【涨知识】什么是渗碳钢?

渗碳是一种表面热处理技术，指向钢件表面扩渗碳原子后进行淬火的热处理方式。通过碳的渗入，可显著改善钢部件的耐磨性、耐久性、韧性等性能。

 

　　用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。渗碳钢的主要热处理工序一般是在渗碳之后再进行淬火和低温回火。处理后零件的心部为具有足够强度和韧性的低碳马氏体组织，表层为硬而耐磨的回火马氏体和一定量的细小碳化物组织。

 

　　有些结构零件，是在承受较强烈的冲击作用和受磨损的条件下进行工作的，例如汽车、拖拉机上的变速箱齿轮，内燃机上的凸轮、活塞销等。

 

　　根据工作条件，要求这些零件具有高的表面硬度和耐磨性，而心部则要求有较高的强度和适当的韧性，即要求工件“表硬里韧”的性能。

 

　　为了兼顾上述双重性能，可以采用低碳钢通过渗碳淬火及低温回火来达到，此时零件心部是低碳钢淬火组织，保证了高韧性和足够的强度，而表层(在一定的深度)则具有高碳量(0.85%～1.05%)，经淬火后有很高的硬度(HRC>60)，并可获得良好的耐磨性。

 

渗碳钢的成分特点

 

　　渗碳钢的含碳量一般都很低(在0.15%～0.25%之间)，属于低碳钢，这样的碳含量保证了渗碳零件的心部具有良好的韧性和塑性。

 

　　为了提高钢的心部的强度，可在钢中加入一定数量的合金元素，如Cr，Ni，Mn，Mo，W，Ti，B等。

 

　　其中Cr，Mn，Ni等合金元素所起的主要作用是增加钢的淬透性，使其在淬火和低温回火后表层和心部组织得到强化。

 

　　另外，少量的Mo，W，Ti等碳化物形成元素，可形成稳定的合金碳化物，起到细化晶粒、抑制钢件在渗碳时发生过热的作用。

 

　　微量的B(0.001%～0.004%)能强烈地增加合金渗碳钢的淬透性。

 

渗碳钢的分类

 

　　根据淬透性或强度等级的不同，合金渗碳钢分为三类。

 

　　1）低淬透性合金渗碳钢

 

　　即低强度渗碳钢(抗拉强度≤800MPa)，如15Cr，20Cr，15Mn2，20Mn2等。这类钢淬透性低，经渗碳、淬火与低温回火后心部强度较低且强度与韧性配合较差。主要用于制造受力较小，强度要求不高的耐磨零件，如柴油机的凸轮轴、活塞销、滑块、小齿轮等。

 

　　这类钢渗碳时心部晶粒易于长大，特别是锰钢。若性能要求较高时，这类钢在渗碳后经常采用二次淬火法，即在渗碳后先作正火处理，以消除渗碳时形成的过热组织，然后再重新加热淬火。

 

　　2）中淬透性合金渗碳钢

 

　　即中强度渗碳钢(抗拉强度=800～1200MPa)，如20CrMnTi，12CrNi3A，20CrMnMo，20MnVB等。这类钢含合金元素总量约在4%左右，由于主要是把Cr和Mn二元素配合加入钢中，能更有效地提高淬透性和机械性能(抗拉强度=1000～1200MPa)。一般用来制造重负荷的中、小耐磨件和中等负荷的模数较大的齿轮。如汽车、拖拉机的变速箱与后桥齿轮、齿轮轴、十字销头、花键轴套、气门座、凸轮盘等。

 

　　这类钢由于含有Ti，V，Mo，渗碳时奥氏体晶粒长大倾向小，因此可采用自渗碳温度预冷到870°C左右直接淬火，并经低温回火后使零件具有较好的机械性能。

 

　　3）高淬透性合金渗碳钢

 

　　即高强度渗碳钢(抗拉强度＞1200MPa)，如12Cr2Ni4，18Cr2Ni4WA等。这类钢含合金元素总量≤7.5%，由于含Cr，Ni元素较多，可大大地提高钢的淬透性，特别是加入了较多的Ni，在提高强度的同时，使钢具有良好的韧性。这类钢可用作承受重载和强烈磨损的重要大型零件，如内燃机车的主动牵引齿轮、柴油机曲轴、连杆及缸头精密螺栓等。

 

　　由于含有较高的合金元素，使C曲线大为右移，因而在空气中冷却也能得到马氏体组织;另外，其马氏体转变温度也急剧下降，使渗碳表层在淬火后将保留大量的残余奥氏体。为了减少淬火后残余奥氏体量，可在淬火前先高温回火，使碳化物球化或在淬火后采用冷处理。

 

【行业动态】汽车齿轮钢的发展动向

随着汽车的高性能化和轻型化，汽车齿轮钢研发必须满足高性能、长寿命、经济性和生产性等要求。尽管各国资源和生产工艺条件的差异，齿轮钢合金系列不尽相同，但新型齿轮钢的发展趋势有以下几种：

1.大力开发窄淬透性带齿轮钢

       窄淬透性带齿轮钢热处理后的变形量小，齿轮的修磨量小，咬合精度高。化学成分是影响淬透性的主要因素，控制淬透性带的关键在于对化学成分波动范围的严格控制和成分的均匀性。建立化学成分与淬透性的相关式，通过计算机辅助预报和补加成分，收得的精确计算，及完整生产线和工艺手段进行控制。各钢厂在冶炼时，必须优化成分微调工艺，开展喂丝技术和齿轮钢连铸工艺研究，用连铸代替模注，减少成分偏析，来满足不同层次的需求。

2.超低氧渗碳钢

       为了大幅度提高以齿轮钢为代表的渗碳钢的疲劳寿命，现代渗碳钢对氧含量的限制并不逊于轴承钢，国内外大量研究表明，随着氧含量的降低，齿轮的疲劳寿命大幅度提高，这是由于钢中氧含量的降低，氧化物夹杂随之减少，减轻了夹杂物对疲劳寿命的不利影响。通过钢包精炼加真空脱气后，模铸钢材氧含量可≤l5ppm，日本通过双真空处理把氧含量控制在10-5ppm超低氧水平以下。

