2 高质量稳定性齿轮钢

齿轮渗碳变形和服役性能与齿轮钢的质量稳定 性密切相关，因此高质量稳定性齿轮钢是制造高质 量齿轮零件的基础。齿轮钢的高质量稳定性首先表 现在小的淬透性波动范围上，即窄淬透性带宽。因 此，如何控制淬透性带宽是齿轮钢生产过程中的重 点和难点。

GB/T 5216—2014《保证淬透性结构钢》标准中 要求齿轮钢的淬透性基带( H 带) 带宽约为 12 HＲC， 2 /3 窄带( HH/HL) 带宽约为 8 HＲC，而我国大多数企 业生产的齿轮钢淬透性带宽能控制在 6 ～ 8 HＲC，少 数企业也可以控制在 4 ～ 6 HＲC，与国外先进水平要 求的不大于 4 HＲC 超窄带宽尚有一定差距。为实现超窄淬透性带宽控制，在对淬透性影响 因素研究基础上，进一步修正淬透性预测模型，并通 过工艺优化实现冶炼成分精确性控制，以及凝固成 分均匀性控制是核心。在淬透性模型方面，利用修 正后的预测模型，对 20CrNiMoH 试验钢进行淬透性 计算，J5、J9 和 J15 处预测标准差分别为 1.9 HＲC、 1.1 HＲC 和 1.0 HＲC。图 1 所示为优化后模型与原 始模型在 J5、J9、J15 位置预测精度的比较，可见修 正优化后的硬度分布函数模型预测偏差控制在 ± 2 HＲC 范围，预测精度有了显著提高。

在冶炼成分精确性控制方面，通过精选原料、优 化合金加入方法、改善钢液循环条件、成分快速分析 等技术措施，实现了冶炼过程及熔炼终点化学成分 的精确控制，其中 C 含量偏差稳定控制在 ± 0． 01% 以内，Mn 含量偏差稳定控制在 ± 0． 02% 范围内，Cr 含量偏差稳定控制在 ± 0． 015% 范围内，Ni 含量偏 差稳定控制在 ± 0． 02% 范围内。同时，结合连铸过 程中低过热度控制、合理的拉速控制、调整电磁搅拌 磁场强度和频率技术、流搅拌与轻压下技术等，实现 了成分偏析的稳定控制。从图 2 所示 220 炉钢材上 碳极差结果可以看出，Mn － Cr 系和 Cr － Ni － Mo 系 齿轮钢截面碳波动 ΔC≤0． 02% 的比例可达到 97% 以上，截面成分稳定性得到了很好的控制效果。在修正模型和控制成分的基础上，针对 Mn － Cr 系和 Cr － Ni － Mo 系齿轮钢的淬透性带宽进行了大 量取样检测，结果如图 3 所示: 其中 130 炉 Mn － Cr 系齿轮钢淬透性带宽可以稳定控制在 30 ～ 34 HＲC 范围，淬透性带宽不大于 4 HＲC 的比例 100% ; 135 Cr － Ni － Mo 系齿轮钢淬透性带宽 J15 位置可以 稳定控制在 4 HＲC 以内，J9 位置不大于 4 HＲC 的 比例在 97% 以上。因此，高品质齿轮钢淬透性带宽 控制已稳定达到不大于 4 HＲC 的世界先进水平。高质量稳定性齿轮钢为改善齿轮渗碳变形创造 了条件。

中国一汽采用高品质齿轮钢，并结合齿坯 锻造及等温正火控温控冷工艺优化、热处理摆放方 式优化等技术，实现了将渗碳热处理精度损失控制 在 2 级以内，齿轮零件渗碳热处理变形大幅度降低， 对齿轮后续加工及性能发挥具有重要作用，如图 4 所示。此外，针对高质量稳定齿轮钢，还开展了氧含 量、夹杂物、渗碳组织以及弯曲和接触疲劳性能等方 面的研究，发现提高齿轮钢质量稳定性可改善其服 役性能。

