航空渗碳齿轮钢的迭代发展_郑医.pdf

航空渗碳齿轮钢的迭代发展郑医1,何培刚2,李宁1,孙振淋1*（1中国航发哈尔滨东安发动机有限公司,哈尔滨150066；2哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,哈尔滨150001）摘要：对航空动力传动系统渗碳齿轮材料的代际发展、组分特征与强化机制进行综述。第一代渗碳齿轮钢为低碳中低合金钢，渗层组织通过 Fe3C 型碳化物进行表面硬化，因合金化元素含量低，第一代渗碳齿轮钢回火抗力差，普遍服役温区200。在第一代渗碳齿轮钢中，16Cr3NiWMoVNbE 材料碳化物形成元素含量相对较高，通过临界饱和渗碳工艺方法，该材料可进阶为第二代渗碳齿轮钢进行宽温域服役。第二代渗碳齿轮钢为低碳中高合金钢，通过进一步提高合金化程度，适当提升抗回火能力较强的 Mo 元素含量，基体回火时，可析出部分回火抗力较高的M2C 强化相，整体服役温区提升至350。第三代渗碳齿轮钢为低碳超高合金钢，借助计算材料学，充分发挥出“二次硬化”强化基体效果，能够在 500 以下温区长期服役。现有合金结构钢体系的强化机制，无法避免500 以上高温长期服役的强度快速衰减问题，下一代渗碳齿轮材料，将以抗氧化性能优异的铁基合金为基础进行研制。关键词：齿轮钢；渗碳；二次硬化；沉淀硬化doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000093中图分类号：TG156.8文献标识码：A文章编号：1005-5053(2023)01-0060-10Material iterative development of aero carburizing gear steelsZHENGYi1,HEPeigang2,LINing1,SUNZhenlin1*（1.AECCHarbinDonganEngineCo.,Ltd.,Harbin150066,China；2.SchoolofMaterialScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China）Abstract:Inthispaper,theintergenerationaldevelopment,componentcharacteristics,andstrengtheningmechanismofcarburizedgearmaterialsforaerospacepowertransmissionsystemsarereviewed.Thefirst-generationcarburizedgearsteelislow-carbonmedium/low-alloysteel,andthesurfacehardeningofthecarburizedlayerstructureisrealizedbyFe3Ccarbides.Duetothelowcontentofalloyingelements,thetemperingresistanceofthefirst-generationcarburizedgearsteelispoor,andthegeneralservicetemperaturerangeiswithin200.Amongthefirst-generationcarburizedgearsteels,thecontentofcarbide-formationelementsof16Cr3NiWMoVNbEmaterialisrelativelyhigh.Thismaterialcanbedevelopedforthesecond-generationcarburizedgearsteelwithawide-rangeservicetemperaturethroughthecriticalsaturationcarburizationprocess.Thesecond-generationcarburizedgearsteelisalow-carbonmedium/high-alloysteel.SomeM2CstrengtheningphaseswithhightemperingresistancecanbeprecipitatedduringthetemperingprocessbyfurtherimprovingthealloyingdegreeandappropriatelyincreasingthecontentofMoelementwithstrongtemperingresistance.Theoverallservicetemperaturerangeisraisedto350.Thethird-generationcarburizedgearsteelislow-carbonultra-highalloysteel,andthe“secondaryhardening”effectworksthoroughlyviacomputationalmethods.Therefore,thematerialcanbeusedinatemperaturerangebelow500foralongtime.Theexistingalloystructuralsteelsystemcannotavoidtheproblemofrapidstrengthdecayafterlong-termserviceathightemperaturesabove500.Therefore,thenext-generationcarburizedgearmaterialswillbedevelopedbasedoniron-basedalloyswithexcellentoxidationresistance.Key words:gearsteel；carburization；secondaryhardening；precipitationhardening2023年第43卷航空材料学报2023，Vol.43第1期第6069页JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSNo.1pp.6069航空发动机输出动力，航空动力传动系统通过机械分扭装置，将动力传递至相关部件。