一种表面硬化齿轮钢，具有提高的钢芯断裂韧性，所述齿轮钢按重量百分比大致包括以下成分：１６．３ｗｔ％的Ｃｏ，７．５ｗｔ％的Ｎｉ，３．５ｗｔ％的Ｃｒ，１．７５ｗｔ％的Ｍｏ，０．２０ｗｔ％的Ｗ，０．１１ｗｔ％的Ｃ，０．０３ｗｔ％的Ｔｉ，０．０２ｗｔ％的Ｖ，余量为Ｆｅ；其特征在于，所述合金主要为板条马氏体微结构，基本不合拓扑密堆（ＴＣＰ）相，且经过渗碳处理，从而包括细的Ｍ２Ｃ碳化物，以达到至少约６２ＨＲＣ的表面硬度和至少约５０ｋｓｉ√ｉｎ的钢芯断裂韧性。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】二次硬化齿轮钢 对相关专利申请的交叉引用 本国际申请要求以下申请的优先权申请日为2007年8月22日、申请号为 60/957,307的美国临时专利申请，以及申请日为2008年8月20日、申请号为12/194,964的美国专利申请。这两份专利申请均通过引用结合到本申请中。 政府利益 与本专利技术主题有关的研究活动至少部分受到美国政府、海军空战中心第 N68335-06-C-0339号合同的资助，因此受到美国许可权和其它权利的制约。
和
技术介绍
本专利技术主要涉及高性能渗碳齿轮钢，由于表面硬度和钢芯韧性的独特、有益的结合，这种齿轮钢能够提高旋翼机的动力传输性能。美国海军估计，如果齿轮耐久性提高20% ，每年就可为国防后勤局节省一千七百万美元。不过，旋翼机工业超过二十年没有采用新的齿轮钢，而是着重于表面处理的优化如激光喷丸、超精加工和定向锻造。这些处理在提高耐久性方面的作用渐渐变小。本专利技术提供对处理方法改善进行补充的技术方案，本专利技术使那些能够在更高操作温度下传送更大动力的高性能齿轮尺寸更小、重量更轻。 渗碳钢X53(美国专利4， 157,258)是旋翼机传动装置现在所用的材料。与X53号钢相比，本专利技术着重于提高表面强度和钢芯断裂韧性，并将热稳定性提高至45(TC，以便提供高温剧增中的热硬度。 美国专利6， 464， 801也公开了表面硬化钢。但是专利6， 464， 801中的实施例Al 显示出有限的表面硬度，即洛氏硬度C级(HRC)值为60-62。专利6， 464， 801中的另一实施 例中，钢C3显示出更大的表面硬度即HRC值为69，但是钢芯缺乏韧性。用作齿轮时，钢芯的 断裂韧性必须超过50ksi V in。因此，需要开发HRC表面硬度至少约62 64、可用钢芯韧 性超过50ksi V in的渗碳齿轮钢。
技术实现思路
简单地说，本专利技术包括特别用于旋翼机传动装置的高性能齿轮钢。这种钢与常规 渗碳齿轮钢相比具有更高的表面硬度和钢芯断裂韧性。这种钢具有合理的碳化物溶线温 度，该溶线温度反过来能够使气体或真空渗碳反应得以发生。在固溶热处理温度下进行气 体淬火后，所述钢变成主要为板条马氏体的基体。在回火时，最佳强化弥散的二次碳化物 M2C析出，其中M为钼、铬、钨和/或钒。所述钢的高的回火温度使得与常规齿轮钢如X53或 9310相比，用其制成的传动部件具有更高的工作温度。 为了实现高的钢芯韧性，仔细地平衡基体的组成，以确保韧-脆转变低于室温。这种设计的组成也有效地限制了用于使变脆的拓扑密堆(Topologically-Close-Packed， TCP)金属间相(如o和iO沉淀的热力学驱动力。本专利技术的钢的韧性还通过颗粒钉扎 (Grain-pi皿ing)晶粒的细分散体分布状态得以提高，所述颗粒钉扎晶粒在渗碳和固溶热 处理周期中是稳定的。所述颗粒钉扎晶粒为MC碳化物，其中M二 Ti、Nb、Zr、V，优选为Ti， 所述晶粒在均质化过程中溶解，然后在锻造过程中析出。 表I wt% 合金\^FeCrCoMoNiVWcTiMnSiCuC64余量3.516.31.757.50.020.20.110.03Al余量3.518.01.109.50.080.00.200.03C2余量4.825.00.033.80.060.00.237C3余量5.028.01.75— 2.503.25_ 3.150.0250.00.05_ 0.18C69B余量4.516.11.804.30.100.10.120,02X53余量1.00.03.252.000.100.00.100.351.002.009310余量1.20.1153.250.1450.550.25 本专利技术优选实施例中的钢如上表中的C64。由于含有W，这种钢与美国专利 6， 464， 801披露的那些钢(即A1、C2和C3)不同。含有W使得M2C驱动力增大(与含有Cr 或Mo类似)，并唯一地限制了用于不受欢迎的TCP相的沉淀的热力学驱动力。其中，Mo和 Cr优先提高o相而不是y相，W则提供与之相反的效果。因此，通过添加W，用于o相和 P相的总驱动力得以平衡，避免了任一TCP相的析出。 合金C69B是一个相反的例子。