我国汽车用齿轮钢性能及其热处理技术的现状

2013-01-27李茂林

装备制造技术 2013年6期

李茂林，张峰

（1.环境保护部核与辐射安全中心，北京100082；2.东风汽车有限公司，湖北十堰442001）

齿轮是汽车的主要传动部件，在传递动力和改变速度的运行过程中，一对齿轮的啮合面之间既有滚动，又有滑动，同时齿根部还将受到脉冲和交变弯曲应力的作用。齿面和齿根在上述不同应力作用下导致不同的失效模式，主要分以下几种：啮合齿面间相对滑动而产生的齿面磨损，齿面上的接触应力超过了材料疲劳极限而产生的接触疲劳及齿根部受到最大振幅的脉冲和交变弯曲应力作用产生的弯曲疲劳。齿轮在三种应力作用的工作环境中高速运转，要求齿轮要具有良好的综合性能。而对于重载汽车，由于我国的工况较差和超载使用较严重，而且短期内无法克服等因素的影响，这就使齿轮还要承受较大的过载冲击载荷。

综上所述，汽车齿轮不但要有良好的强韧性和耐磨性，还要有能承受高的弯曲应力、接触应力和抗过载抗冲击的能力。除了设计等非冶金因素影响齿轮的使用寿命外，齿轮材料本身也是影响齿轮承载情况和寿命的最关键因素，以下概述了我国汽车用齿轮钢性能及其热处理技术的现状。

1 汽车用齿轮钢的性能品质要求

根据汽车齿轮的使用要求，选用低碳合金钢作为汽车齿轮材料最为理想：低碳合金结构钢经渗碳、淬火、低温回火后使用，能够保证齿轮心部在保持足够强度和韧性的条件下，表层具有很高的硬度和耐磨性，以使其能够承受巨大的冲击载荷、接触应力和磨损。

随着汽车制造技术和材料生产技术的进步，汽车向着高速度、高载重量、低噪声和轻量化的方向发展，这就要求齿轮钢具有高品质的要求，应满足以下几个方面的性能：

（1）末端淬透性带窄，离散度小

末端淬透性是评价齿轮用钢的最主要的技术指标，根据齿轮的不同使用部位，要求齿轮钢具有足够的心部淬透性和良好的渗层淬透性，以确保齿轮渗碳淬火时表层和心部不出现过冷奥氏体分解产物，同时较窄的淬透性能使得齿轮热处理后的变形范围小，因此末端淬透性的稳定与否对齿轮热处理后变形的大小影响很大，淬透性带越窄，离散度越小越利于齿轮的加工及提高啮合精度，而淬透性带宽的控制主要取决于化学成分的精确控制及成分的均匀性[1]。

（2）晶粒细小均匀

奥氏体晶粒尺寸是衡量齿轮钢质量的另一重要指标。细小均匀的奥氏体晶粒对稳定钢材的末端淬透性，减少齿轮热处理后的变形，提高渗碳钢的脆断抗力具有重要意义。晶粒粗化使渗层碳浓度相对增高，导致脆性增加，使弯曲强度下降，齿面容易剥离。如果出现混晶，有可能使齿牙之间的热处理变形失去规则而无法配对[2]。晶粒细化主要通过添加一定量的细化晶粒元素，如Al、Ti、Nb等来达到，而实际产品的晶粒能否细化还要取决于炼钢后的锻、轧、热处理工艺是否合理。

（3）钢的纯净度高

钢的纯净度，主要指钢中氧含量，非金属夹杂物和除硫（齿轮钢中有时需保持一定的硫含量以改善切削性）以外的其他有害元素。氧化物夹杂总量的高低，直接决定于氧含量的高低。钢中氧含量对齿轮的疲劳寿命有着重大影响，特别是对接触疲劳有显著的危害作用，日本对Cr、Cr-Mo、Cr-Ni-Mo渗碳钢的氧含量与疲劳寿命之间的关系做过对比试验，当氧含量从25 ppm降到11 ppm时，其接触疲劳强度可提高四倍。通过精炼工艺最大限度地脱除钢中的氧，也同时使钢中氧化物夹杂的含量减少，即减少了齿轮的裂纹源。钢中存在的大颗粒夹杂相当于一个敏感的裂纹源，使钢的延展性降低，即使在很低的拉应力作用下，裂纹也极易扩展，造成工件失效。同时，当过量的夹杂物聚集在晶界时，易产生沿晶界脆断，使钢的延展性降低[3]。我国对SCM420H等引进齿轮钢进行脱气与不脱气的对比试验，证实其疲劳寿命也可以提高40%左右[4]。降低钢中氧含量的主要方法是真空处理。

