專利名稱：用于變速齒輪的Cr－Mo合金鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于變速齒輪和軸的高強(qiáng)度鉻-鉬(Cr-Mo)合金鋼。具體來說，本發(fā)明涉及適用于變速齒輪和軸的高強(qiáng)度鉻-鉬合金鋼，其具有良好的物理性能，成本較低，并且減少了熱循環(huán)次數(shù)，改進(jìn)了加工工藝。
背景技術(shù)：
汽車變速齒輪的傳統(tǒng)生產(chǎn)工序包括材料的熱鍛或冷鍛；冷卻(氣冷或室溫下冷卻)；加工前的熱處理(ISO退火或正火)；切削加工(車或銑)；滲碳熱處理；后處理工藝(研磨，珩磨)，如

圖1所示.
Cr合金，Cr-Mo合金和Ni-Cr-Mo合金鋼廣泛應(yīng)用在汽車變速齒輪的生產(chǎn)中。因?yàn)榇蟛糠钟米銎囎兯冽X輪的合金鋼材料都在滲碳熱處理后使用，所以最好選擇適用于每個(gè)工序的合金鋼材料，其成本低廉并且能夠在熱處理后保持良好物理性能。
也就是說，優(yōu)選的汽車變速齒輪的合金鋼材料具有很好的可鍛性，切削性，物理性能(比如，疲勞和沖擊性能)，和易于接受的生產(chǎn)成本。
例如，日本專利申請(qǐng)Hei9-201644號(hào)和Hei4-88148號(hào)公開了一種經(jīng)濟(jì)的Cr合金鋼和Cr-Mo合金鋼，但由于疲勞和沖擊性能比較差，主要用于制造不承載高載荷的齒輪。
另一方面，盡管Ni-Cr-Mo合金鋼有明顯的缺陷，比如鎳的使用帶來的顯著成本提高和加工困難，但是其疲勞和沖擊性能非常出色。因此，Ni-Cr-Mo合金被廣泛用來生產(chǎn)承擔(dān)相對(duì)高載荷的齒輪(日本專利No.Hei9-296250和日本專利No.Sho63-235452)。
因?yàn)殒嚨膬r(jià)格在北美和歐洲比在亞洲相對(duì)較低，北美和歐洲的發(fā)動(dòng)機(jī)公司已經(jīng)使用Ni-Cr-Mo合金鋼來生產(chǎn)汽車齒輪和軸。
在生產(chǎn)齒輪的滲碳鋼中，鉬或鎳作為添加的合金元素來提高硬度，強(qiáng)度和韌性。然而，鎳的價(jià)格高昂，并且當(dāng)添加到鋼中時(shí)由于不當(dāng)?shù)卦黾愉摰捻g性而導(dǎo)致產(chǎn)生許多問題。比如，鎳的機(jī)械加工性比較差，損害輪齒表面的光潔度，減少加工工具的使用壽命并降低生產(chǎn)率。
因此，需要研發(fā)一種具有出色的硬度和切削性，經(jīng)濟(jì)可行，并能替代Ni-Cr-Mo合金鋼的鉻鉬合金鋼。

發(fā)明內(nèi)容
因此，一方面，本發(fā)明提供了一種適用于變速齒輪和其他車輛部件的高強(qiáng)度Cr-Mo合金鋼，其中合金基本上或完全不需要鎳。這種Cr-Mo合金鋼避免了使用鎳帶來的相關(guān)問題(比如，在制備滲碳鋼時(shí)添加鎳會(huì)很昂貴，并且會(huì)降低鋼的機(jī)械加工性能，而且Ni-Cr-Mo合金鋼制成的齒輪會(huì)增加加工難度，比如降低生產(chǎn)率以及加工工具的使用壽命)。
本發(fā)明中優(yōu)選的Cr-Mo合金鋼表現(xiàn)了出色的物理性能，并降低了生產(chǎn)成本。具體的說，本發(fā)明的優(yōu)選Cr-Mo合金鋼在不降低期望性能的同時(shí)，避免了現(xiàn)有Cr-Mo和Ni-Cr-Mo合金鋼的缺點(diǎn)和不足。本發(fā)明的優(yōu)選Cr-Mo合金鋼表現(xiàn)了良好的物理性能，可以應(yīng)用于高強(qiáng)度，高耐用性，沖擊的設(shè)計(jì)，尤其適合于如汽車和卡車的變速齒輪和軸等車輛發(fā)動(dòng)機(jī)部件的生產(chǎn)中。
此外，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)Cr-Mo合金鋼的方法，本方法通過最大化的晶粒細(xì)化作用實(shí)現(xiàn)的高溫滲碳來減少熱處理循環(huán)次數(shù)。