3.低晶界氧化层渗碳钢

       晶界氧化层对渗碳淬火钢的接触疲劳性能影响较大，实践证明，硅促进晶界氧化的能力是锰和铬的10倍。因此在钢种设计时，尽可能把Si降至最小，Mn、Cr也应偏少并适当提高Ni和Mo的加入量，提高韧性，S、P含量必须严格控制，以减少晶界偏析。日本开发了低硅抗晶界氧化渗碳钢系列，可使晶界氧化层降低到≤5μm，而SCM420H等Cr-Mo钢通常为15μm-20μm，从而使接触疲劳性能提高1倍以上。

4.超细晶粒渗碳钢

       为了提高渗碳效率，进行高温渗碳（＞930℃）是未来很好的发展方向，可开发含有铌、钒等细化晶粒的超细晶粒渗碳齿轮钢。可以避免渗碳层产生非马氏体组织，减少残余奥氏体量，排除了淬火时重复加热的必要性，减少零件变形，同时可提高齿轮的疲劳抗力。

5.开发可提高高温硬度和高温抗软化渗碳钢

       齿轮工作时接触而温度的升高会导致接触疲劳剥落（点蚀），主要原因是由于钢材的抗软化能力不足。为此应增加Si，Cr含量以提高软化抗力。高Cr、Si含量（例如0.2 %C-0.55 %Si-0.3 %Mn-2.5 %Cr)的齿轮钢的点蚀寿命约为普通钢的3倍，已应用在齿面工作状态非常苛刻的自动变速器行星齿轮上，另外还开发了一种添加V的钢种，它与碳氮共渗并用，一方面借助VC的弥散提高高温硬度，另一方面使残余奥氏体量提高到30%左右，在工作应力下发生马氏体相变，使硬度上升，从而弥补在工作温度下硬度的下降。

6.易切削齿轮钢

       由于汽车齿轮用量很大，齿轮生产厂在装备了高速程控机床后，把原来的多道工序合并在一组刀具上，通过计算机进行程序控制，因为组合刀具比较昂贵，刀具消耗量和磨削次数的多少，直接影响生产成本和效率。因此对齿轮钢的切削性能提出了越来越高的要求。

       改善钢的易切削性能，可以向钢中添加一定量的铅或硫。由于含铅钢的生产和管理难度大，工艺技术尚不成熟，并存在有毒气体污染等问题，已经很少被采用。而主要是用硫来改善切削性能。易切削齿轮钢在国外发展很快，而在国内尚属空白。一般钢种做到易切削并不难，而易切削齿轮钢的技术难点在于如何达到易切削性和力学性能，尤其是横向冲击性能不降低之间的统一。为了做到真正的易切削，必须考虑硫化物的形态控制、坚硬质点的消除或改性以及适宜的金相组织。

       有报道日本等国正在研制开发无Pb含Bi、Mg、Ca等易切削齿轮钢。

7.冷锻齿轮用钢的开发

       精简工序、缩短工时是降低生产成本的有效途径。冷锻可以实现齿形的近成型，节省大量的切削加工工序。这种高质量、低成本的齿轮生产方式已经在差速器齿轮、齿套等零件上成功应用。但是，冷锻技术的推广离不开材料技术的进步。

       首先，用于齿轮的钢材必须具有优良的冷塑性加工性能，以保证在加工过程中材料能充满模具的各个部分，为此必须降低钢中的C，Si和Mn；

       其次，钢材必须确保淬透性以保证齿轮具有足够的强度，为此须补充起固溶强化作用之外的合金元素。添加少量B就能明显提高淬透性。开发的冷锻用含B渗碳钢在轧制状态下硬度在75HRB以下，疲劳强度和冲击强度与通用渗碳钢等同或更高。

       另外，冷锻时的强烈塑性变形易使齿轮在随后的渗碳温度下发生奥氏体晶粒长大，不仅使齿轮的热处理变形加大，而且降低强度和韧性，因此钢材必须保证冷锻后渗碳淬火时不发生晶粒粗大。为此开发了防止晶粒长大钢，主要措施是适量添加A1、Nb、Ti和N等元素，利用这些元素的细微碳化物和氮化物析出阻止晶粒的长大。特别是为了确保渗碳B钢的有效B量，往往用Ti来固定N。在渗碳时很难用A1N来控制晶粒长大，为了避免晶粒粗大，应添加比一般B钢更多的Ti（或Nb），利用细微的TiC来防止晶粒长大。细微分散的TiC还有防止位错活动、抑制裂纹扩展的作用。成分为0.18%C-0.10 %Si-0.50 %Mn-(1 %~2%)Cr-0.0015%B-Nb(Ti)的钢种是冷锻用渗碳钢之一。

漫谈齿轮&齿轮钢

齿轮用什么材料制作？

齿轮制造常用材料有调质钢、淬火钢、渗碳淬火钢和渗氮钢等钢材料。由于铸钢与锻钢相比强度稍低，所以用来制作尺寸较大的齿轮。而灰铸铁的机械性能较差，所以多用来制作轻载的开式齿轮。

当然，齿轮制作并非都用钢，球墨铸铁就可以部分地代替钢。塑料也可以用来制作齿轮，塑料齿轮多用于轻载和要求噪声低的地方，一般用导热性好的钢齿轮与它配对使用。

齿轮和齿轮钢有什么要求？

齿轮表面质量的优劣直接影响整个传动系统的质量和寿命。高强韧性的齿轮钢不但要有良好的强韧性、耐磨性能，很好地承受冲击、弯曲和接触应力，还要求变形小、精度高和噪声低。

 

从专业的角度来说，高性能的齿轮钢要满足：

（1）淬透性要求：具有足够的心部淬透性和良好的渗层淬透性。

（2）晶粒度要求：晶粒应细小，均匀

（3）纯净度要求高

（4）加工性和易切削性好

（5）减轻或消除带状组织

高性能齿轮钢应用例解

由于齿轮钢在汽车、船舶、飞机、火车等的传动装置中应用极为广泛，为了满足这种使用环境要求，齿轮钢的钢材种类也是千差万别，可以说是百花齐放。这里就为您介绍几种高性能的齿轮钢。