（4）加工性能好

齿轮钢是热加工用钢，要求钢材的表面质量好，无裂纹，结疤等宏观缺陷。同时要求具有良好的机加工切削性能，以适应高速程控机床的需要。

2 我国汽车用齿轮钢的热处理现状

2.1 汽车用齿轮钢的热处理状况

热处理是齿轮品质控制过程中的一个关键工序。齿轮的许多关键特性要通过热处理来实现。热处理的质量直接影响齿轮的齿面啮合和使用寿命。目前世界上汽车齿轮热处理生产采用的工艺主要是气体渗碳工艺[5~6]。这种常用的渗碳工艺，国外通过计算机不仅可以控制渗碳层层深和表面硬度，而且还可控制表面含碳量、组织中的碳化物及残留奥氏体的形态分布，以及表面硬度梯度等[7]，从而可以得到最佳的渗碳层品质和最小的变形，提高了产品的品质。碳氮共渗工艺由于渗层组织性能不易控制稳定，只有少数小模数低负荷的齿轮才允许采用，目前许多渗碳技术的新工艺正在发展之中[8~9]，最近使用高压气淬的真空与等离子渗碳工艺用于汽车齿轮加工行业获得了很大的成功[10]。

而我国汽车齿轮的质量与先进国家的同类产品相比，差距较大，平均使用寿命仅及其一半左右，且单位产品的能耗大，劳动生产率低。要提高汽车齿轮的品质，除了选材合适之外，必须对热处理工艺进行严格规范，并且努力创新，广泛采用新技术、新工艺和新设备。设备是工艺的基础，齿轮热处理的品质在很大程度上需要热处理设备来保证。齿轮热处理对设备温度和碳势的控制精度、炉内温度和气氛的均匀性以及淬火油的搅拌、循环等都要求较高。温度和碳势的控制误差大、炉内温度和气氛不均匀，淬火变形加大，严重时将造成齿轮报废。由于我国热处理设备技术落后，大部分渗碳炉，不能进行碳势自动控制，产品表面碳浓度波动大，渗碳齿轮品质差，生产效率低、能耗大、成本高。目前国内气体动态软件在渗碳炉上的应用虽已获得成功[11]，但控制水平和国外还存在着一定的差距。“八五”和“九五”期间各大汽车企业和零部件厂大量成套引进了热处理设备，大大提高了渗碳齿轮的品质。在对齿轮渗碳层的工艺测量方法上，我国现行标准规定用金相法测量总层深，这种方法不能直观反映出淬硬层的硬度分布情况，而国际上通用的是用硬度法测量渗碳层有效淬硬层深。硬度法目前许多大企业己逐步开始使用，并逐渐推广。

2.2 当前齿轮热处理工艺研究的主要内容

热处理工艺的研究主要是为了减少热处理缺陷，改善工件性能，简化工艺，提高效益。齿轮热处理工艺的改进具体体现在：

（1）预处理工艺

随着我国汽车生产朝高品质、大批量方向发展，各汽车制造厂也越来越重视汽车齿轮锻坯的预先热处理。现代化的大批量生产要求齿坯在热处理后能获得均匀的组织和硬度以保证获得良好的切削加工性能，稳定的淬火变形规律，预处理的改进主要有等温退火或等温正火以及先退火然后正火等工艺方法。等温退火或等温正火是先将钢加热到A3点以上，然后冷却到等温温度进行等温处理，再以不同冷速冷却进行退火或正火的预处理工艺；退火后再正火可以使坯体组织细小均匀。

某齿轮厂[12]从20世纪末就采用等温退火代替原来的正火工艺。实践表明，等温退火后的齿坯具有良好的切削加工性能，能够减少刀具的磨损，延长刀具的寿命。另外也能不同程度地稳定零件最终热处理的淬火变形规律。

目前，国外汽车生产厂家对齿轮锻坯普遍采用等温退火处理，而且对不同的材料规定了不同的等温退火工艺。国内外的生产实践表明，经等温退火处理的齿轮不仅机加工性能大大提高，而且渗碳淬火后的变形也明显减少[13]。

（2）渗碳工艺

齿轮渗碳过程温度较高，时间较长，容易造成晶粒粗大和严重热处理变形等缺陷。对其改进主要从两个方面入手：一是利用催渗方法催渗以降低温度和缩短时间；二是利用高温渗碳缩短时间。稀土催渗是主要的一种催渗方法，由于稀土的加入，加快了渗碳速度、降低了渗碳温度、提高了生产效率，降低了能耗[14]。高温渗碳在一般情况下很少采用，因为高温下晶粒长大趋势严重且对设备有危害，如果能够排除这两项不利因素，则它也是可行的。利用高温渗碳原理改进的变温渗碳方法既具有渗速快的优点，上述两项不利因素又不明显，在生产上被采用的越来越多。一些新型渗碳方法在简化热处理工艺的同时也改善了齿轮的品质。

3 汽车齿轮钢的发展动向

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[15~17]：

（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，用收得的精确计算，对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，开展微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≤l5 ppm，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。

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（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。这样，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。

（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。这种高品质、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，因为添加少量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[19]。