A 淺談國內(nèi)汽車用齒輪鋼的質(zhì)量要求與水平
1 汽車用齒輪鋼的概述
按中國汽車工業(yè)協(xié)會和中國齒輪專業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計資料，2005年中國汽車生產(chǎn)總量已達(dá)570萬輛，汽車齒輪鋼材的消耗量約80萬t左右，近幾年來中國汽車產(chǎn)量平均每年以10％左右的速度增長，分析2005年汽車行業(yè)產(chǎn)品構(gòu)成，可以發(fā)現(xiàn)汽車行業(yè)增長最快的主要是重型載貨車和轎車，隨著轎車進(jìn)入家庭步伐的加快，我國的汽車工業(yè)已進(jìn)入高速發(fā)展階段，所以車輛齒輪越來越成為齒輪鋼材最重要的消費(fèi)用戶。長期以來，我國汽車齒輪鋼沿用原蘇聯(lián)的20CrMnTi材質(zhì)，這種材質(zhì)由于符合我國的資源具有成本低、工藝性能好、價格低的優(yōu)點(diǎn)且可以滿足國內(nèi)大多數(shù)齒輪材質(zhì)的要求，所以這種材質(zhì)仍占據(jù)著中國汽車齒輪鋼材的50％左右。改革開放以后，中國從美國、德國、法國、日本、意大利、韓國等國家引進(jìn)了許多車型，相應(yīng)的也引進(jìn)了國外的齒輪鋼種。隨著引進(jìn)車型的不斷增多，這些鋼種在國內(nèi)市場上占有的份額越來越大。經(jīng)過“七五”至“十五”國家重點(diǎn)的攻關(guān)項(xiàng)目，汽車行業(yè)和冶金行業(yè)共同攻關(guān)后篩選出一些常用的引進(jìn)鋼種列入了GB／T5216—2004標(biāo)準(zhǔn)。
2 汽車用齒輪鋼的種類與發(fā)展方向
按照合金系列分類，齒輪鋼可分為Cr—Mn—Ti系、Cr系、Mn—Cr系、Cr—Mo系、Cr—Mn—B系以及Cr—Ni—Mo系，分別闡述如下：
Cr—Mn—Ti系：主要以20CrMnTiH為主，同時根據(jù)不同車型、不同齒輪廠的加工工藝，20CrMnTm又可以分為H1，H2、H3等不同淬透性帶寬的子鋼號系列。并且在原有的20CrMnTi的基礎(chǔ)上，一汽與有關(guān)冶金廠開發(fā)了16CrMnTiH、18rMnTiH鋼，用于小紅旗轎車齒輪生產(chǎn)。
Cr系齒輪鋼：鋼種為SCr420H，與中國GB／T5216—85標(biāo)準(zhǔn)中20CrH相比較，Mn、Cr含量均有提高，淬透性略高，用于夏利轎車、。EQ153 8t載重卡車變速箱齒輪。
Cr—Mn系齒輪鋼：鋼種為16MnCr5、20MnCr5、25MnCr5、28MnCr5、27MnCr5，主要用于奧迪、捷達(dá)、桑塔那及富康轎車齒輪，依維柯中巴車及部分引進(jìn)的重型卡車齒輪。
Cr一Mo系齒輪鋼：鋼種為SCM415H、SCM420H、SCM822H1(H2)、16CD4，20CD4，27CD4，30CD4等牌號，主要用于標(biāo)致轎車、五十鈴中巴、153中型卡車齒輪生產(chǎn)。
Cr—Mn—B系齒輪鋼，品種主要是德國的ZF6(16CI—16CrMnBH)， ZF7(B)(18CrMnBH、20CrMnBH)。ZF鋼是經(jīng)過B處理的Cr—Mn系齒輪鋼。主要用于斯太爾重型卡車齒輪。B在這類鋼中的作用主要是形成球狀BN，降低鋼中固溶N量，提高鋼的韌性，而傳統(tǒng)的滲碳硼鋼中B主要起提高淬透性的作用。
