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高強(qiáng)度碳氮共滲鋼的研究
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.bt990.com.cn
更新時(shí)間：2015-11-16
一般認(rèn)為碳氮共滲處理法能有效提高齒輪和軸承等表面疲勞強(qiáng)度，為此大同特殊鋼鋼公司采用碳氮共滲處理法開發(fā)了高強(qiáng)度氣體碳氮共滲鋼，該鋼尤其能滿足無級(jí)變速器金屬帶輪要求的滑動(dòng)面的耐剝落磨損性和抗彎曲疲勞強(qiáng)度。
? ?1概況
近年來，隨著環(huán)境問題的日益突出，因此對(duì)汽車降低燃耗的要求越來越強(qiáng)烈。雖然金屬帶式無級(jí)變速器（CVT）的使用推廣已加快，但為進(jìn)一步降低燃耗，對(duì)變速器的小型化、輕量化的要求越來越高，對(duì)金屬帶式無級(jí)變速器部件的強(qiáng)度要求進(jìn)一步提高。
金屬帶式無級(jí)變速器利用金屬帶和金屬帶輪之間的摩擦力來傳遞動(dòng)力，因此要求金屬帶輪要具有耐剝落磨損性和抗彎曲疲勞強(qiáng)度。
為提高金屬帶輪的強(qiáng)度，有效的辦法是采用微粒噴丸硬化處理來提高滑動(dòng)面的硬度和降低滑動(dòng)面的粗糙度。雖然該方法已在部分部件中應(yīng)用，但由于成本高，因此要求能進(jìn)一步降低成本。
一般認(rèn)為碳氮共滲處理法能有效提高齒輪和軸承等表面疲勞強(qiáng)度，為此大同特殊鋼鋼公司采用碳氮共滲處理法開發(fā)了高強(qiáng)度氣體碳氮共滲鋼，該鋼尤其能滿足無級(jí)變速器金屬帶輪要求的滑動(dòng)面的耐剝落磨損性和抗彎曲疲勞強(qiáng)度。下面介紹該鋼的各種特性。
2高強(qiáng)度碳氮共滲鋼的概況
開發(fā)的高強(qiáng)度碳氮共滲鋼的組成見表1。表中同時(shí)列出了齒輪和無級(jí)變速器金屬帶輪普遍采用的滲碳鋼JIS-SCM420的組成作為比較。
???????????????????????表1?化學(xué)成分?????????????????????????????%
鋼種
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C
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Si
|
Mn
|
Cr
|
Mo
|
備注
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開發(fā)鋼
|
0.20
|
0.10
|
1.50
|
0.60
|
0.15
|
-
|
以往鋼
|
0.20
|
0.20
|
0.80
|
1.00
|
0.15
|
JIS?SCM420
|
開發(fā)鋼以氣體碳氮共滲處理為前提，尤其是以改善疲勞強(qiáng)度為主進(jìn)行合金設(shè)計(jì)，其特征是控制Si和Cr量，添加Mn。
采用氣體碳氮共滲處理時(shí)，與氣體滲碳一樣在滲碳層表面會(huì)形成晶間氧化層，該晶間氧化層是造成鋼斷裂的起源，因此要減少容易發(fā)生氧化的Si量。碳氮共滲處理獲得的SCM420的Cr氮化物（CrN）的析出狀況示于圖1。由圖可知在原始奧氏體晶界和晶粒中有超微細(xì)CrN析出。由于氮化物的大量析出會(huì)導(dǎo)致不完全的淬火組織，由此無法獲得充分的硬度，它會(huì)成為鋼斷裂的起源和斷裂傳播的路徑，降低鋼的強(qiáng)度。因此應(yīng)減少CrN的析出，調(diào)整Cr的平衡。另外，添加Mn的作用是可以減少Si和Cr的含量，彌補(bǔ)淬火性的下降。
3高強(qiáng)度碳氮共滲鋼的特征
（1）耐剝落磨損性
圖2示出采用輥式點(diǎn)蝕試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)的結(jié)果。氣體碳氮共滲處理鋼SCM420和開發(fā)鋼的耐磨損性比以往的SCM420的氣體滲碳材大幅度提高。根據(jù)輥式點(diǎn)蝕試驗(yàn)后的磨損形態(tài)（SCM420），本試驗(yàn)的磨損出現(xiàn)了因微小剝落而產(chǎn)生的磨損（噴丸硬化磨損）的形態(tài)，較好地再現(xiàn)了無級(jí)變速器金屬輪的磨損。據(jù)此可以說，碳氮共滲處理法是有效提高耐剝落磨損性的措施，它與以往的齒輪的點(diǎn)蝕和軸承部件的剝落損傷等一樣。
（2）彎曲疲勞強(qiáng)度
圖3示出缺口試樣（應(yīng)力集中系數(shù)1.8）采用小野式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的結(jié)果。SCM420從氣體滲碳變?yōu)闅怏w碳氮共滲工藝后會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度下降的情況，而開發(fā)鋼卻能將強(qiáng)度穩(wěn)定提高10%左右。這是因?yàn)殚_發(fā)鋼的低Si化可以抑制晶間氧化層的形成，并抑制CrN的析出，由此能有效抑制疲勞裂紋的發(fā)生和傳播的緣故。由此可以認(rèn)為開發(fā)鋼不僅可以利用氣體碳氮共滲來提高表面疲勞強(qiáng)度，而且能有效提高彎曲疲勞強(qiáng)度。
（3）切削性
圖4示出開發(fā)鋼的切削性與旋轉(zhuǎn)切削工具壽命的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，可以把超硬切削工具的退刀槽面平均損耗達(dá)到150
的時(shí)間定義為切削工具的壽命（VBX150），它表示切削工具切削性的指標(biāo)與被切削材硬度的關(guān)系。開發(fā)鋼通過正火處理后硬度會(huì)軟化至88HRB左右，其被切削性與以往的滲碳鋼相同。
的時(shí)間定義為切削工具的壽命（VBX150），它表示切削工具切削性的指標(biāo)與被切削材硬度的關(guān)系。開發(fā)鋼通過正火處理后硬度會(huì)軟化至88HRB左右，其被切削性與以往的滲碳鋼相同。4結(jié)束語
對(duì)耐剝落磨損性和彎曲疲勞強(qiáng)度比以往的氣體滲碳鋼好的氣體碳氮共滲鋼的開發(fā)思路及其諸特性進(jìn)行了簡單介紹。
近年來，為減少零部件生產(chǎn)過程中CO2排放量等環(huán)境問題，真空滲碳技術(shù)的應(yīng)用得到了加快，其中氣體碳氮共滲技術(shù)是目前最為普及的可進(jìn)一步改善氣體滲碳工藝的技術(shù)。本文對(duì)使用氣體碳氮共滲處理法提高無級(jí)變速器金屬帶輪的技術(shù)進(jìn)行了介紹。該技術(shù)同樣可以有效提高齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和齒面點(diǎn)蝕疲勞強(qiáng)度，有助于各種零部件實(shí)現(xiàn)小型輕量化，其應(yīng)用范圍今后將進(jìn)一步擴(kuò)大。
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