本發(fā)明還可以生產(chǎn)含有所公開的Cr-Mo合金鋼的變速齒輪和輪軸以及其他車輛零部件。具體來說，本發(fā)明優(yōu)選Cr-Mo合金鋼，可以用來生產(chǎn)制造主輸出齒輪，差速傳動(dòng)齒輪，高功率手動(dòng)傳動(dòng)(high powerhand transmission)的輸入輸出軸等。
應(yīng)當(dāng)理解的是，這里所說的“車輛”或者其他類似的術(shù)語包括了客車，公共汽車，卡車，各種商用車輛，船，飛機(jī)等的機(jī)動(dòng)交通工具。
以下介紹了本發(fā)明的其它方面。
以下結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹使本發(fā)明的上述和其他目的和特點(diǎn)，其中圖1表示了生產(chǎn)車輛變速齒輪的工序圖2表示了齒輪彎曲疲勞的測(cè)試結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
如上所述，本發(fā)明提供了一種表現(xiàn)了良好物理性能并適合生產(chǎn)車輛零件和部件的Cr-Mo合金。
本發(fā)明的優(yōu)選Cr-Mo合金鋼包括主要成分鋼(Fe)，重量約為0.17％到0.21％的碳(C)，重量約為或小于0.15％的硅(Si)，重量約為0.60-0.85％的錳(Mn)，重量約為0.02％的磷(P)，重量約0.03％或更少的硫(S)，重量約為1.25-1.45％鉻(Cr)，重量約0.55-0.65％的鉬(Mo)，重量約0.015-0.035％的鈮(Nb)。同樣優(yōu)選的是，溶解氧以15ppm或更小的濃度添加到上述合金成分混合物中，提高了合金的致密性。優(yōu)選地，硅磷硫氧四種元素中一種或者多種或者全部都出現(xiàn)在合金中。
本發(fā)明特別優(yōu)選的Cr-Mo合金鋼包含重量為0.17-0.21％的碳(C)，重量為0.1％或更少的硅(Si)，重量為0.65-0.85％的錳(Mn)，重量為0.015％或更少的磷(P)，重量為0.025％或更少的硫(S)，重量為1.3-1.45％的鉻，重量為0.6-0.65％的鉬(Mo)，重量為0.02-0.035％的鈮(Nb)，氧是通過添加15ppm或更少的溶解氧加入。優(yōu)選地，硅磷硫氧都出現(xiàn)在合成的合金鋼混合物中，合金鋼的其余成分是鋼(Fe)。
如上所述本發(fā)明的優(yōu)選Cr-Mo合金鋼本基本或完全不需要鎳。具體的說，本發(fā)明的優(yōu)選合金鋼只有不到1％重量的鎳，更優(yōu)選的少于0.5、0.2或0.1百分含量的鎳，并且特別優(yōu)選的Cr-Mo合金鋼完全不需要鎳。
這種在Cr-Mo合金鋼的生產(chǎn)中，減少鎳的使用量或不使用鎳，能極大的提高機(jī)械加工性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，減少或不使用鎳并沒有降低物理性能，由于鉻和鉬含量的相對(duì)增加，與以往的系統(tǒng)相比至少性能保持不變。
除非另有說明，這里提到的重量百分比和百萬分率(ppm)，或其他類似百分比或比率單位是基于100％重量的合金鋼混合物或全部的合金鋼混合物。
當(dāng)不被理論限制時(shí)，本發(fā)明的優(yōu)選Cr-Mo合金鋼通過增加鉻(S)的含量并限制硅(Si)的含量，可以縮小或避免表面晶界氧化層厚度增加帶來的問題。此外，本發(fā)明優(yōu)選Cr-Mo合金鋼縮小或避免了相對(duì)增加了鈮含量而導(dǎo)致的碳化鉬沉淀(在使用較多的鉬會(huì)出現(xiàn))，鈮比鉬具有更高的碳化物形成親和力。
而且，在優(yōu)選的一方面，通過相對(duì)增加硫的含量有助于合金鋼的加工，其強(qiáng)度由于鉻鉬含量的增加已經(jīng)被提高。更具體的說，在某些優(yōu)選的方面，硫的重量百分比大于0.01％或0.02％，但是不超過0.03％。