作为航空动力传动系统的基础零部件，航空齿轮在特定动态、高温、高速、重载等复杂工况条件下服役，为保障动力传输发挥着重要的作用，航空齿轮零部件的可靠性程度直接关乎航空飞行器的服役效能与安全性。出于减重需要，航空齿轮通常采取“结构-功能一体化”设计，零件结构异常复杂、高度集成，沉余尺寸相对较低。齿轮在工作时，齿根部位受到弯曲应力作用，易产生疲劳断裂，而齿面部位则受到接触应力作用，易于产生齿面表面的剥落。相对于汽车、机械行业等常规齿轮，航空齿轮服役工况苛刻，同时承受剧烈的交变载荷和冲击载荷，因此，航空齿轮在选材时，通常选取中低碳合金钢材料，通过渗碳、氮化、氰化等化学热处理表面改性方式强化齿面。在确保心部组织具有良好淬透性及抗冲击韧性的同时，齿形面因表面强化兼具优异的耐磨性。长期以来，我国航空齿轮材料始终处于被动仿制阶段，随着航空飞行器家族谱系的不断细分与完善，相应也带动了我国航空齿轮材料的迭代发展，但在航空齿轮结构钢的设计强化理论及合金化机理方面，始终停滞不前，亟待加强相关基础自主研究工作，补齐相关技术、理论短板。本工作对航空动力传动系统渗碳齿轮材料的代际发展、组分特征与强化机制进行综述，以期促进航空齿轮结构钢的良性发展。1 第一代渗碳齿轮钢自 20 世纪 60 年代，美国将制造高纯净度轴承钢 VIM-VAR 双真空熔炼技术，导入高性能齿轮钢冶炼后，大大提升了齿轮钢性能，也促使轴承钢与齿轮钢向着逐渐融合、形成同源发展，几乎所有的中低碳轴承钢均可用于齿轮加工制造，因此，西方学者根据轴承钢、齿轮钢的服役温度，将现有中低碳轴承钢与齿轮钢归集并划分为三个代际1-2。我国航空用第一代渗碳齿轮钢材料，初期以仿制苏联为主，典型钢种为 12CrNi3A、12Cr2Ni4A、14CrMnSiNi2MoA、18Cr2Ni4WA、20CrNi3A、20Cr-2Ni4A 等，20 世纪 80 年代开始，随着我国航空工业对外合作力度的加大，相继引入 18CrNi4A（意大利18NC16）、9310（美国）及 16Cr3NiWMoVNbE（俄罗斯）、17CrNiMo6（德国）3。航空第一代渗碳齿轮钢合金化成分见表 13-8，服役温度通常不超过 200。通过表 13-8可以看出，航空用第一代渗碳齿轮钢基本上可以分为Cr-Ni、Cr-Ni-W 及Cr-Ni-Mo 三大合金体系。Cr-Ni 系合金含量及合金化元素种类相对较少，经济性方面Cr-Ni 材料性价比最高，属于典型的低碳低合金钢。因材料体系中缺乏必要的强碳/氮化物形成元素，基体比强度及淬透性相对较低，渗碳化学表面改性之后，渗层组织淬硬层的硬度及回火抗力最低，承载能力及耐温服役裕度最低。表1常用航空第一代渗碳齿轮钢牌号及合金成分（质量分数/%）3-8Table1Brandandcomponentofthe1stgenerationcarburizedgearsteel（massfraction/%）3-8BrandCCrNiMoVNbMnWSi93100.08-0.131.00-1.453.00-3.500.08-0.150.45-0.650.20-0.3512CrNi3A0.10-0.160.60-0.902.75-3.250.30-0.600.17-0.3712Cr2Ni4A0.10-0.151.25-1.753.25-3.750.30-0.600.17-0.3714CrMnSiNi2MoA0.11-0.171.20-1.601.40-2.000.20-0.400.65-0.950.35-0.6518CrNi4A0.15-0.200.80-1.103.75-4.250.30-0.600.3518Cr2Ni4WA0.13-0.191.35-1.654.00-4.500.25-0.550.80-1.200.17-0.3720CrNi3A0.17-0.250.60-0.902.75-3.250.30-0.600.17-0.3720Cr2Ni4A0.17-0.241.25-1.753.25-3.750.30-0.600.20-0.4016Cr3NiWMoVNbE0.14-0.192.60-3.001.00-1.500.40-0.600.35-0.550.10-0.201.00-1.400.60-0.9017CrNiMo60.17-0.191.60-1.801.50-1.700.28-0.350.65-0.900.30为提高 Cr-Ni 合金体系强度及渗层组织回火抗力，适度提升基体淬透性，冶金学家向 Cr-Ni 系中适当引入少量强碳/氮化物形成元素，形成 Cr-Ni-Mo与 Cr-Ni-W 合金体系，属于低碳中合金钢范畴。其第1期航空渗碳齿轮钢的迭代发展61中，作为航空第一代渗碳齿轮钢 Cr-Ni-W 系中的典型代表，18Cr2Ni4WA 钢由于高熔点 W 元素的引入，基体淬透性、热强性及耐磨性均得到显著提升9-10，是目前已知第一代渗碳齿轮钢中，唯一既可在调质状态下使用，又可进行渗碳、氮化表面改性强化的钢种，具有极好的热处理工艺加工性能11-12。9310 钢源自美国，初期应用于汽车齿轮行业，因其成本低、强度高、韧性好、具有一定淬透性及可焊性，逐步推广应用于制造中重载荷、中大截面尺寸航空动力传动系统中的齿轮、齿轮轴、旋翼轴等构件，对应的国内材料牌号 12CrNi3MoA13-14，9310 在 Cr-Ni-Mo 系低碳低合金钢体系中，镍含量最高，具有最高的淬透性15。17CrNiMo6 材料是国外重载齿轮使用相对较为成熟的牌号，我国国产化后，在航空、汽车、减速器、重型机械等领域均得到了显著的应用，通过“引 Mo 降 Ni”，合理降低了材料制造成本，是研发较为成功的 Cr-Ni-Mo 系钢种，适用于模数12 的重载齿轮制造16-17。16