（1）重型机械传动齿轮——8622H钢

8622H钢属于Cr-Ni-Mo系渗碳和碳氮共渗钢，多被用来生产重型汽车、重型挖掘机、重型吊车、重型机床等重型机械的传动齿轮和齿轮轴，也常见于大扭矩小型齿轮和齿轮轴的制作。

（2）重型汽车驱动桥齿轮——17CrNiMo6H钢

该钢冲击功为112J，性能较22CrMoH钢更好，已部分使用于国内某些重型汽车驱动桥齿轮的生产。

（3）重型汽车驱动桥圆锥齿轮钢——17Cr2Mn2TiH

自2005年起，国内已有多家公司先后采用17Cr2Mn2TiH钢进行重型汽车驱动桥齿轮的台架寿命试验及商品齿轮的制造。已被证实可用于取代17CrNiMo6H和20CrNi3H、22CrMoH等钢种投人使用。

（4）推土机变速器传动齿轮——22CrNi2MoNbH，S48C-V钢

22CrNi2MoNbH钢用来制作工程机械中的推土机变速器传动齿轮零件，而S48C-V中碳结构钢则用于推土机二级齿轮、挖掘机回转支承等。

齿轮和齿轮钢今后的发展

数据显示，2015年我国齿轮产品销售额达2200亿元，位居全球第一，但2015年我国齿轮产业进口额高达129.74亿美元。

未来，齿轮发展的方向应该是重载、高速、高精度和高效率。同时，要求齿轮向尺寸小、重量轻、寿命长和经济可靠的方向迈进，而齿轮理论和制造工艺的发展重点将进一步研究减少轮齿损伤延长齿轮的使用寿命。

在将来，齿轮钢轻量化、高性能、长寿命、环保性的发展趋势，使得高强韧性齿轮钢的研发显得极为重要。齿轮钢要求气体含量低、淬透性带窄、批量之间的波动性小，以确保批量生产的齿轮的热处理质量稳定，提高配对啮合性能，延长使用寿命。

更专业的说，在齿轮钢钢种的发展趋势看，要研发以下更牛的齿轮钢：

（1）研发窄淬透性带齿轮钢；

（2）开发超低氧含量齿轮钢；

（3）开发低晶界氧化层渗碳钢；

（4）开发可提高高温硬度和高温抗软化渗碳钢；

（5）开发渗层高韧性齿轮钢；

（6）开发易切削齿轮钢；

（7）开发冷锻齿轮钢；

（8）开发轻量化齿轮钢。

 

浅谈国内汽车用齿轮钢的质量要求与水平

1 汽车用齿轮钢的概述

按中国汽车工业协会和中国齿轮专业协会的统计资料，2005年中国汽车生产总量已达570万辆，汽车齿轮钢材的消耗量约80万t左右，近几年来中国汽车产量平均每年以10％左右的速度增长，分析2005年汽车行业产品构成，可以发现汽车行业增长最快的主要是重型载货车和轿车，随着轿车进入家庭步伐的加快，我国的汽车工业已进入高速发展阶段，所以车辆齿轮越来越成为齿轮钢材最重要的消费用户。长期以来，我国汽车齿轮钢沿用原苏联的20CrMnTi材质，这种材质由于符合我国的资源具有成本低、工艺性能好、价格低的优点且可以满足国内大多数齿轮材质的要求，所以这种材质仍占据着中国汽车齿轮钢材的50％左右。改革开放以后，中国从美国、德国、法国、日本、意大利、韩国等国家引进了许多车型，相应的也引进了国外的齿轮钢种。随着引进车型的不断增多，这些钢种在国内市场上占有的份额越来越大。经过“七五”至“十五”国家重点的攻关项目，汽车行业和冶金行业共同攻关后筛选出一些常用的引进钢种列入了GB／T5216—2004标准。

2 汽车用齿轮钢的种类与发展方向

按照合金系列分类，齿轮钢可分为Cr—Mn—Ti系、Cr系、Mn—Cr系、Cr—Mo系、Cr—Mn—B系以及Cr—Ni—Mo系，分别阐述如下：

Cr—Mn—Ti系：主要以20CrMnTiH为主，同时根据不同车型、不同齿轮厂的加工工艺，20CrMnTm又可以分为H1，H2、H3等不同淬透性带宽的子钢号系列。并且在原有的20CrMnTi的基础上，一汽与有关冶金厂开发了16CrMnTiH、18rMnTiH钢，用于小红旗轿车齿轮生产。

Cr系齿轮钢：钢种为SCr420H，与中国GB／T5216—85标准中20CrH相比较，Mn、Cr含量均有提高，淬透性略高，用于夏利轿车、。EQ153 8t载重卡车变速箱齿轮。

Cr—Mn系齿轮钢：钢种为16MnCr5、20MnCr5、25MnCr5、28MnCr5、27MnCr5，主要用于奥迪、捷达、桑塔那及富康轿车齿轮，依维柯中巴车及部分引进的重型卡车齿轮。

Cr一Mo系齿轮钢：钢种为SCM415H、SCM420H、SCM822H1(H2)、16CD4，20CD4，27CD4，30CD4等牌号，主要用于标致轿车、五十铃中巴、153中型卡车齿轮生产。

Cr—Mn—B系齿轮钢，品种主要是德国的ZF6(16CI—16CrMnBH)，  ZF7(B)(18CrMnBH、20CrMnBH)。ZF钢是经过B处理的Cr—Mn系齿轮钢。主要用于斯太尔重型卡车齿轮。B在这类钢中的作用主要是形成球状BN，降低钢中固溶N量，提高钢的韧性，而传统的渗碳硼钢中B主要起提高淬透性的作用。