如上所述，也提供了生產(chǎn)Cr-Mo合金鋼的方法。一方面，優(yōu)選生產(chǎn)法包括混合Fe(鋼)，重量約0.17-0.21％的碳，重量約0.15％或更少的硅，重量約0.60-0.85％的錳，重量約0.02％或更少的磷，重量約0.03％或更少的硫，重量約1.25-1.45％的鉻，重量約0.55-0.65％的錳，重量約0.015-0.035％的鈮。氧可能以15ppm或更少的量溶解在混合物中。
在更具體的方面，本發(fā)明的合金鋼可以這樣生產(chǎn)混合上述的各種成分，其包含一種或多種上述組分的冷鍛熱鍛件其后，冷卻鍛件，如氣冷或在室溫下冷卻；在機(jī)械加工前的熱處理，比如退火或者正火；切削加工，如車或銑；滲碳熱處理；如果需要，進(jìn)行后處理，如研磨、珩磨等。
本發(fā)明優(yōu)選Cr-Mo合金鋼的主要成分列在下面的表1中，并列出了本發(fā)明優(yōu)選Cr-Mo合金鋼與其他Cr-Mo和Ni-Cr-Mo合金鋼的對(duì)比。



如上所述，本發(fā)明優(yōu)選Cr-Mo合金鋼基本或完全不需要鎳(Ni)來提高機(jī)械加工性并降低成本。本發(fā)明中優(yōu)選Cr-Mo合金鋼包含了重量為0.17％-0.21％的碳，因而提高了包括硬度在內(nèi)的期望物理性能。
并且，本發(fā)明優(yōu)選Cr-Mo合金鋼中，基于100重量份的合金鋼，硅(Si)的含量限制在0.15或更少的重量份，所限制的量限制了合金鋼生產(chǎn)過程的滲碳步驟中產(chǎn)生的表面晶界氧化層的厚度。在合金鋼中相對(duì)增加硫的含量可以提供與現(xiàn)有Cr-Mo合金鋼相比通?？梢越邮艿谋砻婢Ы缪趸瘜?。因此，為了避免表面晶界氧化層的過度生長(zhǎng)，硅的含量?jī)?yōu)選不超過0.15％。優(yōu)選地，表面晶界氧化層厚度不超過15μm。
如上所述，基于100重量份的合金鋼，本發(fā)明優(yōu)選Cr-Mo合金鋼中包括重量百分比在大約1.25到1.45的鉻(Cr)。據(jù)發(fā)現(xiàn)使用重量少于1.25％的鉻，與現(xiàn)有Cr-Mo合金鋼相比，并不能提供更好的物理性能。而且，使用超過1.45％的鉻會(huì)引起若干問題，如成本增加、由于滲碳步驟中表面的滲碳層上的碳化鉻沉淀(或Cr-Mo基碳化物)導(dǎo)致的脆性提高，而且即使硅含量所述限制在約0.15％或更少，表面晶界氧化層形成的厚度也可以超過約15μm。
如上所表述，基于100重量份的合金鋼，本發(fā)明優(yōu)選Cr-Mo合金包括了重量百分比在0.55-0.65之間的鉬(Mo)。該鉬含量比現(xiàn)有和Cr-Mo合金鋼中的鉬含量要高。已發(fā)現(xiàn)，使用少于0.55％的鉬不能提供與現(xiàn)有Cr-Mo合金鋼相比更好的物理性能。而且，使用超過0.65％的鉬會(huì)引起若干問題，例如在滲碳層邊界上的Cr-Mo基碳化物沉淀和該邊界周圍的裂縫，而這會(huì)使脆性增加。
盡管改善了物理性能(高強(qiáng)度)，為了保證本發(fā)明優(yōu)選合金鋼較好的機(jī)械加工性，將硫(S)的最大含量?jī)?yōu)選增加到重量約0.03％，這比現(xiàn)有Cr-Mo合金鋼中的要高。這個(gè)較高的最大硫含量是在無害的范圍內(nèi)。
而且，為了避免在高溫滲碳過程的晶粒粗化并加大晶粒細(xì)化作用，基于100重量份的合金鋼，本發(fā)明優(yōu)選Cr-Mo合金鋼優(yōu)選的包含了重量百分比為0.015-0.035的鈮(Nb)。鈮通過在合金鋼中形成精細(xì)的鈮的氮化物或碳化物，可以來防止晶粒生長(zhǎng)。如果使用重量百分比少于0.015的鈮，物理性能的提高可以忽略不計(jì)，并且如果使用重量百分比超過0.035的鈮，晶粒邊界處碳化物的過度沉淀會(huì)使脆性增加。
在本發(fā)明優(yōu)選Cr-Mo合金鋼中，鈮的最大含量與現(xiàn)有Cr-Mo合金鋼相比有所提高。由本發(fā)明合金鋼中相對(duì)增加了鉻和鉬含量，鈮含量的這種提高了防止了鉬或鉻碳化物的產(chǎn)生，否則就可能出現(xiàn)這種情況。
也如上所述，本發(fā)明優(yōu)選Cr-Mo合金鋼包含了約15ppm或更小濃度的溶解氧。這個(gè)限制的氧含量能夠減少合金鋼中的雜質(zhì)含量。
