我國汽車用齒輪鋼性能及其熱處理技術的現(xiàn)狀

李茂林，張 峰

（1.環(huán)境保護部核與輻射安全中心，北京100082；2.東風汽車有限公司，湖北 十堰442001）

齒輪是汽車的主要傳動部件，在傳遞動力和改變速度的運行過程中，一對齒輪的嚙合面之間既有滾動，又有滑動，同時齒根部還將受到脈沖和交變彎曲應力的作用。齒面和齒根在上述不同應力作用下導致不同的失效模式，主要分以下幾種：嚙合齒面間相對滑動而產(chǎn)生的齒面磨損，齒面上的接觸應力超過了材料疲勞極限而產(chǎn)生的接觸疲勞及齒根部受到最大振幅的脈沖和交變彎曲應力作用產(chǎn)生的彎曲疲勞。齒輪在三種應力作用的工作環(huán)境中高速運轉，要求齒輪要具有良好的綜合性能。而對于重載汽車，由于我國的工況較差和超載使用較嚴重，而且短期內(nèi)無法克服等因素的影響，這就使齒輪還要承受較大的過載沖擊載荷。

綜上所述，汽車齒輪不但要有良好的強韌性和耐磨性，還要有能承受高的彎曲應力、接觸應力和抗過載抗沖擊的能力。除了設計等非冶金因素影響齒輪的使用壽命外，齒輪材料本身也是影響齒輪承載情況和壽命的最關鍵因素，以下概述了我國汽車用齒輪鋼性能及其熱處理技術的現(xiàn)狀。

1 汽車用齒輪鋼的性能品質(zhì)要求

根據(jù)汽車齒輪的使用要求，選用低碳合金鋼作為汽車齒輪材料最為理想：低碳合金結構鋼經(jīng)滲碳、淬火、低溫回火后使用，能夠保證齒輪心部在保持足夠強度和韌性的條件下，表層具有很高的硬度和耐磨性，以使其能夠承受巨大的沖擊載荷、接觸應力和磨損。

隨著汽車制造技術和材料生產(chǎn)技術的進步，汽車向著高速度、高載重量、低噪聲和輕量化的方向發(fā)展，這就要求齒輪鋼具有高品質(zhì)的要求，應滿足以下幾個方面的性能：

（1）末端淬透性帶窄，離散度小

末端淬透性是評價齒輪用鋼的最主要的技術指標，根據(jù)齒輪的不同使用部位，要求齒輪鋼具有足夠的心部淬透性和良好的滲層淬透性，以確保齒輪滲碳淬火時表層和心部不出現(xiàn)過冷奧氏體分解產(chǎn)物，同時較窄的淬透性能使得齒輪熱處理后的變形范圍小，因此末端淬透性的穩(wěn)定與否對齒輪熱處理后變形的大小影響很大，淬透性帶越窄，離散度越小越利于齒輪的加工及提高嚙合精度，而淬透性帶寬的控制主要取決于化學成分的精確控制及成分的均勻性[1]。

（2）晶粒細小均勻

奧氏體晶粒尺寸是衡量齒輪鋼質(zhì)量的另一重要指標。細小均勻的奧氏體晶粒對穩(wěn)定鋼材的末端淬透性，減少齒輪熱處理后的變形，提高滲碳鋼的脆斷抗力具有重要意義。晶粒粗化使?jié)B層碳濃度相對增高，導致脆性增加，使彎曲強度下降，齒面容易剝離。如果出現(xiàn)混晶，有可能使齒牙之間的熱處理變形失去規(guī)則而無法配對[2]。晶粒細化主要通過添加一定量的細化晶粒元素，如Al、Ti、Nb等來達到，而實際產(chǎn)品的晶粒能否細化還要取決于煉鋼后的鍛、軋、熱處理工藝是否合理。