Cr—Ni—Mo系齿轮钢：钢种主要为SAE8620H、SAE8627H、SAE4320H美国钢号及ZFlA(或17CrNiMo6)德国钢号，用于切诺基轿车、斯太尔卡车齿轮。鉴于各国资源和生产工艺条件的差异，每个国家和地区应用的齿轮钢合金系列不尽相同，例如：德国采用Mn—cr系列和Cr—Mn—B系列l(16MnCr5，20MnCr5，25MnCr5，28MnCr5，ZF6，ZF7，ZF7 B)：日本应用Cr系和Cr—Mo系（SCr420H，SCM415H，SCM420H，SCM822H)：美国采用Cr—Ni—Mo系（SAE8617H，SAE8620H)：法国采用Cr—Ni系(19CN5)和Cr—Mo系(20CD4，27CD4，30CD4)钢：中国大量使用的是20CrMnTi齿轮钢。齿轮钢的技术发展方向应是，降低渗碳层表面氧化倾向大的合金元素含量，添加氧化倾向小的合金元素；控制齿轮钢中的残余奥氏体量；减少晶界偏析元素的含量；开发和应用喷丸表面强化技术，增加表面的残余应力；研究和开发的新型齿轮钢必须满足高强度、经济性、生产性等多种要求；由于制造齿轮时需进行大量的切削加工，需要开发易切削齿轮钢。

3 对汽车齿轮钢的质量要求

齿轮钢不但要有良好的强韧性、耐磨性，承受冲击，弯曲和接触应力，且还要变形小、精度高、噪音低。通常，高质量水平的齿轮钢主要表现在三个方面，即末端淬透性带窄，离散度小；纯洁度高；晶粒细小均匀。此外，良好的加工性能(包括冷、热加工性和易切削性)也是齿轮行业所关心的重要指标。

3．1 末端淬透性

用末端淬透性来代替以往的机械性能检验是评价齿轮钢质量的重大进步。末端淬透性的稳定与否对齿轮热处理后变形量的影响很大，淬透性带宽度愈窄，离散度愈小，愈有利于齿轮的加工及提高其啮合精度。中国现行的GB／T5216—2004《保淬透性结构钢》标准中的淬透性带“带宽”水平与美国、德国的H钢(HH钢、HL钢)标准水平基本上是相当的，例如在J9和JI5处，一般都限制在0～12HRC范围内波动。而HH、HL钢的带宽一段都限制在7～8HRC范围内波动。

3．2  钢中氧含量及夹杂物的要求

氧含量对齿轮疲劳寿命的影响已越来越受到人们的关注。日本对Cr、Cr—Mo、Cr—Ni—Mo渗碳合金钢的氧含量和疲劳寿命之间的关系曾做过实验，当氧含量从25×10—6降到10×10—6以下时，其疲劳寿命可以数倍的增加，中国对SCM420H、20MnCr5等引进钢种也进行过脱气和不脱气的对比实验，证实脱气50多以上。由于工业发达国家拥有先进的技术装备和工艺技术，其齿轮钢的氧含量普遍较低，1986年开始至今我国分别从日本、德国、奥地利等国进口的齿轮钢其氧含量波动在(7～18)×10—6。中国电炉单炼的20CrMnTi氧含量水平约(30～40)×10—6，电炉+LF炉双炼法生产的齿轮钢氧含量约25×10—6，经VD真空处理后可达到20×10—6以下。为了适应齿轮钢的新要求，各钢厂经技术改造，生产的齿轮钢纯净度也达到较高水平，大大缩短了与国际水平的差距。目前齿轮行业标准已将汽车用齿轮钢的氧含量规定为≤20×10—6，而很多采用LF+VD或LF+RH精炼处理的特殊钢厂家，已可以将齿轮钢的氧含量控制在15×10—6以下。非金属夹杂物中B、D类夹杂对齿轮的疲劳寿命影响非常大，这两类夹杂物也与氧含量有关，同时与非金属夹杂物的尺寸及分布有很大关系。目前要求B类夹杂不大于2级，D类夹杂不大于l级。A类夹杂对齿轮钢的疲劳寿命影响不大，并且随着易切削齿轮的发展，钢中对硫含量的上、下限都提出了要求，因此齿轮钢今后对A类夹杂的数量、形态及分布提出要求。c类夹杂为硅酸盐类夹杂，由于冶炼装备的变化，目前国内大多数特钢厂都可以达到1级以下的水平。

3．3  晶粒度

晶粒尺寸大小是齿轮钢的又一项重要指标，细小均匀的奥氏体晶粒度对稳定钢材的末端淬透性，减少齿轮热处理后的变形量，提高渗碳钢的脆断抗力具有重要意义。因为粗粒的晶粒使渗层碳浓度相对增高，导致脆性增加，使弯曲强度下降，齿面容易剥落。如果出现混晶，有可能使齿牙之间的热处理变形失去规则而无法配对。晶粒细化主要通过添加一定量的细化晶粒元素如Al，Ti，Nb等来达到。为此国内外都在为细化晶粒度积极攻关。目前我国齿轮钢的晶粒度级别一般要求5～8级，而日本特别强调渗碳齿轮钢的晶粒度应不粗于6级，这是值得我们注意的。从目前某些引进齿轮钢来看，混晶现象极易发生，这就要求钢厂和齿轮厂在工艺上积极采取措施，共同攻克这一难题。国内外对细化品粒都十分重视。现在倾向一致的看法是：控制Al含量为0．020%～0．055％，同时，配以一定的氮含量0．010％一0．018％，使之形成AIN起钉扎作用，可阻止晶粒长大。

3．4  加工性和易切削性

随着齿轮加工线的自动化，为了不断提高生产效率，许多国家正在研究使用易切削的齿轮钢。在法国和德国标准中，有许多硫有下限要求的钢号，其硫含量一般只有0．020％～0．035％，而不是原先概念中硫越低越好的思路。这些钢比我国国标GB731—88易切削结构钢技术条件中的硫含量(最低的S=0．04％～0．08％，最高的S=0．23％～0．33％)低得多。显然仅按常规的冶炼方法来提高易切削性仍是比较困难的，需要通过合适的冶炼工艺以改善硫化物的形状及其分布状态来达到。另外，通过钢材锻轧后的空冷处理，防止粒状贝氏体的出现，改善金相组织，也是提高切削性能的有效途径。

