我国齿轮行业新材料新工艺的创新扎线带

我国齿轮行业新材料新工艺的创新

我国齿轮行业新材料新工艺的创新

国外先进水平的车桥保修期为100万～150万km，而国内重载驱动桥的保修期为10万km。另外，国内重型车桥精度低、噪声大，已成为重卡用户的一大烦恼，与国际先进水平差距很大。

从商用车供应链系统来看，车桥制造商与其他零部件厂商一样，正遭受着来自主机厂以及钢材、油、煤等原材料涨价的双重压力。2008年驱动桥企业的采购成本分别同比增长10.7%，但销售价仅增长1.4%，根本无法弥补原材料上涨的成本压力。

因此，我国商用车驱动桥制造业围绕提高精度，延长使用寿命，降低制造成本，大力展开科技创新，创立具有自主知识产权的制造技术，已成为行业发展的必然趋势。

一、自主创新的技术成果与进展

1.稀土催渗技术

对驱动桥齿轮弯曲疲劳寿命影响最大的因素有4个；心部硬度、啮合精度、渗层对齿轮心部的压应力，以及齿根部位的非马组织。采用Cr-Mn-Ti系齿轮钢，代替Cr-Ni-Mo系齿轮钢是解决钢材采购成本问题的惟一途径。按2010年5月价格，由国外引进且国内常用的17CrNiMo6H、20CrNi2MoH钢材价为13000～11000元/t，淬透能力与之相同的Cr-Mn-Ti系齿轮钢材价格为5000～6000元/t。

Cr-Mn-Ti系齿轮钢惟一的缺点是抗内氧化的能力低，按常规渗碳工艺，齿根部位非马组织0.03～0.05mm，达不到≤0.02mm的要求；而齿根非马组织太高，降低了齿轮表层对心部的压应力。哈工大与哈汇隆齿轮厂合作，采用稀土催渗工艺，成功地解决了这一难题；将457锥齿轮齿根部位的非马组织控制在0.02mm以内，所用钢材为Cr-Mn-Ti系。目前，哈工大的稀土催渗技术已取得国家发明专利。该专利技术使得我国建立自己的Cr-Mn-Ti齿轮用钢合金化体系成为可能。

2.重载驱动桥锥齿轮Cr-Mn-Ti齿轮钢的应用

重载驱动桥锥齿轮及工业齿轮的特点是，齿轮的截面大，齿轮淬火所产生的热应力对齿轮的热后变形影响大。为减轻热应力对齿轮啮合精度的影响，欧洲重载工程用车生产厂应对的措施是：

（1）降低齿轮用钢的含碳量马氏体的比体积与钢材的含碳量有关，含碳量越高，齿轮心部发生马氏体相变产生的体积效应越大，齿轮的热后变形越大。为减小齿轮的热后变形，应尽量降低钢材的含碳量。欧洲重载驱动桥锥齿轮和工业齿轮用钢均为17CrNiMo6H，含碳量（质量分数）为0.14%～0.20%。

（2）提高齿轮钢材的淬透能力重载驱动桥主动锥齿轮用钢淬透性J25=34～41HRC，德国弗兰德公司的工业齿轮用钢的淬透性J30=34～41HRC。

（3）降低淬火冷却速度采用冷却强度较低的分级淬火油，减小热应力。

CGMA001-1∶2004车辆齿轮钢采购标准，其中的20CrMnTiH6钢是用于重载驱动桥主动锥齿轮的试用钢种。生产实践证明，该钢种用于重载驱动桥主动锥齿轮不是好的选择，原因如下：

第一，按照上述欧洲的技术方案，为减小热应力，应当采用分级淬火油淬火，配用钢材的淬透性应为J25=34～41HRC。20CrMnTiH6钢淬透性为J25=30～36HRC，若采用分级淬火油，齿轮心部淬火硬度为30～36HRC，达不到34～41HRC的要求。其中心部硬度低于32HRC的锥齿轮，10万km的保修期未到，就会出现早期断齿。

第二，因为20CrMnTiH6钢的淬透性低，为保障齿轮心部硬度能达到34～41HRC，齿轮厂只能采用快速淬火油，将齿轮心部淬火冷速由J25提高到J15。其后果是：齿轮淬火冷速快，产生的热应力大，热后变形大。

第三，因为20CrMnTiH6钢的合金量较低，为使钢的淬透性达到J15=34～41HRC的要求，实际含碳量（质量分数）应提高到0.21%～0.23%。

目前，一汽集团重载驱动桥锥齿轮用钢为22CrNiMoH、22CrMoH，含碳量（质量分数）为0.19%～0.25%。与欧洲齿轮行业采用的17CrNiMo6H钢相比，我国重载驱动桥齿轮用钢材的含碳量高。锥齿轮淬火冷速快，热应力大。钢材含碳量高，马氏体相变的体积效应高，是锥齿轮啮合精度低、噪声高的重要原因。

