汽車動態(tài)傳動系統(tǒng)高性能、低噪聲是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方向，隨著社會的發(fā)展，人們對汽車性能和駕乘舒適性的需要越來越高。齒輪鋼是特殊合金鋼的核心，它是確保汽車動態(tài)傳遞樞紐和行車安全的關(guān)鍵部分，所以材料質(zhì)量對齒輪質(zhì)量的影響越來越受到人們重視。材質(zhì)的質(zhì)量不高，不僅對齒輪的熱處理工藝有一定的影響，而且對齒輪的疲勞壽命和加工精度也有直接的影響。由于含氧制約齒輪疲勞壽命，淬透性帶寬對齒輪的熱處理變形量有較大的影響，從而引起噪聲大，晶粒粗大均勻性差，從而制約齒輪性能穩(wěn)定。這三種主要因素對齒輪的高品質(zhì)有很大的影響，是我國汽車齒輪發(fā)展中亟待解決的問題。
一、齒輪鋼生產(chǎn)技術(shù)措施分析
我國齒輪鋼生產(chǎn)廠家仍舊在使用(UHP)EAF+LF+ VD+CC 及連軋的工藝手段，工藝裝備已經(jīng)滿足了國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，且鋼材的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在 20×10-6 之下， 最低標(biāo)準(zhǔn)在 12×10-6，淬透性帶寬有一定優(yōu)勢的鋼廠能夠?qū)⑵淇刂圃?J9≤6(HRC)，晶粒度大于等于 8 級。因?yàn)閺U鋼比較欠缺，因此電量的費(fèi)用提升，通過轉(zhuǎn)爐冶煉特殊鋼在成本上更具優(yōu)勢，且對于產(chǎn)品質(zhì)量有較好的促進(jìn)作用。近幾年我國部分轉(zhuǎn)爐鋼廠已經(jīng)開始應(yīng)用轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)特殊鋼技術(shù)實(shí)施生產(chǎn)汽車用齒輪鋼。隨著汽車齒輪鋼的應(yīng)用范圍越來越廣，其技術(shù)手段也從傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)爐—連鑄—熱軋流程，這也是在國際上應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)之一。優(yōu)勢在于其單爐次批量大，且殘 余元素質(zhì)量的分值較低，穩(wěn)定性高，淬透性帶較窄，有較低的生產(chǎn)成本，比較適合生產(chǎn)純凈鋼。如江陰興澄鋼鐵有限公司生產(chǎn) Mn-Cr 系窄淬透帶齒輪鋼，采用 40 t 電弧爐-LF(VD)-180 mm×180 mm 連鑄工藝生產(chǎn)：w[C] 0.27%~0.03%；w[Mn]0.73%~0.76%，w[Cr]0.90%~ 0.94% 的 MnGr5 齒輪鋼剛，這種鋼齒輪中含氧的質(zhì)量指數(shù)為 (7~13)×10-6，經(jīng)檢驗(yàn)其成品材料高低倍組織較好。江陰興澄系齒輪鋼非金屬夾雜物評級結(jié)果等級如表 1 所示。
表1 江陰興澄Mn-Cr系齒輪鋼非金屬夾雜物評級結(jié)果/級
寶鋼集團(tuán)特殊鋼分公司生產(chǎn)齒輪鋼工藝流程：直流電弧爐—鋼包精煉爐—精煉爐—五機(jī)五流連鑄機(jī)—熱亂—火成材—檢驗(yàn)入庫。寶鋼集團(tuán)特殊鋼 20CrMnTi 鋼軋材各項性能實(shí)際水平如表 2 所示。
表2 寶鋼集團(tuán)特殊鋼20CrMnTi鋼軋材各項性能實(shí)際水平
二、汽車齒輪鋼性能研究分析
日本汽車齒輪鋼性能