3．5 带状组织

钢在凝固过程中由于选分结晶的作用，在钢坯凝固横向及纵向上都会造成成分的不均匀性，在轧制后的冷却过程中由于成分偏析会形成组织(铁素体与珠光体)的层状分布即带状组织，严重的带状组织在齿轮热处理后不但增加变形，而且齿轮在渗碳处理后使齿高各部位的显微硬度造成差异，影响齿轮的疲劳寿命。钢种的不同，带状组织的级别的严重程度不同，Cr—Mo、Cr—Ni—Mo钢带状组织较其它钢种严重

，由于带状组织不易消除，齿轮厂一般要求带状组织小于3级。模铸材由于等轴晶区比连铸材大，其成分的均匀性较连铸材好，带状组织较轻，只要控制好浇注温度及速度，大部分炉号能满足小于3级的要求，而连铸材达到该要求相对要难的多。解决带状组织的根本在于减少成分的偏析，加上与轧后适当的冷速相结合。

3．6 其它方面

因为Si在渗碳层中最易导致内氧化形成“黑色网状组织”缺陷，使疲劳寿命急剧降低。因此渗碳齿轮钢有降低钢中[Si]含量的趋势(Si≤0．12％)，同时也加快了齿轮的渗碳速度。Ti在钢中与N、C生成尖、棱角且非常硬的Ti(C、N)化合物，轧制时不变形并在其与基体之间造成裂纹。因此对齿轮的疲劳寿命影响较大，所以齿轮钢不宜加较多的Ti细化晶粒或防止混晶，推荐采用A1或加少量Nb细化晶粒。

4 目前汽车齿轮钢的生产标准

4．1 各国汽车用钢的国家标准及质量要求

汽车用齿轮钢都为保淬透性结构钢，目前中国的保淬性用钢标准与IS0、DIN标准相近，都有宽带与窄带之分，中国的保淬透性用钢标准还略严于其它国家的标准。

4．2 汽车齿轮行业标准及国内外主要齿轮企业要求齿轮钢的标准与质量要求

GB／T5216及国外的保淬透性用钢等基础性标准，对钢中氧含量不要求且淬透性带较宽，不能较好的满足齿轮行业对齿轮加工的要求，2004年齿轮行业协会公布了CGMA001—1：2004《车辆齿轮用钢技术条件》和CGMA00—2：2004《车辆齿轮用钢市场准入条件》，在这两个标准中，明确了汽车齿轮钢的氧含量应≤20ppm，钢中非金属夹杂物应满足：A类细系≤2．5级，粗系：≤2．5级；B类细系≤2．5级，粗系：≤2．5级：C类细系：≤2．0级，粗系≤2．0级；D类细系：≤2．5级，粗系：≤2．5级。晶粒度应≤5级。中国目前齿轮钢的生产水平已达到国外先进的水平，但比起日本、德国、美国生产的齿轮钢还有一些差距特别是在带状组织的控制上。

5 结论

由于引进车型增多，目前我国汽车齿轮钢已发展成Cr—Mn—TI及Cr—Mo、Cr—Ni—Mo、Mn—Cr、Cr—Mn—B并存的状态，质量要求也与国外汽车厂基本相同，随着国内特钢精炼、真空脱气、连铸水平的提高，汽车用齿轮钢在淬透带的控制、氧含量、晶粒度、非金属夹杂物、带状组织等方面已基本达到国外先进水平。

 

 

我国轴承钢 弹簧钢 齿轮钢生产现状及未来发展方向

特殊钢是重大装备制造和国家重点工程建设所需的关键材料，是钢铁材料中的高技术含量产品，其生产和应用代表一个国家的工业化发展水平。 

 

1 轴承钢现状和发展方向 

轴承广泛应用于矿山机械、精密机床、冶金设备、重型装备与高档轿车等重大装备领域和风力发电、高铁动车及航空航天等新兴产业领域。中国生产的轴承主要为中低端轴承和小中型轴承，表现为低端过剩和高端缺乏。与国外相比，在高端轴承和大型轴承方面存在较大差距。中国高速铁路客车专用配套轮对轴承全部需要从国外进口。在航空航天、高速铁路、高档轿车及其他工业领域用的关键轴承上，中国轴承在使用寿命、可靠性、Dn值与承载能力等方面与先进水平存在较大差距。例如，国外汽车变速箱轴承的使用寿命最低50万公里，而国内同类轴承寿命约10万公里，且可靠性、稳定性差。 航空方面 作为航空发动机的关键基础零部件，国外正在研发推力比为15-20的第2代航空发动机轴承，准备在2020年前后装配到第5代战机中。近10年来，美国研发了第2代航空发动机用轴承钢，其代表性钢种为耐500℃的高强耐蚀轴承钢CSS-42L和耐350℃高氮不锈轴承钢X30(Cronidur30)，中国则在进行第2代航空发动机用轴承的研发。

 

汽车方面 

对于汽车轮毂轴承，中国目前广泛应用的是第1代和第2代轮毂轴承(球轴承)，而欧洲已广泛采用第3代轮毂轴承。第3代轮毂轴承的主要优点是可靠、有效载荷间距短、易安装、无需调整、结构紧凑等。目前，中国引进车型大多采用这种轻量化和一体化结构轮毂轴承。 

 

铁路车辆方面 

目前，中国铁路重载列车用轴承采用国产电渣重熔G20CrNi2MoA渗碳钢制造，而国外已经将超高纯轴承钢(EP钢)的真空脱气冶炼技术、夹杂物均匀化技术(IQ钢)、超长寿命钢技术(TF钢)、细质化热处理技术、表面超硬化处理技术和先进的密封润滑技术等应用到轴承的生产和制造，从而大幅度提升了轴承的寿命与可靠性。中国电渣轴承钢不仅质量低，而且成本比真空脱气钢高出2000-3000元/吨，未来中国需要开发超高纯、细质化、均匀化与质量稳定的真空脱气轴承钢取代目前采用的电渣轴承钢。 

 

