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目前,中國汽車用齒輪鋼的主體鋼種仍是20CrMnTi,該鋼種通常采用氣體滲碳工藝,由于滲碳氣氛中氧化性氣體的存在,導致滲層中對氧親和力較大的元素Si、Mn、Cr在晶界處發生氧化,形成晶界氧化層。晶界氧化層的發生會導致滲層Si、Mn、Cr等合金元素固溶量下降,降低滲層的淬透性,從而降低滲層的硬度并導致非馬氏體組織的產生,進而顯著降低齒輪的疲勞性能。為解決這一問題可以采用兩種手段:
1)采用特殊的熱處理工藝。真空滲碳可降低滲碳氣氛中的氧勢,從而可以較為有效地減小滲碳層晶界氧化的發生程度;稀土滲碳工藝也可以降低晶界氧化程度,由于稀土優先在工件表面富集并擇優沿鋼的晶界擴散,而且與氧的親合力遠比Si、Mn、Cr高得多,它將優先與氧結合,阻礙氧原子繼續向內擴散,從而有助于減輕非馬氏體組織的產生。
2)通過合金設計,開發抗晶界氧化的齒輪鋼。Ni、Mo具有很強的抗氧化能,Cr元素次之,Mn抗氧化能力弱,而Si的抗氧化能力弱(Si氧化傾向是Cr、Mn的10倍)。因此為減小晶界氧化并保證淬透性,在齒輪鋼成分設計時,應適當降低易氧化元素的含量,特別是Si的含量,相應地提高難氧化元素Ni、Mo的含量。據報道,將Si、Mn、Cr分別控制在0.05%、0.35%、0.01%可以完全抑制表面組織異常,而且即使在1000℃也很少有晶界氧化的發生。
為滿足汽車行業高性能以及輕量化的發展要求,未來應重點開發:淬透性帶窄的齒輪鋼、超低氧滲碳鋼、低晶界氧化層滲碳鋼、超細晶粒滲碳鋼、提高高溫硬度和高溫抗軟化滲碳鋼、易切削齒輪鋼、冷鍛齒輪用鋼等。
易切削結構鋼
易切削結構鋼是在鋼中加入一些使鋼變脆的元素,使鋼切削時切屑易脆斷成
碎屑,從而有利于提高切削速度和延長刀具壽命。使鋼變脆的元素主要是硫,在普通低合金易切削結構鋼中使用了鉛、碲、鉍等元素。
這種鋼的含硫量Ws在0.08%一0.30%范圍內,含錳量WMn在0.60%-1.55%范圍內。鋼中的硫和錳以硫化錳形態存在,硫化錳很脆并有潤滑效能,從而使切屑容易碎斷,并有利于提高加工表面的質量。