Cr—Ni—Mo系齒輪鋼：鋼種主要為SAE8620H、SAE8627H、SAE4320H美國鋼號及ZFlA(或17CrNiMo6)德國鋼號，用于切諾基轎車、斯太爾卡車齒輪。鑒于各國資源和生產(chǎn)工藝條件的差異，每個國家和地區(qū)應(yīng)用的齒輪鋼合金系列不盡相同，例如：德國采用Mn—cr系列和Cr—Mn—B系列l(wèi)(16MnCr5，20MnCr5，25MnCr5，28MnCr5，ZF6，ZF7，ZF7 B)：日本應(yīng)用Cr系和Cr—Mo系（SCr420H，SCM415H，SCM420H，SCM822H)：美國采用Cr—Ni—Mo系（SAE8617H，SAE8620H)：法國采用Cr—Ni系(19CN5)和Cr—Mo系(20CD4，27CD4，30CD4)鋼：中國大量使用的是20CrMnTi齒輪鋼。齒輪鋼的技術(shù)發(fā)展方向應(yīng)是，降低滲碳層表面氧化傾向大的合金元素含量，添加氧化傾向小的合金元素；控制齒輪鋼中的殘余奧氏體量；減少晶界偏析元素的含量；開發(fā)和應(yīng)用噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)，增加表面的殘余應(yīng)力；研究和開發(fā)的新型齒輪鋼必須滿足高強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性、生產(chǎn)性等多種要求；由于制造齒輪時需進(jìn)行大量的切削加工，需要開發(fā)易切削齒輪鋼。
3 對汽車齒輪鋼的質(zhì)量要求
齒輪鋼不但要有良好的強(qiáng)韌性、耐磨性，承受沖擊，彎曲和接觸應(yīng)力，且還要變形小、精度高、噪音低。通常，高質(zhì)量水平的齒輪鋼主要表現(xiàn)在三個方面，即末端淬透性帶窄，離散度小；純潔度高；晶粒細(xì)小均勻。此外，良好的加工性能(包括冷、熱加工性和易切削性)也是齒輪行業(yè)所關(guān)心的重要指標(biāo)。
3．1 末端淬透性
用末端淬透性來代替以往的機(jī)械性能檢驗(yàn)是評價齒輪鋼質(zhì)量的重大進(jìn)步。末端淬透性的穩(wěn)定與否對齒輪熱處理后變形量的影響很大，淬透性帶寬度愈窄，離散度愈小，愈有利于齒輪的加工及提高其嚙合精度。中國現(xiàn)行的GB／T5216—2004《保淬透性結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中的淬透性帶“帶寬”水平與美國、德國的H鋼(HH鋼、HL鋼)標(biāo)準(zhǔn)水平基本上是相當(dāng)?shù)模缭贘9和JI5處，一般都限制在0～12HRC范圍內(nèi)波動。而HH、HL鋼的帶寬一段都限制在7～8HRC范圍內(nèi)波動。
3．2 鋼中氧含量及夾雜物的要求
氧含量對齒輪疲勞壽命的影響已越來越受到人們的關(guān)注。日本對Cr、Cr—Mo、Cr—Ni—Mo滲碳合金鋼的氧含量和疲勞壽命之間的關(guān)系曾做過實(shí)驗(yàn)，當(dāng)氧含量從25×10—6降到10×10—6以下時，其疲勞壽命可以數(shù)倍的增加，中國對SCM420H、20MnCr5等引進(jìn)鋼種也進(jìn)行過脫氣和不脫氣的對比實(shí)驗(yàn)，證實(shí)脫氣50多以上。由于工業(yè)發(fā)達(dá)國家擁有先進(jìn)的技術(shù)裝備和工藝技術(shù)，其齒輪鋼的氧含量普遍較低，1986年開始至今我國分別從日本、德國、奧地利等國進(jìn)口的齒輪鋼其氧含量波動在(7～18)×10—6。中國電爐單煉的20CrMnTi氧含量水平約(30～40)×10—6，電爐+LF爐雙煉法生產(chǎn)的齒輪鋼氧含量約25×10—6，經(jīng)VD真空處理后可達(dá)到20×10—6以下。