准贝氏体渗碳钢在汽车齿轮上的应用

四轮车

准贝氏体渗碳钢在汽车齿轮上的应用 杨延清　谢黎雄　陈　彦　康沫狂 摘要：对比研究了BZ18Q准贝氏体钢与20CrMoH钢的渗碳特性、耐磨性及焊接性。发现 BZ18Q准贝氏体钢具有良好的渗碳性能。与20CrMoH钢相比，BZ18Q准贝氏体钢渗碳后心部组 织更为细小，耐磨性更好，而且焊缝组织均匀细小、强度高。对比研究及试生产结果表明 BZ18Q准贝氏体钢可用来制造汽车渗碳齿轮。 关键词：准贝氏体钢　渗碳　耐磨性　齿轮 Meta-Bainitic Steel Carburized for Automobile Gears Yang Yanqing，Xie Lixiong，Chen Yan，Kang Mokuang （College of Materials Science and Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xian 710072） Abstract　The carburization feature and the wear behavior of a meta-bainitic steel BZ18Q are studied and compared with those of steel 20CrMoH．It is shown that the BZ18Q steel is good to be carburized．Fine microstructure in the steel can be seen after carburization for a long time．The wear experiments under the rolling and sliding condition indicate that the wear resistance of the carburized case of the BZ18Q steel is higher than that of the20CrMoH steel．A kind of automobile transmission gear has been made of the BZ18Q steel in a factory．It is shown that the BZ18Q steel has excellent properties of processing and welding and that it is suitable for making automobile gears in industrial scale． Key words：meta-bainitic steel，carburization，wear resistance，gear 1　前言 　　汽车渗碳齿轮常用20CrMnTi、20CrMoH等钢制造。20CrMnTi渗碳层中常出现角块状碳化物和黑色组织，影响疲劳寿命。仿制日本的20CrMoH钢，质量有很大提高，为轿车所广泛采用，但其价格亦高出许多。汽车行业作为国家的支柱产业，正在迅速发展，对钢材的需求逐年扩大。因此研制一种质优价廉的新型渗碳钢用于汽车齿轮，具有重要意义。 　　西北工业大学研制成功的系列准贝氏体钢［1］，具有高强高韧、工艺简单、成本较低等优点，已得到广泛应用。为了将其用于渗碳零件，又设计出准贝氏体渗碳钢BZ18Q［2，3］，其具有优异的综合力学性能。本文旨在比较BZ18Q和20CrMoH钢的渗碳特性和磨损性能，以检验其是否满足汽车齿轮的生产要求，并将其用于汽车变速器齿轮的试生产。 2　试验方法 　　将BZ18Q和20CrMoH钢试样放在艾协林VKE／5S箱式炉内在920℃同炉渗碳并油冷，磨损试验用BZ18Q钢样品还采用了空冷，渗碳后在150℃回火2h。渗层深度的测定采用剥层化学分析法，每次剥层深度约为0.10mm，用千分表测定出每次的实际剥层深度。用CS-344碳硫分析仪测定碳量，用莱兹MM6光学显微镜观察和拍摄金相组织。