微合金化渗碳齿轮钢的组织和疲劳性能研究
20CrMoH和22CrMoH是我国常用的渗碳齿轮钢，提高其性能有助于车辆传动系统的轻量化。本文研究是国家高技术研究发展计划(863计划)课题“高性能渗碳齿轮钢的研究”(编号2006AA032526)，其目标是通过微合金化等方法，提高20CrMoH和22CrMoH钢的性能。在20CrMoH钢的基础上，添加微合金化元素Nb、Ti，得到试验钢W1(0.04％Nb)、W2(0.08％Nb)和W3(0.04％Nb+0.04％Ti)；在22CrMoH钢的基础上添加Nb，得到试验钢W4(0.04％Nb)和W5(0.08％Nb)；此外，为保证淬透性，在试验钢中还添加了少量(0.0005-0.0008％)的B。本文重点研究试验钢的微观组织、力学性能、淬透性、以及疲劳性能，并与20CrMoH和22CrMoH钢进行对比。
微观组织和晶粒长大规律研究表明，在Nb微合金化渗碳齿轮钢中，Nb(C，N)颗粒可以钉扎晶界，从而阻止奥氏体晶粒长大；但添加过量的Nb(0，08％)会使Nb(C，N)颗粒析出时长大，从而不利于钉扎奥氏体晶界；此外，Nb/Ti复合微合金化析出(Nb，Ti)(C，N)，可以更好地细化晶粒。在较高的奥氏体化温度(1050℃)下，含0.04％Nb的WI钢的晶粒细化作用明显，保温较长时间(10h)也不出现混晶现象。
淬透性研究表明，通过添加少量的B，可有效提高渗碳齿轮钢的淬透性，从而弥补因采用Nb、Ti微合金化细化晶粒而可能导致的淬透性降低。因此，添加Nb、B可以得到细晶粒、高淬透性渗碳齿轮钢。不过，B微合金化提高渗碳齿轮钢的淬透性，使其渗碳热处理变形增大。通过降低心部硬度，适量添加Nb元素细化晶粒，可达到抑制渗碳齿轮钢的热处理变形的效果。
弯曲疲劳试验表明，Nb或Nb/Ti复合微合金化细化渗碳层原奥氏体晶粒，抑制疲劳裂纹萌生和扩展，从而提高旋转弯曲疲劳强度。此外，研究发现夹杂物数量多及尺寸偏大时其成为疲劳裂纹源，不利于疲劳性能。因此，降低钢中氧含量，有效控制夹杂物数量及尺寸，也可提高旋转弯曲疲劳强度。
接触疲劳试验表明，渗碳齿轮钢接触疲劳试样同时存在渗碳层的点蚀和剥落两种失效方式。氧含量低的Nb微合金化齿轮钢中氧化物夹杂数量少、尺寸小，接触疲劳裂纹起裂难：同时，Nb微合金化齿轮钢渗碳层晶粒尺寸小、硬度高，接触疲劳裂纹萌生和扩展阻力大。含0.04％Nb的W1钢的滚动接触疲劳性能比20CrMoH钢有大幅提高。
综上所述，经过适量Nb/Ti/B微合金化后，20CrMoH和22CrMoH渗碳齿轮钢的弯曲和接触疲劳性能得到明显提高。通过Nb、Ti、B微合金化能够得到细晶粒、高淬透性、高疲劳性能的渗碳齿轮钢。
- 作者：
- 马莉
- 学位授予单位：
- 钢铁研究总院
- 专业名称：
- 材料学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2009年
- 导师姓名：
- 王毛球
- 中图分类号：
- TG142.3
- 关键词：
- 渗碳钢；微合金化；晶粒细化；疲劳性能；齿轮钢；热处理变形
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