（3）鋼的純凈度高

鋼的純凈度，主要指鋼中氧含量，非金屬夾雜物和除硫（齒輪鋼中有時需保持一定的硫含量以改善切削性）以外的其他有害元素。氧化物夾雜總量的高低，直接決定于氧含量的高低。鋼中氧含量對齒輪的疲勞壽命有著重大影響，特別是對接觸疲勞有顯著的危害作用，日本對Cr、Cr-Mo、Cr-Ni-Mo滲碳鋼的氧含量與疲勞壽命之間的關系做過對比試驗，當氧含量從25 ppm降到11 ppm時，其接觸疲勞強度可提高四倍。通過精煉工藝最大限度地脫除鋼中的氧，也同時使鋼中氧化物夾雜的含量減少，即減少了齒輪的裂紋源。鋼中存在的大顆粒夾雜相當于一個敏感的裂紋源，使鋼的延展性降低，即使在很低的拉應力作用下，裂紋也極易擴展，造成工件失效。同時，當過量的夾雜物聚集在晶界時，易產(chǎn)生沿晶界脆斷，使鋼的延展性降低[3]。我國對SCM420H等引進齒輪鋼進行脫氣與不脫氣的對比試驗，證實其疲勞壽命也可以提高40%左右[4]。降低鋼中氧含量的主要方法是真空處理。

（4）加工性能好

齒輪鋼是熱加工用鋼，要求鋼材的表面質(zhì)量好，無裂紋，結疤等宏觀缺陷。同時要求具有良好的機加工切削性能，以適應高速程控機床的需要。

2 我國汽車用齒輪鋼的熱處理現(xiàn)狀

2.1 汽車用齒輪鋼的熱處理狀況

熱處理是齒輪品質(zhì)控制過程中的一個關鍵工序。齒輪的許多關鍵特性要通過熱處理來實現(xiàn)。熱處理的質(zhì)量直接影響齒輪的齒面嚙合和使用壽命。目前世界上汽車齒輪熱處理生產(chǎn)采用的工藝主要是氣體滲碳工藝[5~6]。這種常用的滲碳工藝，國外通過計算機不僅可以控制滲碳層層深和表面硬度，而且還可控制表面含碳量、組織中的碳化物及殘留奧氏體的形態(tài)分布，以及表面硬度梯度等[7]，從而可以得到最佳的滲碳層品質(zhì)和最小的變形，提高了產(chǎn)品的品質(zhì)。碳氮共滲工藝由于滲層組織性能不易控制穩(wěn)定，只有少數(shù)小模數(shù)低負荷的齒輪才允許采用，目前許多滲碳技術的新工藝正在發(fā)展之中[8~9]，最近使用高壓氣淬的真空與等離子滲碳工藝用于汽車齒輪加工行業(yè)獲得了很大的成功[10]。

而我國汽車齒輪的質(zhì)量與先進國家的同類產(chǎn)品相比，差距較大，平均使用壽命僅及其一半左右，且單位產(chǎn)品的能耗大，勞動生產(chǎn)率低。要提高汽車齒輪的品質(zhì)，除了選材合適之外，必須對熱處理工藝進行嚴格規(guī)范，并且努力創(chuàng)新，廣泛采用新技術、新工藝和新設備。設備是工藝的基礎，齒輪熱處理的品質(zhì)在很大程度上需要熱處理設備來保證。齒輪熱處理對設備溫度和碳勢的控制精度、爐內(nèi)溫度和氣氛的均勻性以及淬火油的攪拌、循環(huán)等都要求較高。溫度和碳勢的控制誤差大、爐內(nèi)溫度和氣氛不均勻，淬火變形加大，嚴重時將造成齒輪報廢。由于我國熱處理設備技術落后，大部分滲碳爐，不能進行碳勢自動控制，產(chǎn)品表面碳濃度波動大，滲碳齒輪品質(zhì)差，生產(chǎn)效率低、能耗大、成本高。目前國內(nèi)氣體動態(tài)軟件在滲碳爐上的應用雖已獲得成功[11]，但控制水平和國外還存在著一定的差距?！鞍宋濉焙汀熬盼濉逼陂g各大汽車企業(yè)和零部件廠大量成套引進了熱處理設備，大大提高了滲碳齒輪的品質(zhì)。在對齒輪滲碳層的工藝測量方法上，我國現(xiàn)行標準規(guī)定用金相法測量總層深，這種方法不能直觀反映出淬硬層的硬度分布情況，而國際上通用的是用硬度法測量滲碳層有效淬硬層深。硬度法目前許多大企業(yè)己逐步開始使用，并逐漸推廣。