為了適應(yīng)齒輪鋼的新要求，各鋼廠經(jīng)技術(shù)改造，生產(chǎn)的齒輪鋼純凈度也達(dá)到較高水平，大大縮短了與國際水平的差距。目前齒輪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已將汽車用齒輪鋼的氧含量規(guī)定為≤20×10—6，而很多采用LF+VD或LF+RH精煉處理的特殊鋼廠家，已可以將齒輪鋼的氧含量控制在15×10—6以下。非金屬夾雜物中B、D類夾雜對齒輪的疲勞壽命影響非常大，這兩類夾雜物也與氧含量有關(guān)，同時與非金屬夾雜物的尺寸及分布有很大關(guān)系。目前要求B類夾雜不大于2級，D類夾雜不大于l級。A類夾雜對齒輪鋼的疲勞壽命影響不大，并且隨著易切削齒輪的發(fā)展，鋼中對硫含量的上、下限都提出了要求，因此齒輪鋼今后對A類夾雜的數(shù)量、形態(tài)及分布提出要求。c類夾雜為硅酸鹽類夾雜，由于冶煉裝備的變化，目前國內(nèi)大多數(shù)特鋼廠都可以達(dá)到1級以下的水平。
3．3 晶粒度
晶粒尺寸大小是齒輪鋼的又一項(xiàng)重要指標(biāo)，細(xì)小均勻的奧氏體晶粒度對穩(wěn)定鋼材的末端淬透性，減少齒輪熱處理后的變形量，提高滲碳鋼的脆斷抗力具有重要意義。因?yàn)榇至５木ЯＪ節(jié)B層碳濃度相對增高，導(dǎo)致脆性增加，使彎曲強(qiáng)度下降，齒面容易剝落。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。晶粒細(xì)化主要通過添加一定量的細(xì)化晶粒元素如Al，Ti，Nb等來達(dá)到。為此國內(nèi)外都在為細(xì)化晶粒度積極攻關(guān)。目前我國齒輪鋼的晶粒度級別一般要求5～8級，而日本特別強(qiáng)調(diào)滲碳齒輪鋼的晶粒度應(yīng)不粗于6級，這是值得我們注意的。從目前某些引進(jìn)齒輪鋼來看，混晶現(xiàn)象極易發(fā)生，這就要求鋼廠和齒輪廠在工藝上積極采取措施，共同攻克這一難題。國內(nèi)外對細(xì)化品粒都十分重視。現(xiàn)在傾向一致的看法是：控制Al含量為0．020%～0．055％，同時，配以一定的氮含量0．010％一0．018％，使之形成AIN起釘扎作用，可阻止晶粒長大。
3．4 加工性和易切削性
隨著齒輪加工線的自動化，為了不斷提高生產(chǎn)效率，許多國家正在研究使用易切削的齒輪鋼。在法國和德國標(biāo)準(zhǔn)中，有許多硫有下限要求的鋼號，其硫含量一般只有0．020％～0．035％，而不是原先概念中硫越低越好的思路。這些鋼比我國國標(biāo)GB731—88易切削結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件中的硫含量(最低的S=0．04％～0．08％，最高的S=0．23％～0．33％)低得多。顯然僅按常規(guī)的冶煉方法來提高易切削性仍是比較困難的，需要通過合適的冶煉工藝以改善硫化物的形狀及其分布狀態(tài)來達(dá)到。另外，通過鋼材鍛軋后的空冷處理，防止粒狀貝氏體的出現(xiàn)，改善金相組織，也是提高切削性能的有效途徑。
3．5 帶狀組織
鋼在凝固過程中由于選分結(jié)晶的作用，在鋼坯凝固橫向及縱向上都會造成成分的不均勻性，在軋制后的冷卻過程中由于成分偏析會形成組織(鐵素體與珠光體)的層狀分布即帶狀組織，嚴(yán)重的帶狀組織在齒輪熱處理后不但增加變形，而且齒輪在滲碳處理后使齒高各部位的顯微硬度造成差異，影響齒輪的疲勞壽命。鋼種的不同，帶狀組織的級別的嚴(yán)重程度不同，Cr—Mo、Cr—Ni—Mo鋼帶狀組織較其它鋼種嚴(yán)重