目前，我国提高齿轮啮合精度、降低噪声只能靠“磨齿”，磨削量0.10～0.30mm。据报道，磨齿能提高啮合精度，但对降低噪声效果不佳。采用“珩齿”工艺既能提高齿轮的啮合精度，又能显着降低噪声，磨削量0.02～0.05mm，成本是磨齿工艺的一半。采用“珩齿”工艺的先决条件是齿轮热后变形不能太高。因此，降低淬火冷速，采用低碳高淬透性齿轮用钢材，降低齿轮的热后变形，为执行“珩齿”工艺创造条件，是必须采取的措施。

2005年曾有人提出：用17Cr2Mn2TiH钢代替国外引进的Cr-Ni-Mo系重载驱动桥齿轮用钢；钢的淬透性J25=34～41HRC；可采用729分级淬火油。钢材的含碳量、淬透性均与17CrNiMo6H钢相同，可全部吸取欧洲齿轮行业的先进经验。双骏、株齿、汇丰齿轮厂用17Cr2Mn2TiH2齿轮钢代替22CrMoH钢，用于153驱动桥主动锥齿轮；用17Cr2Mn2TiH3钢代替20CrNi3H、22CrNiMoH钢，用于457驱动桥主动锥齿轮，共生产50000套驱动桥齿轮。EQ153N2B桥台架寿命考核结果：日产柴标准规定：输出扭距30000N·m，输出10万次合格。17Cr2Mn2TiH2主动锥齿轮输出扭距30000N·m，输出40～50万次齿断，大大超过日产柴标准要求，并且齿轮啮合精度高，噪声低。株齿用17Cr2Mn2TiH与22CrNiMoH对比试验，用于457桥主动锥齿轮，台架寿命相当，跟踪跑车试验未见异常。从2005～2010年，5万套主动锥齿轮投放市场，至今没有出现锥齿轮失效的信息返回。鉴于上述成功的试验，17Cr2Mn2TiH钢将纳入新标准，作为试用钢，用于153、457、460、485、500重载驱动桥锥齿轮用钢，以进一步在实践中考核、完善重载驱动桥齿轮用钢。

将重载驱动桥齿轮用钢的含碳量降低，在齿轮钢的成分设计中，受渗层淬透性的制约，不可能将齿轮钢的含碳量降的过低。17Cr2Mn2TiH钢和17CrNiMo6H钢齿轮渗碳淬火后往往残留奥氏体超标，齿面硬度达不到58～62HRC的要求，齿轮的接触疲劳寿命变坏。目前，国外解决这个问题的办法有两个：方法一是齿轮渗碳空冷+高温回火+二次加热淬火；方法二是降低扩散区碳势，渗碳后直接淬火。我国研发成功的稀土催渗技术，齿轮渗层中由于存在超细的碳化物颗粒，不必降低渗碳碳势，渗碳后可直接淬火而不会发生渗层残留奥氏体组织超标、齿面硬度低问题。

3.工业齿轮Cr-Mn-Ti钢及稀土催渗技术的应用

工业齿轮比重载商用车驱动桥锥齿轮模数更大。主要用钢为17CrNiMo6H。2010年5月该钢种齿胚的采购价为12000元/t。据东力集团的上市报告，工业齿轮行业同样难以承受钢材涨价的压力。用17Cr2Mn2TiH钢代替17CrNiMo6H，齿坯的采购价可降低到9158元/t，降低成本23.7%，随采购量增大，齿坯采购成本还能降低。

目前，国内有关工业齿轮传动设备厂已开始进行该钢种的试验。附表为17Cr2Mn2TiH和17CrNiMo6H钢的淬透性能对比：

从表中看出：两个钢种的淬透能力完全相同。用新钢种代替国外钢种，齿轮的心部淬火硬度能达到35～41HRC的最佳水平，从而保证齿轮有足够的抗弯曲疲劳强度和最小的热后变形。新钢种齿轮的渗碳，采用稀土催渗技术，能保证齿根非马组织同17CrNiMo6H钢齿轮相同。渗碳层中高度弥散的碳化物，不仅大大提高齿轮的耐磨能力，细小碳化物所造成的“碳元素的爬坡效应”，使渗碳层碳化物颗粒四周的孪晶马氏体转变为中碳板条马氏体，大大降低疲劳裂纹的扩张速度。稀土催渗技术应用于20Cr2Ni4H工业齿轮，经郑州机械所的台架试验证明，齿轮的接触疲劳寿命在高接触应力（2300MPa）下提高2.63～19倍，而在2100MPa较低应力下提高3.66～14倍；弯曲疲劳寿命在高弯曲应力693MPa下，稀土渗碳比常规渗碳高1.70～3.78倍，在低弯曲应力546MPa下则提高5.57～25.34倍。

二、结语

采用新钢种和新的渗碳工艺，不仅大大降低成本，齿轮的弯曲疲劳、接触疲劳寿命也会更高。相关行业主管部门应当加以正确引导和推广，齿轮加工企业也应主动探索与实践，共同促进新钢种和新渗碳工艺的应用。

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