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特钢研发专题:热处理变形小的高强度渗碳钢E
作者:AG8    发布日期:2020-02-24 04:07


  特殊钢是先进装备制造业的基础材料,是高端制造业发展的重要保障。但是特殊钢的需求量小、品种多、生产技术含量高,影响了我国特殊钢高端产品的开发。为促进我国特殊钢产业的高质量发展,世界金属导报特组织特殊钢研发进展系列专题报道,重点介绍特殊钢的发展趋势及新品种开发,以飨读者。

  ECOMAX4是为汽车、产业机械齿轮、传动轴等驱动部件而开发的新型渗碳钢材料。开发过程中特别关注之点有:使驱动部件小型轻量化以降低部件成本和提高燃料效率、高强度化、降低部件热处理和加工的成本、抑制环境负荷物的排放以及降低驱动噪音以提高汽车静音性和乘座舒适性。当前,日本高强度驱动部件使用的钢种有:JIS的Cr-Mo钢、Ni-Cr-Mo钢以及Ni、Cr含量高的开发钢。但这些钢种因添加稀有合金元素使成本升高,并且加工性下降。因此,期望开发出无Ni、Mo的高强度钢。

  在部件加工方面,与热锻相比,冷锻具有CO2排放量少、可实现近终形锻造提高成材率等优点,所以,期望开发出冷锻用驱动部件用钢。通用的驱动部件用钢存在的问题是:冷锻后不经正火直接渗碳时,容易发生奥氏体晶粒异常长大。因此,新开发钢应解决抑制奥氏体晶粒异常长大的问题。此外,部件进行渗碳淬火时,不可避免会发生热处理变形。如果变形量大,则要花费许多时间进行部件形状尺寸的修正,甚至会导致部件废品率的升高。还有,即使热处理变形小,齿轮在咬合时,也会增大咬合噪音。所以,抑制热处理变形也是新开发钢应解决的重要问题。

  在上述背景下,日本山阳特殊制钢公司成功开发出无Ni、Cr的驱动部件用高强度渗碳钢ECOMAX4,并实现商品化。开发钢具有如下特点:驱动部件制造工序简略化、部件高精度化、热处理变形小、抗晶粒粗大化特性强、良好的抗剥离性等。

  与通用钢JIS SCM420相比,ECOMAX4的成分特点是高C-高Si-低Mn-高Cr,并含有少量的Nb。下面对ECOMAX4开发的思路和钢的特性进行简要介绍。

  部件进行渗碳淬火时,将加热到高温的部件投入冷却介质(油、水)中,被快速冷却。在冷却过程中,部件各部位的冷却速度的差异和由此引起的相变进行时间的不同,导致部件发生热处理变形(扭曲、弯曲)。为了减轻下游工序对部件形状尺寸的修正工作量,以及提高部件尺寸精度,使汽车具有良好的静音性和乘座舒适性,应极力减小部件的热处理变形量。为此,要求尽量使部件均匀冷却,以减小部件各部位相变开始时间的差异。ECOMAX4通过成分设计实现了上述要求。部件在油淬的过程中经过三个阶段:①蒸汽膜阶段。高温部件周围形成蒸汽膜,使部件与油不能接触,部件冷却缓慢。②沸腾阶段。部件周围的油发生沸腾,部件被急冷。③对流阶段。油沸腾结束,油发生对流,部件冷却缓慢。ECOMAX4通过提高C含量,实现了在冷却缓慢的对流阶段发生相变,缩小了部件内各部位相变开始时间的差异。用带有键槽的试样进行了淬火试验,确认了该方法的有效性。

  图1是带有键槽的试样的形状和尺寸。试样是直径20mm和27mm、长度200mm的轴状试样。在试样的一侧加工出键槽,使试样淬火时发生强制性的不均匀冷却,使试样容易产生出淬火弯曲。对试样进行模拟渗碳淬火的加热(一级加热温度930℃、二级加热温度850℃)后垂直淬入静止的淬火油中。