日本的鋼鐵技術(shù)無論在開發(fā)還是在管理上都位于世界的頂端，尤其是在對產(chǎn)品質(zhì)量的控制上非常重視，這也對煉鋼和軋制方面起到了較好的控制作用。在技術(shù)方面，日本以高級鋼和特殊鋼技術(shù)領(lǐng)先于全球，日本開發(fā)出的冷鍛和真空技術(shù)進(jìn)行齒輪的制作，不僅減少了齒輪的用鋼量，還降低了其對環(huán)境的污染。不僅如此，其還開發(fā)了 KSG 系列技術(shù)用于冷凍齒輪鋼。這使得冷凍齒輪鋼的產(chǎn)品硬度加強(qiáng)，且延長了金屬模具的使用壽命，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度的齒輪用鋼。
中國汽車齒輪鋼性能
相對于日本來說，中國的齒輪鋼生產(chǎn)水平雖然已經(jīng)上升了，雖然在短短的幾十年內(nèi)已經(jīng)達(dá)到了國際標(biāo)準(zhǔn)水平。但是相對于日本和德國來說，在齒輪鋼性能方面仍舊存在一定的差距。我國的齒輪鋼使用壽命僅有日本齒輪鋼使用壽命的 50%，這表示我國出產(chǎn)的齒輪鋼產(chǎn)品能耗較大，且勞動生產(chǎn)率較高，尤其是在帶狀組織的控制上我國軋制技術(shù)仍舊處于低端水平，冷卻手段較低，無法對齒輪鋼的軋制過程進(jìn)行細(xì)化處理，細(xì)化問題成為了我國齒輪鋼軋制的主要問題。主要體現(xiàn)在其在軋制過程中無法保障疏松度以及芯部的范圍。致使在后期的加工時零件加工變形情況頻發(fā)，造成這種問題的主要原因還在于我國的齒輪鋼并未形成系統(tǒng)化的生產(chǎn)規(guī)模，且產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)相對落后，在鋼種的選擇上存在一定的惰性，應(yīng)用范圍較低。
汽車齒輪鋼性能的差異
國外鋼的淬透性帶寬已經(jīng)達(dá)到 4 HRC，而我國在 6~8HRC 左右，且穩(wěn)定性差，散差大;汽車齒輪鋼的純凈度上，我國生產(chǎn)的齒輪鋼在(15~25)×10-6 超低氧水平以下，而日本已經(jīng)能夠控制在(10~5)×10-6 超低氧水平以下，沒有控制在(7~18)×10-6 超低氧水平以下。可見，從純凈度的角度來看，我國汽車齒輪鋼缺乏彌散度，分布不均勻，有大顆粒雜質(zhì)出現(xiàn)的可能性。在顆粒度性能的要求上，我國晶粒度級別在 5~8 左右，而日本的晶粒度要求在 6 級以下，并且開發(fā)了低硅抗晶界氧化滲碳鋼系列，能夠使得齒輪鋼的氧化程度降到 5 μm，煉鋼的工藝也存在一定的差異。現(xiàn)階段我國的齒輪鋼管主要鋼體仍舊為 20GrMnTi，這種鋼體的鈦含量非常高，容易出現(xiàn)大塊的 TiN 雜質(zhì)，形狀容易改變，不僅影響齒輪鋼的精度，也降低了齒輪鋼的使用壽命。含欽量不同時奧氏體晶粒度傾向如圖 1 所示。
圖1 含欽量不同時奧氏體晶粒度傾向
三、汽車齒輪鋼的應(yīng)用實(shí)踐探討
常用汽車齒輪鋼種類
我國常用汽車齒輪鋼種類有 20CrMnTiH、20CrMoH、20CrMnMoH、22CrMoH。因?yàn)闈B碳齒輪鋼表面硬度和心部韌性較高，所以滲碳鋼是汽車齒輪鋼的主要原料。
汽車齒輪鋼的生產(chǎn)控制技術(shù)
淬透性的控制： 汽車齒輪鋼的淬透性控制方法如下：按照齒輪產(chǎn)品的目標(biāo)，對淬透性目標(biāo)元素值進(jìn)行確定，按照齒輪淬透性帶寬的需求，確定各個元素內(nèi)部的可控范圍，滿足齒輪淬透性的需求。通過殘余元素的控制，保障淬透性帶寬在可控范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，保障各個爐次化學(xué)成分一致，控制鋼的化學(xué)成分分析也是淬透性帶寬的關(guān)鍵因素。
