汽车齿轮钢的发展动向浅析

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汽车齿轮钢的发展动向浅析

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。

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