2.2 當前齒輪熱處理工藝研究的主要內(nèi)容

熱處理工藝的研究主要是為了減少熱處理缺陷，改善工件性能，簡化工藝，提高效益。齒輪熱處理工藝的改進具體體現(xiàn)在：

（1）預處理工藝

隨著我國汽車生產(chǎn)朝高品質(zhì)、大批量方向發(fā)展，各汽車制造廠也越來越重視汽車齒輪鍛坯的預先熱處理?，F(xiàn)代化的大批量生產(chǎn)要求齒坯在熱處理后能獲得均勻的組織和硬度以保證獲得良好的切削加工性能，穩(wěn)定的淬火變形規(guī)律，預處理的改進主要有等溫退火或等溫正火以及先退火然后正火等工藝方法。等溫退火或等溫正火是先將鋼加熱到A3點以上，然后冷卻到等溫溫度進行等溫處理，再以不同冷速冷卻進行退火或正火的預處理工藝；退火后再正火可以使坯體組織細小均勻。

某齒輪廠[12]從20世紀末就采用等溫退火代替原來的正火工藝。實踐表明，等溫退火后的齒坯具有良好的切削加工性能，能夠減少刀具的磨損，延長刀具的壽命。另外也能不同程度地穩(wěn)定零件最終熱處理的淬火變形規(guī)律。

目前，國外汽車生產(chǎn)廠家對齒輪鍛坯普遍采用等溫退火處理，而且對不同的材料規(guī)定了不同的等溫退火工藝。國內(nèi)外的生產(chǎn)實踐表明，經(jīng)等溫退火處理的齒輪不僅機加工性能大大提高，而且滲碳淬火后的變形也明顯減少[13]。

（2）滲碳工藝

齒輪滲碳過程溫度較高，時間較長，容易造成晶粒粗大和嚴重熱處理變形等缺陷。對其改進主要從兩個方面入手：一是利用催滲方法催滲以降低溫度和縮短時間；二是利用高溫滲碳縮短時間。稀土催滲是主要的一種催滲方法，由于稀土的加入，加快了滲碳速度、降低了滲碳溫度、提高了生產(chǎn)效率，降低了能耗[14]。高溫滲碳在一般情況下很少采用，因為高溫下晶粒長大趨勢嚴重且對設備有危害，如果能夠排除這兩項不利因素，則它也是可行的。利用高溫滲碳原理改進的變溫滲碳方法既具有滲速快的優(yōu)點，上述兩項不利因素又不明顯，在生產(chǎn)上被采用的越來越多。一些新型滲碳方法在簡化熱處理工藝的同時也改善了齒輪的品質(zhì)。

3 汽車齒輪鋼的發(fā)展動向

隨著汽車的高性能化和輕型化，汽車齒輪鋼研發(fā)必須滿足高性能、長壽命、經(jīng)濟性和生產(chǎn)性等要求。盡管各國資源和生產(chǎn)工藝條件的差異，齒輪鋼合金系列不盡相同，但新型齒輪鋼的發(fā)展趨勢有以下幾種[15~17]：

