汇丰齿轮厂用17Cr2Mn2TiH2齿轮钢代替22CrMoH钢，用于153驱动桥主动锥齿轮；用17Cr2Mn2TiH3钢代替20CrNi3H、22CrNiMoH钢，用于457驱动桥主动锥齿轮，共生产50000套驱动桥齿轮。EQ153N2B桥台架寿命考核结果：日产柴标准规定：输出扭距30000N•m，输出10万次合格。17Cr2Mn2TiH2主动锥齿轮输出扭距30000N•m，输出40～50万次齿断，大大超过日产柴标准要求，并且齿轮啮合精度高，噪声低。株齿用17Cr2Mn2TiH与22CrNiMoH对比试验，用于457桥主动锥齿轮，台架寿命相当，跟踪跑车试验未见异常。从2005～2010年，5万套主动锥齿轮投放市场，至今没有出现锥齿轮失效的信息返回。鉴于上述成功的试验，17Cr2Mn2TiH钢将纳入新标准，作为试用钢，用于153、457、460、485、500重载驱动桥锥齿轮用钢，以进一步在实践中考核、完善重载驱动桥齿轮用钢。

南宫霹雳

什么世道？