一种齿轮钢的加工方法、零件及汽车与流程

allin2025-03-19  47


本技术涉及汽车,特别涉及一种齿轮钢的加工方法、零件及汽车。


背景技术:

1、随着降本增效和轻量化的要求,性能优异、成本低廉的材料越来越多地应用在汽车领域,尤其是变速箱及减速箱轴齿零件作为大批量生产零件,其生产成本关系到整车的成本,进而关系到产品的市场竞争力。

2、现有的低成本钢材虽然满足了成本要求,然而存在热变形大,淬透性不佳,处理工艺复杂的问题,限制了其应用。


技术实现思路

1、本技术提供一种齿轮钢的加工方法、零件及汽车,以解决现有的热变形大,淬透性不佳,处理工艺复杂的问题。

2、第一方面,本技术提供了一种齿轮钢的加工方法,以质量分数计,所述齿轮钢的原料组成包括:c:0.19~0.22%,si:0.17~0.37%,mn:1.10~1.25%,cr:1.20~1.35%,s:0.015~0.04%,ti:0.01~0.05%,nb:0.015~0.03%,cu:≤0.2%,ni:≤0.30%,p:≤0.020%,n:≤0.008%,其余为fe和不可避免的杂质;

3、所述齿轮钢的加工方法包括以下步骤:

4、将齿轮钢轧制、锻造、加工,得待处理齿轮钢零件;

5、将齿轮钢零件渗碳处理、保温扩散、冷却、回火,得齿轮钢零件;

6、其中,冷却的方式为循环氦气淬冷。

7、本技术通过在传统的20crmnti的基础上提高了mn和cr的含量,同时添加了nb,以控制ti的析出物尺寸与分布,通过nb元素钉扎奥氏体晶界,起到抑制高温奥氏体晶粒长大的作用,使晶粒细化,从而改善热变形。并且,由于nb元素与ti元素晶格结构相近,形成的析出物更加细小,稳定,最终的分布更加均匀,从而改善热处理后组织应力的分布,改善热变形。但是nb元素细化奥氏体晶粒的作用同时对钢材淬透性不利,因此,在添加nb元素后进一步调整了淬透性元素的含量,使得最终得到的组织更加均匀,热变形更小。

8、c在钢中是保证材料强度与淬透性的关键元素,其含量较高时,会显著降低钢材的韧性,导致热裂纹的产生,对轴齿零件锻造过程不利。但是其含量较低时,钢材淬透性不足,容易生成高温相变产物。因此,本发明适当提高了c含量,使生成组织更加均匀,减小热变形波动范围。

9、si在钢中主要起到固溶强化的作用,同时si元素是脱氧元素,可以适当改善钢中夹杂物变形。但其含量过高会影响p元素的去除,同时降低钢的焊接性能,因此将其控制在0.17~0.37%。

10、mn是钢中影响强韧性的重要元素,也是稳定奥氏体的重要元素,进而提升钢材的淬透性。因此相较于传统20crmnti齿轮钢,提高了mn含量,使其控制在1.10~1.4%。mn含量同样不宜过高,过高的mn含量会降低切削性能,使得正火后硬度不满足性能要求。

11、cr是提高钢材淬透性的重要元素,同时还可以显著提高齿轮钢的硬度与耐磨性能,因此,适当提高cr含量,控制在1.20~1.35%,过高的cr含量会降低材料的塑性与韧性。

12、适量的s元素会与fe结合生成共晶化合物,其熔点较低。在切削过程中受到切削热影响会得到软化,减小切削力,增加刀具寿命。但是过高的s元素会与o结合,提高开裂的倾向,因此s含量控制在0.015~0.04%。

13、ni元素不是主要合金元素,因为其生产成本较高,但是少量的ni可以显著提高材料的强度,硬度以及低温冲击韧性,同时还可以提高材料淬透性,因此控制在≤0.3%。

14、ti元素主要是抑制高温奥氏体晶粒长大,并通过析出物进行析出强化的作用。但是ti元素过高时,形成的tin析出物尺寸粗大,且分布不均,对热变形不利,因此控制ti元素在0.01%~0.05%。

15、nb元素可以在钢中形成细小的析出相,抑制高温渗碳过程奥氏体晶粒长大。同时,nb元素与ti元素晶格结构类似,且电子结构互补,生成的nb,ti复合析出物十分稳定,且析出相较ti的单一析出物更加细小,分布更均匀,因此可以控制材料的各向异性。

