高品質齒輪鋼的最新研發進展

2 高質量穩定性齒輪鋼

齒輪滲碳變形和服役性能與齒輪鋼的質量穩定 性密切相關，因此高質量穩定性齒輪鋼是制造高質 量齒輪零件的基礎。齒輪鋼的高質量穩定性首先表 現在小的淬透性波動范圍上，即窄淬透性帶寬。因 此，如何控制淬透性帶寬是齒輪鋼生產過程中的重 點和難點。

GB/T 5216—2014《保證淬透性結構鋼》標準中 要求齒輪鋼的淬透性基帶( H 帶) 帶寬約為 12 HＲC， 2 /3 窄帶( HH/HL) 帶寬約為 8 HＲC，而我國大多數企 業生產的齒輪鋼淬透性帶寬能控制在 6 ～ 8 HＲC，少 數企業也可以控制在 4 ～ 6 HＲC，與國外先進水平要 求的不大于 4 HＲC 超窄帶寬尚有一定差距。為實現超窄淬透性帶寬控制，在對淬透性影響 因素研究基礎上，進一步修正淬透性預測模型，并通 過工藝優化實現冶煉成分精確性控制，以及凝固成 分均勻性控制是核心。在淬透性模型方面，利用修 正后的預測模型，對 20CrNiMoH 試驗鋼進行淬透性 計算，J5、J9 和 J15 處預測標準差分別為 1.9 HＲC、 1.1 HＲC 和 1.0 HＲC。圖 1 所示為優化后模型與原 始模型在 J5、J9、J15 位置預測精度的比較，可見修 正優化后的硬度分布函數模型預測偏差控制在 ± 2 HＲC 范圍，預測精度有了顯著提高。

在冶煉成分精確性控制方面，通過精選原料、優 化合金加入方法、改善鋼液循環條件、成分快速分析 等技術措施，實現了冶煉過程及熔煉終點化學成分 的精確控制，其中 C 含量偏差穩定控制在 ± 0． 01% 以內，Mn 含量偏差穩定控制在 ± 0． 02% 范圍內，Cr 含量偏差穩定控制在 ± 0． 015% 范圍內，Ni 含量偏 差穩定控制在 ± 0． 02% 范圍內。同時，結合連鑄過 程中低過熱度控制、合理的拉速控制、調整電磁攪拌 磁場強度和頻率技術、流攪拌與輕壓下技術等，實現 了成分偏析的穩定控制。從圖 2 所示 220 爐鋼材上 碳極差結果可以看出，Mn － Cr 系和 Cr － Ni － Mo 系 齒輪鋼截面碳波動 ΔC≤0． 02% 的比例可達到 97% 以上，截面成分穩定性得到了很好的控制效果。在修正模型和控制成分的基礎上，針對 Mn － Cr 系和 Cr － Ni － Mo 系齒輪鋼的淬透性帶寬進行了大 量取樣檢測，結果如圖 3 所示: 其中 130 爐 Mn － Cr 系齒輪鋼淬透性帶寬可以穩定控制在 30 ～ 34 HＲC 范圍，淬透性帶寬不大于 4 HＲC 的比例 100% ; 135 Cr － Ni － Mo 系齒輪鋼淬透性帶寬 J15 位置可以 穩定控制在 4 HＲC 以內，J9 位置不大于 4 HＲC 的 比例在 97% 以上。因此，高品質齒輪鋼淬透性帶寬 控制已穩定達到不大于 4 HＲC 的世界先進水平。高質量穩定性齒輪鋼為改善齒輪滲碳變形創造 了條件。

中國一汽采用高品質齒輪鋼，并結合齒坯 鍛造及等溫正火控溫控冷工藝優化、熱處理擺放方 式優化等技術，實現了將滲碳熱處理精度損失控制 在 2 級以內，齒輪零件滲碳熱處理變形大幅度降低， 對齒輪后續加工及性能發揮具有重要作用，如圖 4 所示。此外，針對高質量穩定齒輪鋼，還開展了氧含 量、夾雜物、滲碳組織以及彎曲和接觸疲勞性能等方 面的研究，發現提高齒輪鋼質量穩定性可改善其服 役性能。