风电能源方面 

对于风电轴承，目前中国还无法生产技术含量较高的主轴轴承和增速器轴承，基本依靠进口，3MW以上风电机组配套轴承的国产化问题还没有解决。国外为了提高风电轴承的强度、韧性和使用寿命，采用了新型特殊热处理钢SHX(40CrSiMo)，对于偏航和变浆轴承，通过表面感应淬火热处理控制淬硬层深度、表面硬度、软带宽度和表面裂纹;对于增速器轴承和主轴轴承采用碳氮共渗，使零件表面得到较多稳定残余奥氏体体积分数(30%-35%)和大量细小碳化物、碳氮化物，提高了轴承在污染润滑工况下的使用寿命。 为提高轧机轴承的使用寿命以及运转精度，未来需要进行轧机用GCr15SiMn和G20Cr2Ni4等轴承钢的超高纯真空脱气冶炼和轴承表层大奥氏体量控制热处理等技术的研发。日本NSK与NTN轴承公司分别开发了表面奥氏体强化技术，即通过增加表层奥氏体含量，开发出了TF轴承和WTF轴承，从而将轴承的寿命提高了6-10倍。 

 

未来中国轴承钢的研发方向主要体现在四个方面： 

一是经济洁净度：在考虑经济性的前提下，进一步提高钢的洁净度，降低钢中的氧和钛含量，达到轴承钢中的氧与钛的质量分数分别小于6×10-6和15×10-6的水平，减小钢中夹杂物的含量与尺寸，提高分布均匀性。 

二是组织细化与均匀化：通过合金化设计与控轧控冷工艺的应用，进一步提高夹杂物与碳化物的均匀性，降低和消除网状和带状碳化物，降低平均尺寸与最大颗粒尺寸，达到碳化物的平均尺寸小于1μ m的目标;进一步提高基体组织的晶粒度，使轴承钢的晶粒尺寸进一步细化。 

三是减少低倍组织缺陷：进一步降低轴承钢中的中心疏松、中心缩孔与中心成分偏析，提高低倍组织的均匀性。 

四是轴承钢的高韧性化：通过新型合金化、热轧工艺优化与热处理工艺研究，提高轴承钢的韧性。 

 

2 弹簧钢现状和发展方向 

弹簧钢主要用于汽车、发动机制造业以及铁路行业。目前，中国弹簧钢产品存在的问题是，中低端产品过剩，高端及特殊品种缺乏;中国弹簧钢在纯净度、抗疲劳性、表面质量以及质量稳定性等方面与国外存在较大差距，无法满足高档乘用车悬架簧、气门弹簧、铁路及重载货车专用弹簧等对弹簧钢性能的要求。中国高档次及深加工弹簧钢仍然依赖进口。进口品种主要为轿车用弹簧钢、铁道用弹簧圆钢、油泵阀门弹簧钢丝等。 虽然降低钢中氧及夹杂物含量是获得纯净钢的一种途径，但是要想得到零夹杂的弹簧钢比较困难，为此有研究者提出了氧化物冶金技术，这是一种有效的晶粒细化的方法，是实现钢铁材料强度与韧性成倍提高的最有效方法。它利用钢中细小弥散的高熔点非金属夹杂物，主要是氧化物、硫化物以及氮化物，作为晶内铁素体的形核核心，从而起到细化晶粒的作用。国内外已经对Ti、Zr氧化物体系做了系统的研究，认为含钛氧化物是最理想的。在奥氏体晶粒内钛的氧化物质点成为针状铁素体有效形核地点，促进晶内铁素体形成。但是，由于钢种成分的限制，钛氧化物冶金的推广受到了限制。最近几年开始对稀土元素进行研究，可以利用稀土元素的强脱氧脱硫能力及产物熔点高的特点来研究稀土氧化物对钢材性能的影响。 汽车行业对悬簧强度的要求越来越高，设计应力提高到1100-1200MPa，为此日本开发出添加合金来提高强度和提高耐腐蚀疲劳强度的钢材。中国弹簧钢无法满足高档乘用车悬架簧用钢性能需求，强度1200MPa及以上悬架弹簧产品用弹簧钢全部依赖进口。然而，近年来，为规避资源风险、降低成本和实现原材料的全球化供给，强烈要求使用标准钢(SAE9254)维持高强度，而且强烈要求提高钢的韧性，因此越来越多地采用喷丸硬化处理取代处理费用高的表面硬化热处理。喷丸硬化处理将压缩残余应力作用于表面，可提高抗疲劳强度，减小表面缺陷的影响程度，因此近年来将它视为表面处理不可或缺的技术。随着表面强化技术的发展，悬簧的设计应力也达到了1200MPa级。预计今后对高强度悬簧用钢的强度、韧性和耐腐蚀性及耐用性的要求将越来越高。未来，随着汽车轻量化，发展高强度、优良抗弹减性能和抗疲劳性能的汽车悬架用弹簧钢是提高中国高端装备零部件自主配套能力、有效替代进口的必然趋势。 所有弹簧产品中，气门弹簧对材料要求最为严格，特别是高应力及异型截面气门弹簧对材料要求近乎苛刻。例如，要求抗拉强度达到2000MPa;对氧化物、硫化物的夹杂物等级要求均达到0级;异型截面材料对曲率、长短轴等有特殊要求。目前，国外气门弹簧专用弹簧钢生产主要集中在日本、韩国、瑞典，生产企业有日本铃木、三兴、住友、神钢钢线、韩国KisWire、瑞典Garphyttan等，几乎垄断了中国全部异型截面和高应力气门弹簧钢市场。2000年以后，随着新型发动机的开发，对发动机的旋转速度和轻量化、紧凑化的要求越来越高，因此日本开始采用2100-2200MPa的OT钢丝。在此情况下，不仅要调整合金成分，还要对现有制造工艺进行改进，低温弥散硬化成为必不可少的工艺。然而，低温弥散硬化后的弹簧形状发生变化，为了提高形状和尺寸的控制精度，控制整个制造工序中的形状变化的技术开始引人关注。 未来，为满足高端弹簧基础零部件国产化的发展需求，应不断开发高性能弹簧钢产品，一方面是向高强度方向发展，要求在高应力下同时提高疲劳寿命和抗松弛性能;另一方面是向功能性方向发展，根据不同的用途，要求具有耐蚀性、非磁性、导电性、耐磨性、耐热性等。

