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高强度碳氮共渗钢的研究
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2015-11-16
一般认为碳氮共渗处理法能有效提高齿轮和轴承等表面疲劳强度，为此大同特殊钢钢公司采用碳氮共渗处理法开发了高强度气体碳氮共渗钢，该钢尤其能满足无级变速器金属带轮要求的滑动面的耐剥落磨损性和抗弯曲疲劳强度。
1概况
近年来，随着环境问题的日益突出，因此对汽车降低燃耗的要求越来越强烈。虽然金属带式无级变速器（CVT）的使用推广已加快，但为进一步降低燃耗，对变速器的小型化、轻量化的要求越来越高，对金属带式无级变速器部件的强度要求进一步提高。
金属带式无级变速器利用金属带和金属带轮之间的摩擦力来传递动力，因此要求金属带轮要具有耐剥落磨损性和抗弯曲疲劳强度。
为提高金属带轮的强度，有效的办法是采用微粒喷丸硬化处理来提高滑动面的硬度和降低滑动面的粗糙度。虽然该方法已在部分部件中应用，但由于成本高，因此要求能进一步降低成本。
一般认为碳氮共渗处理法能有效提高齿轮和轴承等表面疲劳强度，为此大同特殊钢钢公司采用碳氮共渗处理法开发了高强度气体碳氮共渗钢，该钢尤其能满足无级变速器金属带轮要求的滑动面的耐剥落磨损性和抗弯曲疲劳强度。下面介绍该钢的各种特性。
2高强度碳氮共渗钢的概况
开发的高强度碳氮共渗钢的组成见表1。表中同时列出了齿轮和无级变速器金属带轮普遍采用的渗碳钢JIS-SCM420的组成作为比较。
表1 化学成分 %
钢种
|
C
|
Si
|
Mn
|
Cr
|
Mo
|
备注
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开发钢
|
0.20
|
0.10
|
1.50
|
0.60
|
0.15
|
-
|
以往钢
|
0.20
|
0.20
|
0.80
|
1.00
|
0.15
|
JIS SCM420
|
开发钢以气体碳氮共渗处理为前提，尤其是以改善疲劳强度为主进行合金设计，其特征是控制Si和Cr量，添加Mn。
采用气体碳氮共渗处理时，与气体渗碳一样在渗碳层表面会形成晶间氧化层，该晶间氧化层是造成钢断裂的起源，因此要减少容易发生氧化的Si量。碳氮共渗处理获得的SCM420的Cr氮化物（CrN）的析出状况示于图1。由图可知在原始奥氏体晶界和晶粒中有超微细CrN析出。由于氮化物的大量析出会导致不完全的淬火组织，由此无法获得充分的硬度，它会成为钢断裂的起源和断裂传播的路径，降低钢的强度。因此应减少CrN的析出，调整Cr的平衡。另外，添加Mn的作用是可以减少Si和Cr的含量，弥补淬火性的下降。
3高强度碳氮共渗钢的特征
（1）耐剥落磨损性
图2示出采用辊式点蚀试验机进行磨损试验的结果。气体碳氮共渗处理钢SCM420和开发钢的耐磨损性比以往的SCM420的气体渗碳材大幅度提高。根据辊式点蚀试验后的磨损形态（SCM420），本试验的磨损出现了因微小剥落而产生的磨损（喷丸硬化磨损）的形态，较好地再现了无级变速器金属轮的磨损。据此可以说，碳氮共渗处理法是有效提高耐剥落磨损性的措施，它与以往的齿轮的点蚀和轴承部件的剥落损伤等一样。
（2）弯曲疲劳强度
图3示出缺口试样（应力集中系数1.8）采用小野式旋转弯曲疲劳试验的结果。SCM420从气体渗碳变为气体碳氮共渗工艺后会出现强度下降的情况，而开发钢却能将强度稳定提高10%左右。这是因为开发钢的低Si化可以抑制晶间氧化层的形成，并抑制CrN的析出，由此能有效抑制疲劳裂纹的发生和传播的缘故。由此可以认为开发钢不仅可以利用气体碳氮共渗来提高表面疲劳强度，而且能有效提高弯曲疲劳强度。
（3）切削性
图4示出开发钢的切削性与旋转切削工具寿命的试验结果。由图可知，可以把超硬切削工具的退刀槽面平均损耗达到150
的时间定义为切削工具的寿命（VBX150），它表示切削工具切削性的指标与被切削材硬度的关系。开发钢通过正火处理后硬度会软化至88HRB左右，其被切削性与以往的渗碳钢相同。
的时间定义为切削工具的寿命（VBX150），它表示切削工具切削性的指标与被切削材硬度的关系。开发钢通过正火处理后硬度会软化至88HRB左右，其被切削性与以往的渗碳钢相同。4结束语
对耐剥落磨损性和弯曲疲劳强度比以往的气体渗碳钢好的气体碳氮共渗钢的开发思路及其诸特性进行了简单介绍。
近年来，为减少零部件生产过程中CO2排放量等环境问题，真空渗碳技术的应用得到了加快，其中气体碳氮共渗技术是目前最为普及的可进一步改善气体渗碳工艺的技术。本文对使用气体碳氮共渗处理法提高无级变速器金属带轮的技术进行了介绍。该技术同样可以有效提高齿轮齿根弯曲疲劳强度和齿面点蚀疲劳强度，有助于各种零部件实现小型轻量化，其应用范围今后将进一步扩大。
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