16、cu元素在钢中固溶强化作用与ni相似,cu可以用来替代贵重合金元素ni的强化作用。同时,cu还可以提高渗碳钢材的耐腐蚀性能,但是过高的cu元素会提高开裂倾向,因此钢中cu元素控制在≤0.20%。

17、p与cu复合作用能有效地提高钢的耐候性能以及耐腐蚀性能,但其对钢的韧性及塑性不利,因此将p含量控制在0.020%以下。

18、n含量高于0.008%,容易在钢中富集,严重损害钢的塑性和韧性。同时,n元素过高容易导致分布不均,从而使得形成的tin析出相分布也不均,容易造成最终组织应力不均,加剧热变形。

19、通过渗碳处理和保温扩散可以减少材料的热性变量,通过循环氦气淬冷提高材料均匀性,省去了清理抛丸工序,表面质量良好,同时简化处理工艺,提升材料性能。

20、一些实施例中,所述将齿轮钢轧制、锻造、加工,得待处理齿轮钢零件中:

21、锻造的温度为1020~1080℃,可以使材料充分奥氏体化,使合金元素分布更加均匀。

22、具体地,可以将齿轮钢钢棒在1250±30℃时充分奥氏体化,使合金元素分布更加均匀,然后进行定径切割成合适的钢块大小,最终进入镦粗工序前的温度为1000~1100℃。在开式压力机上将钢块锻造成圆饼,然后人工夹持进立式模锻机上进行一次锻造。立式模锻机无需切边,金属流线整齐,内应力较好,且立式锻造流程短。然后进行二次精锻,进行开孔等工序,最终风冷至室温。最后将锻后零件进行正火,正火分三区,第一区温度≥700℃,第二区正火温度≥800℃,第三区正火温度930±10℃。正火时间110±10分钟。正火采用连续式网带炉,最终风冷速度通过网带速度进行控制。正火处理可以控制渗碳热处理残余应力的释放,多区式正火可以缓慢释放残余应力,同时使工件受热均匀,风冷上风机频率为40hz,下风机频率为20hz,风冷时常为150~200s。将毛坯零件经过粗车,精车,钻孔,滚齿,滚轧花键等机加工过程制成所需零件。为减小热处理热变形对热后加工过程的影响,控制刀具进给速度以及进给量,减少加工过程在表面产生的残余应力。

23、待处理齿轮钢零件还可以使用三点支撑式立装的热装方式,三点支撑有利于零件的稳定性,受力更加均匀,使得热变形相对稳定。且立装相比传统的横置对由重力导致的弯曲变形有显著改善。清洗机加工后零件表面油污,使得渗碳过程更加均匀。将清理后的零件送入连续式预氧化炉中预氧化处理。

24、具体地,可以是将预氧化后的零件送入真空渗碳炉中,炉内真空度低于10mbar,充入氮气至1200mbar进行对流加热,加热时间为40~60min,加热温度920~1000℃。然后抽真空至10mbar,进行真空加热,加热时间为15~30min,加热温度920~1000℃。对流加热过程时间较长,可以使机加产生的残余应力充分释放,真空加热过程使样件加热更加均匀,然后进行脉冲渗碳处理。

25、一些实施例中,所述将齿轮钢零件渗碳处理、保温扩散、冷却、回火,得齿轮钢零件中,渗碳处理的方式包括脉冲渗碳处理,其中:

26、脉冲渗碳处理的次数为5~9次;和/或,

27、脉冲渗碳处理的脉冲时间为30~180s;和/或,

28、脉冲渗碳处理的温度为920℃~1000℃;和/或,

29、脉冲渗碳处理的时间为3~14min;和/或,

30、脉冲渗碳处理的乙炔流量为2000~10000l/h。

31、渗碳温度影响工件热处理节拍以及热变形的大小。而脉冲段数,脉冲时间,影响渗碳层深度及表面硬度。控制合理的乙炔通入量,脉冲段数可以提高乙炔的利用率,避免碳黑的形成。

32、一些实施例中,所述将齿轮钢轧制、锻造、加工,得待处理齿轮钢零件之后,所述将齿轮钢零件渗碳处理、保温扩散、冷却、回火,得齿轮钢零件之前,还包括:

33、对待处理齿轮钢零件进行装车、清洗、预氧处理;

34、其中:装车时的装炉量为84~300个/炉。可以改善材料的热形变,提高渗碳效率。

35、一些实施例中,所述预氧处理的温度为350~410℃,一方面通过高温清理掉零件表面残余油污,另一方面在零件表面形成一层致密的氧化层,可以促进后续高温渗碳过程;和/或,

36、所述预氧处理的时间为60~120min。

37、一些实施例中,所述将齿轮钢零件渗碳处理、保温扩散、冷却、回火,得齿轮钢零件中:

38、保温扩散的温度为920~950℃,可以减少淬火过程的热变形量,提高材料的强度;和/或,

39、保温扩散的时间为30~120min,可以减少淬火过程的热变形量,提高材料的强度。

40、一些实施例中,所述将齿轮钢零件渗碳处理、保温扩散、冷却、回火,得齿轮钢零件中:

41、冷却的时间为8~15min,在此冷却时间内,可以提高冷却效果,提高材料强度;和/或,

42、冷却的压力为12~16bar。采用冷速较快的高压氦气,氦气相比于氮气冷速更快,气体淬火相比油淬火后省去了清理抛丸工序,表面质量更好。

43、一些实施例中,所述将齿轮钢零件渗碳处理、保温扩散、冷却、回火,得齿轮钢零件中:

44、回火的温度为150~300℃,可以消除淬火过程的残余应力;和/或,

45、回火的时间为120~180min,可以消除淬火过程的残余应力。

46、第二方面,本技术提供一种零件,采用第一方面所述的齿轮钢的加工方法加工而成。

47、第三方面,本技术提供了一种汽车,包括第二方面的零件。


技术特征:

1.一种齿轮钢的加工方法,其特征在于:

2.如权利要求1所述的齿轮钢的加工方法,其特征在于,所述将齿轮钢轧制、锻造、加工,得待处理齿轮钢零件中:

3.如权利要求1所述的齿轮钢的加工方法,其特征在于,所述将齿轮钢零件渗碳处理、保温扩散、冷却、回火,得齿轮钢零件中,渗碳处理的方式包括脉冲渗碳处理,其中:

4.如权利要求1所述的齿轮钢的加工方法,其特征在于,所述将齿轮钢轧制、锻造、加工,得待处理齿轮钢零件之后,所述将齿轮钢零件渗碳处理、保温扩散、冷却、回火,得齿轮钢零件之前,还包括:

5.如权利要求4所述的齿轮钢的加工方法,其特征在于:

6.如权利要求1所述的齿轮钢的加工方法,其特征在于,所述将齿轮钢零件渗碳处理、保温扩散、冷却、回火,得齿轮钢零件中:

7.如权利要求1所述的齿轮钢的加工方法,其特征在于,所述将齿轮钢零件渗碳处理、保温扩散、冷却、回火,得齿轮钢零件中:

8.如权利要求1所述的齿轮钢的加工方法,其特征在于,所述将齿轮钢零件渗碳处理、保温扩散、冷却、回火,得齿轮钢零件中:

9.一种零件,其特征在于,采用如权利要求1至8任意一项所述的齿轮钢的加工方法加工而成。

10.一种汽车,其特征在于包括如权利要求9所述的零件。


技术总结
本申请公开了一种齿轮钢的加工方法、零件及汽车,涉及车辆技术领域。包括以下步骤:将齿轮钢轧制、锻造、加工,得待处理齿轮钢零件;将齿轮钢零件渗碳处理、保温扩散、冷却、回火,得齿轮钢零件;其中冷却的方式为循环氦气淬冷。通过在传统的20CrMnTi的基础上提高了Mn和Cr的含量,同时添加了Nb,以控制Ti的析出物尺寸与分布,通过Nb元素钉扎奥氏体晶界,起到抑制高温奥氏体晶粒长大的作用,使晶粒细化,从而改善热变形。Nb元素与Ti元素晶格结构相近,形成的析出物更加细小,稳定,最终的分布更加均匀。通过渗碳处理和保温扩散可以减少材料的热性变量,通过循环氦气淬冷提高材料均匀性,省去了清理抛丸工序,提升材料性能。

技术研发人员:魏智睿,饶伟,舒婵
受保护的技术使用者:智新科技股份有限公司
技术研发日:
技术公布日:2024/10/31
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