 

齿轮钢现状和发展方向 

齿轮在工作时，长期受到变载荷的冲击力、接触应力、脉动弯曲应力及摩擦力等多种应力的作用，还受到加工精度、装配精度、外来硬质点的研磨等多种因素的影响，是极易损坏的零件，因此要求齿轮钢具有较高的强韧性、疲劳强度和耐磨性。为了生产出优质齿轮钢，一方面要求钢厂为用户提供淬透性稳定且适应用户工艺要求的齿轮钢产品，另一方面齿轮厂也要优化现有工艺，引进新工艺来提高齿轮的质量。 与日本、德国、美国生产的齿轮钢相比，中国齿轮钢存在的差距主要是：钢的牌号未形成系列化，产品标准落后;钢的淬透性带较宽，国外钢的淬透性带已经达到4HRC，而中国在6-8HRC左右，并且不够稳定;钢的纯净度较低，从日本、德国、奥地利等国进口的齿轮钢，其氧含量波动在(7-18)×10-6，中国在(15-25)×10-6左右，并且非金属夹杂物弥散程度不够，分布不均，大颗粒夹杂物较多;晶粒度要求不同，中国齿轮钢晶粒度级别一般要求5-8级，而日本特别强调渗碳齿轮钢的晶粒度应不粗于6级;日本开发了低硅抗晶界氧化渗碳钢系列，可使晶界氧化层降低到≤5μm，而SCM420H等Cr-Mo钢为15-20μm;平均使用寿命短，单位产品能耗大，劳动生产率低。此外，在轧制过程中如何保证疏松等低倍缺陷在很小且芯部范围内，也是中国未曾研究的领域，因为低倍组织缺陷会对零件后续加工以及热处理变形带来很多不利影响。 目前，中国汽车用齿轮钢的主体钢种仍是20CrMnTi，该钢种通常采用气体渗碳工艺，由于渗碳气氛中氧化性气体的存在，导致渗层中对氧亲和力较大的元素Si、Mn、Cr在晶界处发生氧化，形成晶界氧化层。晶界氧化层的发生会导致渗层Si、Mn、Cr等合金元素固溶量下降，降低渗层的淬透性，从而降低渗层的硬度并导致非马氏体组织的产生，进而显著降低齿轮的疲劳性能。为解决这一问题可以采用两种手段： 

采用特殊的热处理工艺。真空渗碳可降低渗碳气氛中的氧势，从而可以较为有效地减小渗碳层晶界氧化的发生程度;稀土渗碳工艺也可以降低晶界氧化程度，由于稀土优先在工件表面富集并择优沿钢的晶界扩散，而且与氧的亲合力远比Si、Mn、Cr高得多，它将优先与氧结合,阻碍氧原子继续向内扩散，从而有助于减轻非马氏体组织的产生。 

通过合金设计，开发抗晶界氧化的齿轮钢。Ni、Mo具有很强的抗氧化能，Cr元素次之，Mn抗氧化能力弱，而Si的抗氧化能力最弱(Si氧化倾向是Cr、Mn的10倍)。因此为减小晶界氧化并保证淬透性，在齿轮钢成分设计时，应适当降低易氧化元素的含量，特别是Si的含量，相应地提高难氧化元素Ni、Mo的含量。据报道，将Si、Mn、Cr分别控制在0.05%、0.35%、0.01%可以完全抑制表面组织异常，而且即使在1000℃也很少有晶界氧化的发生。 

 

为满足汽车行业高性能以及轻量化的发展要求，未来应重点开发：淬透性带窄的齿轮钢、超低氧渗碳钢、低晶界氧化层渗碳钢、超细晶粒渗碳钢、提高高温硬度和高温抗软化渗碳钢、易切削齿轮钢、冷锻齿轮用钢等。

20CrMnTi齿轮钢生产实践

齿轮钢在汽车上有着极其广泛的使用，在使用的过程中会受到变载荷的冲击力、接触应力、脉动弯曲应力及摩擦力等多种应力的作用。因此要求齿轮钢不但要有良好的强韧性、耐磨性，能很好地承受冲击、弯曲和接触应力，而且对夹杂物的控制也提出了较高的要求。据此，公司根据用户的要求对齿轮钢化学成分进行设计，调整了相关的工艺参数，在没有电磁制动的情况下，通过连铸配水系统和辊缝的调整，板坯质量合格，成功生产出20CrMnTi齿轮钢，为下一步齿轮钢的生产奠定了基础。

工艺流程

   目前，国内大部分钢厂是在方坯上进行20CrMnTi齿轮钢的生产，承钢公司根据用户需要，在200 mm x (900 ~ 1 650) mm的板埋上进行生产试制。主要工艺流程如下：

高炉含钒铁水→脱硫→ 150 t转炉提钒→ 150 t 转炉冶炼→LF精炼→板坯连铸保护浇铸→1780生产线板坯加热→高压水除鳞→粗轧→热卷箱（可选）→精轧→层冷→卷取→检验→包装→检斤→人库。

转炉冶炼

    炼钢使用含钒铁水，铁水中硫含量相对较高，在脱硫工序要进行深脱硫，避免硫对冶炼过程的影响，保证人转炉铁水[S]专0.020%。根据承钢现有的工艺采用高拉碳的方式进行操作。相关资料研究表明，钢中碳含量和氧含量有一定的比例关系，当终点碳含量小于0. 05%时，钢水就存在过氧化现象，钢水过氧化会降低钢水的纯净度，因此,将转炉终点碳含量控制在不低于0. 07%，避免钢水过氧化，同时提高一次拉碳的比例，减少后吹次数。出钢过程中采取在线吹氩方式，用挡渣塞挡前期渣，出钢过程采用滑板挡渣。