（1）大力開發(fā)窄淬透性帶齒輪鋼

窄淬透性帶齒輪鋼熱處理后的變形量小，齒輪的修磨量小，咬合精度高。化學成分是影響淬透性的主要因素，控制淬透性帶的關鍵在于對化學成分波動范圍的嚴格控制和成分的均勻性。建立化學成分與淬透性的相關式，通過計算機輔助預報和補加成分，用收得的精確計算，對完整生產(chǎn)線和工藝手段進行控制。各鋼廠在冶煉時，必須優(yōu)化成分微調(diào)工藝，開展微絲技術和齒輪鋼連鑄工藝研究，用連鑄代替模注，減少成分偏析，來滿足不同層次的需求。

（2）超低氧滲碳鋼

為了大幅度提高以齒輪鋼為代表的滲碳鋼的疲勞壽命，現(xiàn)代滲碳鋼對氧含量的限制并不遜于軸承鋼，國內(nèi)外大量研究表明，隨著氧含量的降低，齒輪的疲勞壽命大幅度提高，這是由于鋼中氧含量的降低，氧化物夾雜隨之減少，減輕了夾雜物對疲勞壽命的不利影響。通過鋼包精煉加真空脫氣后，模鑄鋼材氧含量可≤l5 ppm，日本通過雙真空處理把氧含量控制在10-5ppm超低氧水平以下。

（3）低晶界氧化層滲碳鋼

晶界氧化層對滲碳淬火鋼的接觸疲勞性能影響較大，實踐證明，硅促進晶界氧化的能力是錳和鉻的10倍。因此在鋼種設計時，盡可能把Si降至最小，Mn、Cr也應偏少并適當提高Ni和Mo的加入量，提高韌性，S、P含量必須嚴格控制，以減少晶界偏析。日本開發(fā)了低硅抗晶界氧化滲碳鋼系列，可使晶界氧化層降低到≤5μm，而SCM420H等Cr-Mo鋼通常為15μm-20μm，從而使接觸疲勞性能提高1倍以上。

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（4）超細晶粒滲碳鋼

為了提高滲碳效率，進行高溫滲碳（＞930℃）是未來很好的發(fā)展方向，可開發(fā)含有鈮、釩等細化晶粒的超細晶粒滲碳齒輪鋼。這樣，可以避免滲碳層產(chǎn)生非馬氏體組織，減少殘余奧氏體量，排除了淬火時重復加熱的必要性，減少零件變形，同時可提高齒輪的疲勞抗力。

（5）開發(fā)可提高高溫硬度和高溫抗軟化滲碳鋼

齒輪工作時接觸而溫度的升高會導致接觸疲勞剝落（點蝕），主要原因是由于鋼材的抗軟化能力不足。為此，應增加Si，Cr含量以提高軟化抗力。高Cr、Si含量（例如0.2%C-0.55%Si-0.3%Mn-2.5%Cr)的齒輪鋼的點蝕壽命約為普通鋼的3倍，已應用在齒面工作狀態(tài)非常苛刻的自動變速器行星齒輪上，另外還開發(fā)了一種添加V的鋼種，它與碳氮共滲并用，一方面借助VC的彌散提高高溫硬度，另一方面使殘余奧氏體量提高到30%左右，在工作應力下發(fā)生馬氏體相變，使硬度上升，從而彌補在工作溫度下硬度的下降。

（6）易切削齒輪鋼

由于汽車齒輪用量很大，齒輪生產(chǎn)廠在裝備了高速程控機床后，把原來的多道工序合并在一組刀具上，通過計算機進行程序控制，因為組合刀具比較昂貴，刀具消耗量和磨削次數(shù)的多少，直接影響生產(chǎn)成本和效率。因此對齒輪鋼的切削性能提出了越來越高的要求。

改善鋼的易切削性能，可以向鋼中添加一定量的鉛或硫。由于含鉛鋼的生產(chǎn)和管理難度大，工藝技術尚不成熟，并存在有毒氣體污染等問題，已經(jīng)很少被采用，而主要是用硫來改善切削性能。易切削齒輪鋼在國外發(fā)展很快，而在國內(nèi)尚屬空白。一般鋼種做到易切削并不難，而易切削齒輪鋼的技術難點在于如何達到易切削性和力學性能，尤其是橫向沖擊性能不降低之間的統(tǒng)一。為了做到真正的易切削，必須考慮硫化物的形態(tài)控制、堅硬質(zhì)點的消除或改性以及適宜的金相組織。