虽然合金C69B也包含W并成功地避免了 TCP相的析出，但是基体中Ni的含量不足，使得韧-脆转变温度高于室温。因此本专利技术实施例的合金中Ni的含量较高，以使韧-脆转变温度高于室温，同时使用于M2C的驱动力最大，从而使本专利技术的钢与任何已知的二次硬化钢相比，在可用韧性下具有最高的表面硬度。 由于高的表面硬度、好的钢芯韧性，以及高温性能，本专利技术的钢被认为特别适合制造直升机传动系统的齿轮。本专利技术的钢的其它用途包括车辆的传动装置和装甲。关于前面例举的钢的组成，所述合金的组成优选为可以在平均值的正负百分之五范围内变化。附图说明 下面参考以下附图，对本专利技术作详细描述 图1为系统设计图，该图描绘了本专利技术合金的理想层次微观结构、必需的处理和 特性目标之间的交互作用； 图2示意性地展示了用于所述合金的时间-温度处理步骤； 图3为可用于传动齿轮的各种钢的最大表面硬度和钢芯断裂韧性散点图，本专利技术 的典型实施例标注为合金C64 ;4 图4为分别为实心和空心环表示的合金C64和C69B在不同测试温度下的夏比V 型缺口 (Charpy V-Notch，简写为CVN)冲击能量散点图； 图5也是散点图，展示了分别为实心和空心环表示的合金C64和美国专利 6， 464， 801中的合金Al渗碳样本达到的硬度。具体实施例方式—般地，本专利技术的钢包括表面硬度HRC至少约62-64、钢芯断裂韧性大于约 50ksi V in的二次硬化渗碳齿轮钢。理想的层次微观结构、处理和特性目标之间的交互作 用展示在图1的系统设计图中。本专利技术的最终目标是，通过控制各个子系统来使整个系统 达到最优化，并提供最有用的表面硬度、钢芯断裂韧性和耐温性组合。 齿轮的失效形式一般分为三类弯曲疲劳，接触疲劳，和温度引起的刮伤。弯曲疲 劳和接触疲劳可以通过高的表面硬度加以限制。为了获得高的表面硬度，本专利技术的钢采用 高效的二次硬化，该二次硬化通过在回火过程中析出的联结的M^碳化物进行。所述钢中 高的Co含量延迟了位错恢复并降低了由热暴露引起的位错的密度。在回火过程中，M^碳 化物连贯地沉积在这些位错上，并提供强的二次硬化反应，从而使钢具有62-64HRC的表面 硬度。 本专利技术的钢合金还限制了温度引起的刮伤。如果合金的接触疲劳强度下降到表面 之下任何点所受到的应力之下，就会产生表面下刮伤。为了提供足够的疲劳强度并避免产 生表面下刮伤，一般最好具有至少约lmm深的硬化表面。本专利技术的钢通过在渗碳过程中获 得的碳含量梯度实现了这种理想的硬化表面深度。 所述钢包括主要为板条马氏体的基体，不含TCP相，并通过M2C碳化物的精细分布 得以强化。为了生产出主要为板条马氏体的基体，马氏体起动温度(Ms)在渗碳表面处必须 高于约10(TC。为此，本专利技术具有经过仔细优化的镍含量。而镍是提高抗开裂强度所必须 的，镍还可以稳定奥氏体，从而降低Ms。选择镍含量，以使所述钢的韧_脆转变温度完全低 于室温，最好低于-2(TC，同时维持足够高的Ms。所述钢的韧-脆转变温度(DBTT)本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种齿轮钢合金，其特征在于，按质量百分比大致包括：３．５ｗｔ％的Ｃｒ，１６．３ｗｔ％的Ｃｏ，１．７５ｗｔ％的Ｍｏ，７．５ｗｔ％的Ｎｉ，０．０２ｗｔ％的Ｖ，０．２０ｗｔ％的Ｗ，０．１１ｗｔ％的Ｃ，０．０３ｗｔ％的Ｔｉ，余量为Ｆｅ；用渗碳技术对所述合金进行表面硬化处理，同时以上列出的各要素包括典型的初熔成分。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-8-22 60/957,307;US 2008-8-20 12/194,964一种齿轮钢合金，其特征在于，按质量百分比大致包括3.5wt％的Cr，16.3wt％的Co，1.75wt％的Mo，7.5wt％的Ni，0.02wt％的V，0.20wt％的W，0.11wt％的C，0.03wt％的Ti，余量为Fe；用渗碳技术对所述合金进行表面硬化处理，同时以上列出的各要素包括典型的初熔成分。2. 根据权利要求1所述的合金，其特征在于所述合金的制成品具有约至少lmm的硬 化表面厚度。3. 根据权利要求1所述的合金，其特征在于所述合金包括主要为板条马氏体的微结 构基体，其基本不含拓扑密堆相。4. 根据权利要求3所述的合金，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯A怀特，贾森塞巴斯蒂安，
申请(专利权)人：奎斯泰克创新公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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