純凈度控制：上文提到，純凈度是齒輪鋼的性能評價指標(biāo)之一， 在汽車的齒輪鋼應(yīng)用實(shí)踐過程中其也是重要的指標(biāo)，對齒輪壽命有直接的影響，因此要求較為嚴(yán)格。如，某國外汽車廠對20MnCrSS 齒輪鋼的純凈度要求如下：
按 JK 法評定，細(xì)系、粗系分別為：
A≤2.0、B≤2.0、C≤1.0、D≤1.0;
按 DIN50602 中 K 法評定，
17<d≤35 K3（O）≤35
35<d≤70 K4（O）≤30
70<d≤140 K4（O）≤40
汽車齒輪鋼冶煉工藝流程：轉(zhuǎn)爐(或電弧爐)冶煉— LF 精煉—VD(或 RH)真空脫氣—連鑄。
氧含量及氧化物夾雜的控制：氧含量及氧化物夾雜的控制過程中，將含碳量控制在高于 0.08%的范圍內(nèi)，確保鋼水不會被氧化，將最開始的鋼液含量降低。出港之后進(jìn)行鋁元素的添加，數(shù)量要充足，這樣做的目標(biāo)就是為了降低氧化現(xiàn)象，保障鋼液的含量數(shù)值在合理范疇內(nèi)，避免精煉時出現(xiàn)脫氧現(xiàn)象，將脫氧物質(zhì)的上浮時間升級。利用預(yù)熔精煉渣進(jìn)行爐外精煉，與此同時，通過科學(xué)的手段將其控制在合理范疇內(nèi)，實(shí)現(xiàn)精煉鋼的生成，強(qiáng)化脫氧的功效。保障真空脫氣實(shí)效與范疇在可控范圍內(nèi)，將鋼中的氧氣含量降低，精煉、真空脫氣過程中必須進(jìn)行攪拌和吹氫，按照階段的不同，確定每隔階段氫氣的不同流量，找到合適的方式判別精鋼界面的一系列反應(yīng)，使懸浮物向上。連鑄的防控重點(diǎn)在于密封，必須在密封的環(huán)境下澆筑，謹(jǐn)防鋼水有二次氧化現(xiàn)象出現(xiàn)，在這一過程中使耐材侵蝕下降，出現(xiàn)鋼水化學(xué)反應(yīng)。
殘余元素的控制：若是鋼里面有殘余元素，并且元素的含量較高，不僅會使得齒輪的壽命降低，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致齒輪報廢，如鋼中 Ti 含量偏高，便會出現(xiàn)大顆粒，且含有棱角 TiN 夾雜，這會降低齒輪的使用實(shí)效。與此同事，裂紋傾向也會對齒輪造成嚴(yán)重影響，如鋼中的 Sn，Cu 等，均會降低齒輪的使用時間。
晶粒度控制
晶粒度的控制通常通過添加 Al、Ti、Nb、V 等一定量的晶粒細(xì)化元素來實(shí)現(xiàn)。國外汽車對齒輪鋼的 Ti 含量都有嚴(yán)格的控制，因?yàn)?Ti 極易與鋼中的 N 結(jié)合生成對齒輪疲勞壽命有害的 TiN。
汽車用齒輪鋼的晶粒度控制通常是以鋼中的 A1(酸溶鋁)與 N 結(jié)合產(chǎn)生微小彌散的 A1N 為原理，使晶粒細(xì)化，通過加入適量的鋁達(dá)到晶粒度控制的目的。鋼的晶粒度在鋼中 A1 含量在 0.020%以上時明顯變細(xì)。因此，控制晶粒度的必要條件是控制鋼中適宜的 A1 含量 和 N 含量。對于汽車用齒輪鋼的 Al，N 含量和 Al/N 值 等指標(biāo)，國外高端汽車企業(yè)都會有一定的要求。精煉結(jié)束后，通常以喂絲線的方式進(jìn)行調(diào)整，以求穩(wěn)定、準(zhǔn)確地控制鋼中的 Al、N 含量。通過 A1 細(xì)化，確保鋼材中的 Al 含量在合理范圍內(nèi)，N 含量是保證細(xì)晶的關(guān)鍵，在現(xiàn)實(shí)中產(chǎn)品晶粒細(xì)化還需要進(jìn)行軋制、鍛造、熱處理工藝，是不是可以達(dá)到 A1N 溶出、析出的相關(guān)條件，和軋制的實(shí)際有關(guān)，和鍛造、熱處理工藝也有關(guān)系。