温度进行调整；通过合适的处理方式对夹杂物进行变性处理，促进夹杂物的上浮。在精炼工序根据钢中的氧含量确定脱氧剂的加入数量，主要采用沉淀脱氧方式为主，本次根据钢水中的氧含量情况平均加人铝线0.4 kg/t钢，使钢中的Als达到0.02%的 目标。炉渣的成分对夹杂物的去除有着直接的影响，降低炉渣中与夹杂相同成分的活度可以提高炉 渣对该夹杂的吸收能力，渣系采用CaO - Si02 - A1203，碱度R控制在3.0 ~4.0(目标），LF精炼渣,精炼后期适当加人活性石灰、萤石调整熔渣；向钢包内喂人钙铁线或钙铝线对钢水进行钙处理，Ca/Als >0. 10后转人软吹，软吹氩过程严禁钢液面裸露。

连铸浇铸

    在20CrMnTi齿轮钢生产过程中，连铸坯的质量对卷板的质量有着重要的影响，在板坯没有电磁制动的情况下，如何减少成分偏析,保证铸坯的内部质量符合相关标准要求是非常关键的因素。在连铸生产过程中采用全程保护浇铸，在长水口处添加密封垫圈和氩封，在中包到结晶器之间添加浸人式水口，并且适当的进行吹氩，避免钢水在浇铸的过程中由于二次氧化造成钢水夹杂物含量升高。为了提高铸坯的内部质量，对扇形段内的6、7、8段的辊缝进行适当的调节使其有一定的压力，减少中心疏松、中心缩孔的产生；同时对结晶器的冷却水和0段的冷却水进行调整，减少板坯偏析的产生。

转炉终点碳含量较高，80 %的炉次一次拉碳成功，从而使终点氧活度得到很好地控制，为降低脱氧剂量、提高元素收得率及钢的清洁度创造了良好的条件

 

选择齿轮材料及其热处理时，主要是根据齿轮的传动方式、载荷性质与大小、传动速度和精度要求等工作条件，同时还要考虑，依据齿轮模数和截面尺寸提出的钢材淬透性及齿面硬化要求、齿轮副的材料及硬度值的匹配等问题。

 

齿轮所用的材料各种各样，如各种铸铁、钢、粉末冶金材料、非铁合金（如铜合金）及非金属材料都可用来制作齿轮，其中钢是使用最广泛的材料，包括各种低碳钢、中碳钢、高碳钢和合金钢等。

 

对钢铁材料齿轮进行适当热处理（如正火与退火、整体淬火回火、调质、渗碳、渗氮、表面淬火等），其目的是为了能够提高钢铁的使用性能，充分发挥材料的能力，同时也能够改善钢材的切削性能，提高齿轮加工质量，延长齿轮的使用寿命。

 

齿轮用各类钢铁材料和热处理的特点及适用条件如下：

一、调质钢

钢号：45、35SiMn、42SiMn、37SiMn2MoV、40MnB、45MnB、40Cr、45Cr、35CrMo、42CrMo等.

 

工艺1.调质或正火

1）经调质后具有较好的强度和韧性，常在220~300HBW的范围内使用。

2）当受刀具的限制而不能提高调质小齿轮的硬度时，为保持大小齿轮之间的硬度差，可使用正火处理的大齿轮，但强度较调质者差。

3）齿面的精切齿可在热处理后进行，以消除热处理畸变，保持齿轮精度。

4）不需要专门的热处理设备和齿面精加工设备，制造成本低。

5）齿面硬度较低，易于跑合，但是不能充分发挥材料的承载能力。

 

适用条件：广泛用于对强度和精度要求不太高的一般中低速齿轮，以及热处理和齿面精加工比较困难的大型齿轮。

 

工艺2.表面淬火（感应淬火、火焰淬火）

1）齿面硬度高，具有较强的抗点蚀和耐磨损性能；心部具有较好的韧性，表面经硬化后产生残余应力，大大提高了齿根强度；通常的齿面硬度范围为：合金钢45~55HRC，碳素钢40~50HRC。

2）为进一步提高心部强度，往往在表面淬火前先进行调质处理。

3）感应淬火时间短。

4）表面硬化层深度和硬度沿齿面不等。

5）因急速加热和冷却，容易淬裂。

 

适用条件：广泛用于要求承载能力高、体积小的齿轮。

 

二、渗碳钢

钢号：20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、20CrMo、22CrMo、20CrNiMo、18Cr2Ni4W、20Cr2Ni4A等。

 

工艺：渗碳淬火

1）齿面硬度很高，具有很强的抗点蚀和耐磨损性能；心部具有很好的韧性，表面经硬化后产生的残余应力，大大提高了齿根强度；一般齿面硬度范围为56~63HRC。

2）切削性能较好。

3）热处理畸变较大，热处理后应磨齿，增加了加工时间和成本，但是可以获得高的精度。

 

适用条件：广泛用于要求承载能力高、耐冲击性能好、精度高、体积小的中型以下齿轮。

 

三、渗氮钢

钢号：38CrMoAlA、30CrMoSiA、25Cr2MoV等。

 

工艺：渗氮处理

1）可获得很高的齿面硬度，具有较强的抗点蚀和耐磨损性能；心部具有较好的韧性，为提高心部强度，对中碳钢往往先进行调质处理。

2）由于加热温度低，故热处理畸变很小，渗氮处理后不需要磨齿。

3）硬化层很薄，故承载能力不及渗碳淬火齿轮，不宜用于有冲击载荷的场合。

4）渗氮处理周期长，加工成本较高。

 

适用条件：适用于较大且较平稳的载荷下工作的齿轮，以及没有齿面精加工设备而又需要硬齿面的场合。

 

四、铸钢

钢号：ZG310-570、ZG340-640、ZG42SiMn、ZG50SiMn、ZG40Cr1、ZG35CrMnSi等。

 

工艺：正火或调质，以及表面淬火

1）可以制造复杂形状的大型齿轮

2）其强度低于同种牌号和热处理的调质钢

3）容易产生铸造缺陷

 

适用条件：用于不能锻造的大型齿轮。

 

五、铸铁

钢号：各种灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等。

 

1）材料低廉。

2）耐磨性好。

3）可制造复杂形状的大型齿轮。

4）有较好的铸造和切削工艺性。

5）承载能力低

 

适用条件：灰铸铁和可锻铸铁用于低速、轻载、无冲击的齿轮；球墨铸铁可用于载荷和冲击较大的齿轮。