如下例子和測(cè)試?yán)又皇怯脕碚f明，并不應(yīng)該看作對(duì)本發(fā)明范圍的限制。
實(shí)例實(shí)例和比較例根據(jù)表1中所述的上述成分生產(chǎn)出幾類合金鋼。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)例和比較例中的合金鋼成分在表2中描述出來。實(shí)例和比較例中的合金鋼按照表2中所列成分和配比用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)出來。
在表2中，實(shí)例是本發(fā)明的合金鋼，比較例子1到4用來分析不同合金含量對(duì)物理性能的作用，比較例5到7是應(yīng)用于生產(chǎn)變速齒輪的合金鋼。


測(cè)試?yán)龑⒈?中的實(shí)例和比較例中變速齒輪必需的合金鋼的基本物理性能進(jìn)行比較。結(jié)果列在表3、表4和圖2中。表3中描述了在滲碳熱處理后的疲勞和沖擊性能，為方便起見，其測(cè)量數(shù)值作為代表值列出。
表4列出了用于生產(chǎn)變速齒輪的加工性能的比較結(jié)果，也就是在某個(gè)手動(dòng)或機(jī)動(dòng)車輛的齒輪切削過程中，每一個(gè)加工工具的齒輪加量。
將實(shí)例中本發(fā)明的合金鋼的加工性能進(jìn)行測(cè)試并與現(xiàn)有比較例5和6中的合金鋼進(jìn)行比較。
圖2說明了本發(fā)明合金鋼的疲勞特征與現(xiàn)有的被歐洲發(fā)動(dòng)機(jī)公司用做高強(qiáng)度材料的比較例7中的合金鋼進(jìn)行比較的結(jié)果。




如表3所示，盡管被測(cè)試的本發(fā)明合金鋼不含鎳(Ni)，他們與比較例5中的Cr-Mo合金鋼相比具有更好的物理性能，并且具有與比較例6，7中的Ni-Cr-Mo合金鋼相當(dāng)或更好的物理性能。
調(diào)整鉻和鉬的含量后，當(dāng)兩種合金元素含量超過本發(fā)明優(yōu)選含量時(shí)(比較例1和3)出現(xiàn)了若干問題，如滲碳淬硬層表面邊緣的Cr-Mo基碳化物的過分沉淀導(dǎo)致了脆性增加以及硬度增加(沖擊值減少)同時(shí)，當(dāng)鉻和鉬的含量比本發(fā)明的優(yōu)選含量少的時(shí)候，合金的疲勞相關(guān)性能顯著下降。
而且，加入鈮(Nb)后，晶粒細(xì)化作用比不加鈮(比較例5)明顯增強(qiáng)，因?yàn)榧尤脞壥沟每梢栽诟邷叵峦瓿蓾B碳處理，所以可以減少熱處理循環(huán)的時(shí)間。
測(cè)試加工性能的結(jié)果列在以上的表4中，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)明的合金鋼的測(cè)試實(shí)例表現(xiàn)出比比較例6中的Ni-Cr-Mo基的合金鋼好很多的加工性能(約33％)，這表明了根據(jù)本發(fā)明，由于強(qiáng)度增加而引起的加工性能問題可以通過增加硅(Si)的含量來解決。
如上所述，本發(fā)明優(yōu)選的Cr-Mo合金鋼提供了與含有相對(duì)昂貴的鎳的Ni-Cr-Mo合金鋼相比更加低廉的加工成本。而且，本發(fā)明優(yōu)選的Cr-Mo合金鋼表現(xiàn)出與現(xiàn)有合金鋼(如Ni-Cr-Mo合金鋼)相比類似或更好的物理性能。而且，因?yàn)楸景l(fā)明優(yōu)選Cr-Mo合金鋼可以應(yīng)用在高功率變速齒輪和軸中，該合金鋼可以降低成本，并延長(zhǎng)加工工具的使用壽命。具體的說，本發(fā)明優(yōu)選的可以表現(xiàn)出有利于齒輪和軸(包括比如，主輸出齒輪，差速器傳動(dòng)齒輪和高功率手動(dòng)傳動(dòng)的輸出和輸入軸等)的性能，在使用時(shí)可以承受對(duì)現(xiàn)有Cr-Mo合金鋼是超高的載荷。
這里提到的所有文件在此全部結(jié)合作為參考。