帶狀組織及偏析的控制
連鑄過程控制低的鋼水過熱度： 從凝固學(xué)原理可知，過熱提升，鋼水凝固中的元素偏析會加重。因此，有必要對低鋼水過熱的現(xiàn)象進(jìn)行控制，才能改善偏析現(xiàn)象。但若過熱過低，不但連鑄澆灌鋼水困難，對去除鋼水中的夾層雜物也是一件很不利的事情。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在 1530℃條件下控制齒輪鋼的連續(xù)鑄件過熱更為適宜。
連鑄二冷強(qiáng)度的控制： 加大冷卻速度，能減少偏析，使帶狀組織得到改善。但過快的冷卻速度會使連體坯體表面或內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，所以應(yīng)控制在適宜的水平上進(jìn)行二次冷卻。
電磁攪拌：電磁攪拌可促進(jìn)鋼液內(nèi)部成分更為均衡，鑄坯偏析的改進(jìn)效果較好。不過，因?yàn)殡姶艛嚢杷璧膹?qiáng)度過大，其和拉速之間適應(yīng)性問題有待提升，一旦適應(yīng)效果不佳，便會出現(xiàn)白亮帶，因此要科學(xué)的調(diào)控強(qiáng)度和拉速，將兩者控制在合理范圍內(nèi)。
連鑄坯型的選擇：偏析圓坯比方坯好。因此，在生產(chǎn)汽車上使用齒輪鋼坯，通過會考慮需要使用圓坯，生產(chǎn)選用長方形鋼坯時，其壓縮比要大得多，從而降低了原有的偏析造成不利的影響。較大程度的斷面鑄坯與小尺寸的斷面連鑄坯程度不同，斷面越大鑄坯偏析越嚴(yán)重。所以，在控制偏析方面，必須選擇具有小尺寸斷面的連鑄坯，以確保軋制壓縮比的滿足。
連鑄坯加熱的控制：增加連鑄坯的加熱溫度，使得連鑄坯的加熱時間延長，有助于顯著地緩解偏析和帶狀組織的程度。
四、汽車齒輪鋼的未來發(fā)展展望
未來汽車的高性能和輕型化是必然發(fā)展趨勢，在這一趨勢下需要大力開發(fā)淬透性帶窄的齒輪鋼、超低氧滲碳鋼、低晶界氧化層滲碳鋼、超細(xì)晶粒滲碳鋼、高溫抗軟化滲碳鋼、易切削齒輪鋼、冷鍛齒輪用鋼等。
隨著未來汽車高性能、輕型化的快速發(fā)展，應(yīng)確保齒輪鋼具有良好的淬透性，在鋼水冶煉中要提高純凈度。具體技術(shù)手段有如下：增加純凈度、降低合金在滲碳層表面具有更大的氧化取向、提高合金的氧化取向、降低偏移元素在晶界中的含量、加強(qiáng)對殘余應(yīng)力的噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。同時必須加強(qiáng)對高強(qiáng)度、高經(jīng)濟(jì)性和新型齒輪鋼的研究，開發(fā)可用于新型齒輪鋼的易切割鋼材，開發(fā)低硫和控制硫化物形態(tài)的多元易切削鋼，這些是未來的重要發(fā)展方向。
五、結(jié)語
綜上所述，為了適應(yīng)高質(zhì)量齒輪對生產(chǎn)材料的高要求，需要發(fā)展高純凈度、窄淬透帶、細(xì)晶粒鋼等技術(shù)。目前高質(zhì)量齒輪用鋼技術(shù)亟待引起人們的重視，本研究在考察齒輪鋼技術(shù)和性能的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)踐提出了相關(guān)技術(shù)指南，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
參考文獻(xiàn)略