3 高温渗碳齿轮钢

齿轮渗碳通常在 930 ℃ 左右，一般根据层深要 求选择渗碳时间和碳势等参数。图 5 给出了不同层 深要求下渗碳时间的理论值，可见提高渗碳温度能 够显著缩短渗碳时间。因此，高温渗碳技术成为提 高齿轮生产效率的重要手段，同时结合低压渗碳技 术，可实现高效、环保生产。

高温渗碳最突出的问题在于如何提高渗碳温度 的前提下仍能保持齿轮渗碳层和心部晶粒尺寸细 图 3 MnCr 系和 CrNiMo 系齿轮钢 淬透性带宽波动范围 。齿轮钢通常渗碳也需要在 930 ℃左右保温较长 时间，主要是依靠钢中 AlN 析出相钉扎晶界来克服晶粒长大问题。不过，AlN 在 1 000 ℃ 以上高温会 显著回溶，从而失去对晶界的钉扎作用。因此，高温 渗碳齿轮钢技术可以分两类: 一类是以控制 Al、N 含量和 AlN 析出的高温渗碳齿轮钢，可以适用于 960 ℃高温渗碳; 另一类则是通过添加 Nb 等微合金化元素，形成高温下更稳定的 Nb( N，C) 析出相来钉 扎晶界，可以满足 980 ℃、1 000 ℃甚至更高温度渗碳 要求。

图 6 所示为商业20MnCr5齿轮钢经不同温度奥 氏体化后的晶粒形貌。可见，在 960 ℃保温 10 h，奥 氏体晶粒还比较均匀、细小，见图 6( b) ; 但当奥氏体 化温度达到 1 000 ℃时，出现了明显的混晶。合理的 Al、N 配比在钢中形成的 AlN 在晶粒长大时可以有效 地钉扎晶界，阻碍晶界迁移，从而控制晶粒长大。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。研究发现，Al 的质量分数为 0． 030% ～ 0. 045%、N 的 质量分数为 0. 010% ～0． 014%，并结合 AlN 析出相控 制，现有齿轮钢能够适合 960 ℃高温渗碳。

980 ℃或 1 000 ℃以上高温渗碳钢需要添加 Nb 等微合金化元素。Nb( C，N) 的固溶量随温度的增加 而增加，根据 Nb( C，N) 的固溶度积理论计算发现， 齿轮钢中加入 0． 03%左右的 Nb 后，Nb 在 1 000 ℃ 图 6 20MnCr5 齿轮钢经不同条件奥氏体化后的晶粒形貌 以下回溶量非常少，即使在 1 050 ℃ 渗碳温度下也 仅有约 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) 形式存在于钢中。 Nb 的析出相高温下更稳定，因而可以有效地阻碍原 奥氏体晶粒长大。Nb微合金化高温渗碳齿轮钢不仅适用于在更 高温度下渗碳，也适合在较高温度下长时间渗碳，这 对于层深要求很大的齿轮意义尤为突出。图 7 为不 含铌 18CrNiMo7-6 齿轮钢经 930 ℃ 和 980 ℃ 渗碳 淬火以及含 0.03% 铌 18CrNiMo7-6 齿轮钢经 980 ℃渗碳淬火后晶粒形貌。图 中 可 以 看 出，含 铌 18CrNiMo7-6 齿轮钢经 980 ℃ 渗碳淬火后，其晶粒 明显细于不含铌 18CrNiMo7-6 齿轮钢试样经 930 ℃和 980 ℃渗碳的晶粒。

4 超长寿命齿轮钢

结束语

近年来，作者在淬透性带宽不大于 4 HＲC 的高 质量稳定性齿轮钢、960 ℃以上高温渗碳齿轮钢、以 及 109 周次超长寿命齿轮钢等高品质齿轮钢方面取 得了一些研究进展，为高品质齿轮钢的开发及应用 奠定了基础。