磨损试验在MM-200型磨损试验机上进行。 3　试验结果与分析 3.1　渗碳性能 　　2种试验用钢的渗碳层碳量分布曲线见图1。可见20CrMoH钢的渗层表面碳含量较高，达0.89%，BZ18Q钢的为0.82%，且其渗层深度也稍小。2种钢渗碳油淬后表层组织均为高碳马氏体＋少量残留奥氏体，中心为板条马氏体(BZ18Q钢中心还有少量准贝氏体)，BZ18Q钢渗碳后空冷的心部组织为准贝氏体。同样条件下，BZ18Q钢的心部组织更为细小，见图2。在其它条件相同的情况下，钢的化学成分对钢的渗碳特性有很大影响。BZ18Q钢含有较多的Si，为准贝氏体钢的基本合金元素。Si对渗层表面含碳量以及渗层深度均产生不利的影响，特别是当Si的含量＞2%时，准贝氏体钢不能渗碳［2］。与20CrMoH钢相比，BZ18Q钢的渗碳能力稍弱，但仍可满足渗碳齿轮的要求。 图1　BZ18Q准贝氏体钢与20CrMoH钢的 渗碳层碳含量分布曲线 图2　准贝氏体钢BZ18Q与20CrMoH钢渗 碳后的金相组织。 （a）BZ18Q钢渗碳层组织　（b）BZ18Q钢心部组织 （c）20CrMoH钢渗碳层组织　（d）20CrMoH钢心部组织 3.2　磨损性能 　　图3a为2种钢渗碳层的恒定载荷滚动＋ 滑动磨损试验结果。在短时间内，2种钢的磨损失重基本一样，5h以后，20CrMoH钢的磨损失重明显大于BZ18Q钢的。按磨损失重与磨损时间之比计算磨损率，则20CrMoH钢的磨损率为16.63，BZ18Q钢在油冷和空冷2种热处理工艺下，其磨损率均为14.19。变载荷滚动＋滑动磨损试验条件下，2种热处理工艺下BZ18Q钢的耐磨性均优于20CrMoH钢，且随着载荷的增加，其差别也增大，结果示于图3b。结合销盘及冲击磨损试验结果［2］，可知BZ18Q渗碳钢具有优异的耐磨性。 图3　BZ18Q准贝氏体钢与20CrMoH钢 渗碳层滚动＋滑动磨擦磨损失重曲线 （a）恒定载荷　（b）变载荷 3.3　焊接性能 　　用BZ18Q准贝氏体钢做成某汽车输出轴五档齿轮。该齿轮为一组合件，其一侧与接合齿圈(与齿轮材料相同)用电子束焊接相连。焊缝区经超声波探伤未发现裂纹及空洞，焊缝表面经磁粉荧光检查，也未发现裂纹。焊透率及焊深均符合技术要求。金相检验表明，焊缝区组织均匀细小，无粗晶组织出现，说明BZ18Q准贝氏体钢过热敏感性小，如图4所示。如果焊缝组织粗大，焊接产生的组织应力和热应力大，焊后就易出现裂纹而造成脱焊。将焊接后的组合件进行拉脱试验，加载砝码达到3000kg时焊接部位未被拉脱，而2000kg砝码载荷未拉脱者即为合格。以上结果表明BZ18Q准贝氏体钢的焊接性能优异。 图4　BZ18Q钢齿轮焊缝金相组织 3.4　应用情况 　　将BZ18Q准贝氏体钢制作成某汽车输出轴五档齿轮，渗碳油冷后根据ZB．T　04001—88《汽车渗碳齿轮金相检验标准》，对随炉试样进行评定检查，符合有关技术要求，结果见表1。BZ18Q钢渗碳层的显微硬度曲线见图5，在图上作出硬度值550HV所对应的距离即有效硬化层深度，为0.57mm，符合该汽车齿轮的技术要求(0.5 ～0.7mm)，BZ18Q钢的渗碳层具有良好的硬化能力。 　　将此齿轮装车路试，行车一定里程后拆下进行检验，发现齿轮跨球距在跑车前后基本无变化，啮合齿面光滑无麻点。表明BZ18Q准贝氏体渗碳钢可用于制造汽车齿轮。 图5　BZ18Q钢渗碳油冷样品 渗层显微硬度分布曲线 表1　BZ18Q钢五档齿轮热处理金相检验结果

项　目	碳化物	M及Ar	渗层深 度／mm	表面硬度 HRC	心部硬度 HRC
实测值	1级	2级	1.02	61.5	42
技术要求	≤4级	≤6级	0.95～1.2	58～63	38～45

4　结论 　　所研制的准贝氏体渗碳钢BZ18Q具有良好的渗碳特性、耐磨性及焊接性能，可用于制做汽车齿轮。值得指出的是，根据该钢优异的综合力学性能及渗碳特性，BZ18Q钢还可替代一些含Ni较多的优质合金渗碳钢。

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