  图2(a)是试样的挠曲量(挠曲量越大,试样的弯曲越严重)。从图中可知,ECOMAX4的挠曲量小于通用钢SCM420,ECOMAX4的热处理变形受到抑制。钢的热处理尺寸变化与钢的淬透性有很大关系。ECOMAX4的成分设计,使钢具有适宜的淬透性。因此,ECOMAX4试样的淬火后长度变化小于SCM420(图2(b))。此外,ECOMAX4的淬透性,使ECOMAX4适用于SCM420H钢的部件尺寸。

  ECOMAX4具有的上述特点,使采用ECOMAX4制作部件时,部件的热处理变形和尺寸变化小,从而减轻了部件的修正工作量,并提高了部件的尺寸精度。

  防止钢在渗碳处理中晶粒粗大化,是使钢发挥出应有性能必须解决的重要问题。在对冷锻驱动部件进行渗碳处理时,是在部件中残留着冷锻导入的剪切应变的状态下,对部件进行加热。残留应变的影响,使钢在加热过程中产生微细化的铁素体再结晶组织,并由此使奥氏体晶粒微细化。因此,在渗碳过程中,容易发生奥氏体晶粒粗大化。特别是对于通用钢SCM420的成分,要在冷锻前进行软化退火。软化退火中,不可避免地生成层状碳化物。这些碳化物促进冷锻后渗碳加热时铁素体再结晶晶粒的微细化,使通用钢在渗碳过程中容易发生奥氏体晶粒粗大化。因此,为消除冷锻残留应变的影响,需对通用钢进行组织均匀化的正火处理。ECOMAX4为了提高抗晶粒粗大化的能力,在钢中添加了微量的Nb,比通用钢增加了对晶界钉扎的微细析出物(碳·氮化物)。ECOMAX4通过成分设计使退火组织均质化。ECOMAX4的Cr含量高于通用钢,使部件冷锻前的软化退火产生的层状碳化物极少化,获得碳化物球状分布的均质微观组织,从而大大提高了ECOMAX4的抗晶粒粗大化特性,并具有良好的冷加工性。因此,ECOMAX4可省略通用钢必须进行的正火处理,大幅度降低了部件的制造成本。

  此外,除了冷锻,在采用通用钢制作热锻部件和切削部件,发生晶粒粗大化时,也可以采用ECOMAX4抑制晶粒粗大化。

  齿轮在转动中伴有滑动发生,反复的滑动使齿面产生叫做剥离的表面疲劳损伤。随着齿轮的小型轻量化,作用在齿面上的负荷变得很大。ECOMAX4开发时,将提高抗剥离性作为开发的重点。其中特别对提高渗碳层抗剥离性的合金成分进行了优化设计。日本多采用气体渗碳法对齿轮进行渗碳处理,并且渗碳后不经抛光,在渗碳表面状态下使用。考虑到这些情况,ECOMAX4采用与SCM420相比,高Si-高Cr的成分设计,考虑到淬透性,降低了Mn含量,并且没有添加Mo。高Si含量的作用是使ECOMAX4在气体渗碳中形成的晶界氧化层深度小于SCM420。高Cr含量的作用是促进钢表面处的内部氧化,形成大量的高Cr氧化物,消费钢中的合金元素,减低钢的淬透性。使钢在淬火后,表面形成几微米厚的不完全淬火的软质层。这个软质层的有益作用是:在齿轮之间接触时,容易发生磨损,在磨损过程中,同时将晶界氧化层去除,从而延迟了齿轮的表面损伤,提高了抗剥离性。如图3的转动剥离结果所示,在气体渗碳表面状态下,ECOMAX4的剥离寿命是通用的高强度钢SCM420H的剥离寿命的5倍以上。

  无镍、无钼ECOMAX4钢是用于渗碳齿轮、渗碳传动轴等驱动部件的开发钢。ECOMAX4具有热处理变形小、抗晶粒粗大化特性强、抗剥离性好等优良性能。采用ECOMAX4可以省略或简化部件的制造工序,从而降低部件制造成本。并且部件形状尺寸的高精度化,提高了汽车的静音性和乘座舒适性。ECOMAX4是高强度钢,采用ECOMAX4可以使部件小型轻量化。目前,已有部件制造厂采用ECOMAX4进行部件的批量生产。

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