，由于帶狀組織不易消除，齒輪廠一般要求帶狀組織小于3級。模鑄材由于等軸晶區(qū)比連鑄材大，其成分的均勻性較連鑄材好，帶狀組織較輕，只要控制好澆注溫度及速度，大部分爐號能滿足小于3級的要求，而連鑄材達(dá)到該要求相對要難的多。解決帶狀組織的根本在于減少成分的偏析，加上與軋后適當(dāng)?shù)睦渌傧嘟Y(jié)合。
3．6 其它方面
因?yàn)镾i在滲碳層中最易導(dǎo)致內(nèi)氧化形成“黑色網(wǎng)狀組織”缺陷，使疲勞壽命急劇降低。因此滲碳齒輪鋼有降低鋼中[Si]含量的趨勢(Si≤0．12％)，同時也加快了齒輪的滲碳速度。Ti在鋼中與N、C生成尖、棱角且非常硬的Ti(C、N)化合物，軋制時不變形并在其與基體之間造成裂紋。因此對齒輪的疲勞壽命影響較大，所以齒輪鋼不宜加較多的Ti細(xì)化晶粒或防止混晶，推薦采用A1或加少量Nb細(xì)化晶粒。
4 目前汽車齒輪鋼的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)
4．1 各國汽車用鋼的國家標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量要求
汽車用齒輪鋼都為保淬透性結(jié)構(gòu)鋼，目前中國的保淬性用鋼標(biāo)準(zhǔn)與IS0、DIN標(biāo)準(zhǔn)相近，都有寬帶與窄帶之分，中國的保淬透性用鋼標(biāo)準(zhǔn)還略嚴(yán)于其它國家的標(biāo)準(zhǔn)。
4．2 汽車齒輪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及國內(nèi)外主要齒輪企業(yè)要求齒輪鋼的標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量要求
GB／T5216及國外的保淬透性用鋼等基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)，對鋼中氧含量不要求且淬透性帶較寬，不能較好的滿足齒輪行業(yè)對齒輪加工的要求，2004年齒輪行業(yè)協(xié)會公布了CGMA001—1：2004《車輛齒輪用鋼技術(shù)條件》和CGMA00—2：2004《車輛齒輪用鋼市場準(zhǔn)入條件》，在這兩個標(biāo)準(zhǔn)中，明確了汽車齒輪鋼的氧含量應(yīng)≤20ppm，鋼中非金屬夾雜物應(yīng)滿足：A類細(xì)系≤2．5級，粗系：≤2．5級；B類細(xì)系≤2．5級，粗系：≤2．5級：C類細(xì)系：≤2．0級，粗系≤2．0級；D類細(xì)系：≤2．5級，粗系：≤2．5級。晶粒度應(yīng)≤5級。中國目前齒輪鋼的生產(chǎn)水平已達(dá)到國外先進(jìn)的水平，但比起日本、德國、美國生產(chǎn)的齒輪鋼還有一些差距特別是在帶狀組織的控制上。
5 結(jié)論
由于引進(jìn)車型增多，目前我國汽車齒輪鋼已發(fā)展成Cr—Mn—TI及Cr—Mo、Cr—Ni—Mo、Mn—Cr、Cr—Mn—B并存的狀態(tài)，質(zhì)量要求也與國外汽車廠基本相同，隨著國內(nèi)特鋼精煉、真空脫氣、連鑄水平的提高，汽車用齒輪鋼在淬透帶的控制、氧含量、晶粒度、非金屬夾雜物、帶狀組織等方面已基本達(dá)到國外先進(jìn)水平。