本發(fā)明已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例被詳細(xì)介紹。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮了以上公開的技術(shù)后，可以在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)進(jìn)行修改和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種Cr-Mo合金鋼，包括作為主要成分的鋼，重量百分比約為0.17到0.21的碳，重量百分比約為0.15或更少的硅，重量百分比約為0.60到0.85的錳，重量百分比約為0.02或更少的磷，重量百分比約為0.03或更少的硫，重量百分比約為1.25到1.45的鉻，重量百分比約為0.55到0.65的鉬，和重量百分比約為0.015到0.035的鈮。
2.如權(quán)利要求1中所述的合金鋼，其中在合金鋼混合物中加入了15ppm或更少的溶解氧以形成所述的合金鋼。
3.如權(quán)利要求1中所述的合金鋼，其中合金鋼包括硅，磷，硫和氧中的一種或多種。
4.如權(quán)利要求1中所述的合金鋼，其中合金鋼包括硅，磷，硫和氧。
5.如權(quán)利要求1中所述的合金鋼，其中Cr-Mo合金鋼含有0.17到0.21重量百分比的碳，0.1或更少重量百分比的硅，0.65到0.85重量百分比的錳，0.015或更少重量百分比的磷，0.025或更少重量百分比的硫，1.3到1.45重量百分比的鉻，0.6到0.65重量百分比的鉬，0.02到0.035重量百分比的鈮，以及通過加入15ppm或更少的溶解氧而提供的氧。
6.如權(quán)利要求1中所述的合金鋼，其中Cr-Mo合金至少基本不含鎳。
7.如權(quán)利要求1中所述的合金鋼，其中Cr-Mo合金完全不含鎳。
8.一種合金鋼包括約0.17到0.21重量百分比的碳，約0.15或更少重量百分比的硅，約0.60到0.85重量百分比的錳，約0.02或更少重量百分比的磷，約0.03或更少重量百分比的硫，約1.25到1.45重量百分比的鉻，約0.55到0.65重量百分比的鉬，約0.015到0.035重量百分比的鈮(Nb)，以及通過加入15ppm或更少的溶解氧而提供的氧，剩余成分為鋼。
9.如權(quán)利要求8中所述的合金鋼，其中合金鋼至少基本不含鎳。
10.一種生產(chǎn)合金鋼的方法，包括在鋼中混合約0.17到0.21重量百分比的碳，約0.15或更少重量百分比的硅，約0.60到0.85重量百分比的錳，約0.02或更少重量百分比的磷，約0.03或更少重量百分比的硫，約1.25到1.45重量百分比的鉻，約0.55到0.65重量百分比的鉬，約0.015到0.035重量百分比的鈮。
11.如權(quán)利要求10中的方法，其中合金鋼至少基本不含鎳。
12.包括權(quán)利要求1中的合金鋼的車輛零件。
13.權(quán)利要求12中的零件，其中含有所述合金鋼的零件是機(jī)動(dòng)車的變速齒輪。
14.權(quán)利要求12中的零件，其中含有所述合金鋼的零件是機(jī)動(dòng)車的傳動(dòng)軸。
全文摘要
本發(fā)明提供了適用于機(jī)動(dòng)車變速齒輪和軸的Cr－Mo合金鋼，并可以解決相關(guān)的問題。本發(fā)明的優(yōu)選Cr－Mo合金鋼包括主要成分鋼，約0.17％到0.21％重量的碳，約0.15％重量或更少的硅，約0.60％到0.85％重量的錳，約0.02％重量或更少的磷，約0.03％重量或更少的硫，約1.25％到1.45％重量的鉻，約0.55％到0.65％重量的鉬，約0.015％到0.035％重量的鈮(Nb)。
文檔編號(hào)F16H55/06GK1611625SQ20041008018
公開日2005年5月4日 申請(qǐng)日期2004年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月30日
發(fā)明者趙鳳來 申請(qǐng)人:現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社