3 高溫滲碳齒輪鋼

齒輪滲碳通常在 930 ℃ 左右，一般根據層深要 求選擇滲碳時間和碳勢等參數。圖 5 給出了不同層 深要求下滲碳時間的理論值，可見提高滲碳溫度能 夠顯著縮短滲碳時間。因此，高溫滲碳技術成為提 高齒輪生產效率的重要手段，同時結合低壓滲碳技 術，可實現高效、環保生產。

高溫滲碳最突出的問題在于如何提高滲碳溫度 的前提下仍能保持齒輪滲碳層和心部晶粒尺寸細 圖 3 MnCr 系和 CrNiMo 系齒輪鋼 淬透性帶寬波動范圍 。齒輪鋼通常滲碳也需要在 930 ℃左右保溫較長 時間，主要是依靠鋼中 AlN 析出相釘扎晶界來克服晶粒長大問題。不過，AlN 在 1 000 ℃ 以上高溫會 顯著回溶，從而失去對晶界的釘扎作用。因此，高溫 滲碳齒輪鋼技術可以分兩類: 一類是以控制 Al、N 含量和 AlN 析出的高溫滲碳齒輪鋼，可以適用于 960 ℃高溫滲碳; 另一類則是通過添加 Nb 等微合金化元素，形成高溫下更穩定的 Nb( N，C) 析出相來釘 扎晶界，可以滿足 980 ℃、1 000 ℃甚至更高溫度滲碳 要求。

圖 6 所示為商業20MnCr5齒輪鋼經不同溫度奧 氏體化后的晶粒形貌。可見，在 960 ℃保溫 10 h，奧 氏體晶粒還比較均勻、細小，見圖 6( b) ; 但當奧氏體 化溫度達到 1 000 ℃時，出現了明顯的混晶。合理的 Al、N 配比在鋼中形成的 AlN 在晶粒長大時可以有效 地釘扎晶界，阻礙晶界遷移，從而控制晶粒長大。AlN 在 960 ℃以下只有少量回溶，如果 Al、N 元素含量配 比合理，未溶的 AlN 可以起到阻止晶粒粗化的目的。研究發現，Al 的質量分數為 0． 030% ～ 0. 045%、N 的 質量分數為 0. 010% ～0． 014%，并結合 AlN 析出相控 制，現有齒輪鋼能夠適合 960 ℃高溫滲碳。

980 ℃或 1 000 ℃以上高溫滲碳鋼需要添加 Nb 等微合金化元素。Nb( C，N) 的固溶量隨溫度的增加 而增加，根據 Nb( C，N) 的固溶度積理論計算發現， 齒輪鋼中加入 0． 03%左右的 Nb 后，Nb 在 1 000 ℃ 圖 6 20MnCr5 齒輪鋼經不同條件奧氏體化后的晶粒形貌 以下回溶量非常少，即使在 1 050 ℃ 滲碳溫度下也 僅有約 0． 01% 的 Nb 回溶，大部分 Nb 以 Nb( C，N) 形式析出，主要是以 Nb ( C，N) 形式存在于鋼中。 Nb 的析出相高溫下更穩定，因而可以有效地阻礙原 奧氏體晶粒長大。Nb微合金化高溫滲碳齒輪鋼不僅適用于在更 高溫度下滲碳，也適合在較高溫度下長時間滲碳，這 對于層深要求很大的齒輪意義尤為突出。圖 7 為不 含鈮 18CrNiMo7-6 齒輪鋼經 930 ℃ 和 980 ℃ 滲碳 淬火以及含 0.03% 鈮 18CrNiMo7-6 齒輪鋼經 980 ℃滲碳淬火后晶粒形貌。圖 中 可 以 看 出，含 鈮 18CrNiMo7-6 齒輪鋼經 980 ℃ 滲碳淬火后，其晶粒 明顯細于不含鈮 18CrNiMo7-6 齒輪鋼試樣經 930 ℃和 980 ℃滲碳的晶粒。

4 超長壽命齒輪鋼

結束語

近年來，作者在淬透性帶寬不大于 4 HＲC 的高 質量穩定性齒輪鋼、960 ℃以上高溫滲碳齒輪鋼、以 及 109 周次超長壽命齒輪鋼等高品質齒輪鋼方面取 得了一些研究進展，為高品質齒輪鋼的開發及應用 奠定了基礎。