（7）冷鍛齒輪用鋼的開發(fā)

精簡工序、縮短工時是降低生產(chǎn)成本的有效途徑。冷鍛可以實現(xiàn)齒形的近成型，節(jié)省大量的切削加工工序。這種高品質(zhì)、低成本的齒輪生產(chǎn)方式已經(jīng)在差速器齒輪、齒套等零件上成功應用。但是，冷鍛技術的推廣離不開材料技術的進步。

首先，用于齒輪的鋼材必須具有優(yōu)良的冷塑性加工性能，以保證在加工過程中材料能充滿模具的各個部分，為此，必須降低鋼中的C，Si和Mn。其次，鋼材必須確保淬透性以保證齒輪具有足夠的強度，為此須補充起固溶強化作用之外的合金元素，因為添加少量B就能明顯提高淬透性。開發(fā)的冷鍛用含B滲碳鋼在軋制狀態(tài)下硬度在75HRB以下，疲勞強度和沖擊強度與通用滲碳鋼等同或更高。另外，冷鍛時的強烈塑性變形易使齒輪在隨后的滲碳溫度下發(fā)生奧氏體晶粒長大，不僅使齒輪的熱處理變形加大，而且降低強度和韌性，因此，鋼材必須保證冷鍛后滲碳淬火時不發(fā)生晶粒粗大。為此，開發(fā)了防止晶粒長大鋼，主要措施是適量添加A1、Nb、Ti和N等元素，利用這些元素的細微碳化物和氮化物析出阻止晶粒的長大，特別是為了確保滲碳B鋼的有效B量，往往用Ti來固定N。在滲碳時很難用A1N來控制晶粒長大，為了避免晶粒粗大，應添加比一般B鋼更多的Ti（或Nb），利用細微的TiC來防止晶粒長大。細微分散的TiC還有防止位錯活動、抑制裂紋擴展的作用。成分為0.18%C-0.10%Si-0.50%Mn-(1%~2%)Cr-0.0015%B-Nb(Ti)的鋼種是冷鍛用滲碳鋼之一[19]。

4 齒輪熱處理技術的發(fā)展動向

（1）齒輪熱處理新工藝研究開發(fā)，如直升式滲碳技術，齒輪鍛坯等溫退火工藝，齒輪滲碳預氧化處理工藝，低壓（真空）滲碳技術，齒輪滲碳催滲技術，齒輪淬火控制冷卻技術等。

（2）齒輪熱處理先進設備的研制和發(fā)展。

（3）齒輪熱處理變形與控制技術研究及精密齒輪熱處理技術。

5 結束語

通過上述研究分析，得出以下結論：

（1）汽車用齒輪鋼要具有優(yōu)異的性能，就必須要使材料保持高的純凈度，細小均勻的晶粒，窄的末端淬透性帶，良好的加工性能。

（2）隨著社會的發(fā)展，對汽車用齒輪鋼的要求也越來越高，因此汽車用齒輪鋼的未來發(fā)展趨勢是：窄淬透性帶齒輪鋼、超低氧滲碳鋼、低晶界氧化層滲碳鋼、超細晶粒滲碳鋼、易切削齒輪鋼、冷鍛齒輪用鋼等。

（3）熱處理技術是齒輪品質(zhì)控制過程的一個關鍵環(huán)節(jié)，要保證齒輪熱處理后在滿足其性能要求，并使變形量控制在最小范圍的條件下，減少能耗，就要求熱處理工藝更加趨于合理，這同時會促進新的熱處理設備的研制和開發(fā)，使整個熱處理技術向著更好、更快、節(jié)能、減排的方向發(fā)展。

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