国内外变速器齿轮材料的对比

刘意气 陈建 罗大国

（宁波上中下自动变速器有限公司）

变速器轴齿是变速器传动系中的主要零部件，在对轴齿高寿命、轻量化及低噪声的要求越来越严苛的趋势下，迫切要求齿轮材料具有更好的性能和更稳定的质量，以满足先进设计理念和方法，推动我国汽车行业变速器水平的发展和进步。由于国内汽车行业起步较晚，齿轮材料的研发落后于欧美及日本等发达国家，国内对材料基础数据的研究，如：实际的疲劳寿命特性、新材料的研发等都相对较少。目前国内材料主要是对欧洲、美国、日本标准齿轮材料的国产化。当前，国产齿轮材料与发达国家的差距较大，主要表现在国产钢材的纯净度和均匀性低，含氧量与非金属夹杂物的含量等较高；钢材淬透性波动大，淬透性带宽；高温高性能钢、低温抗冲击钢、快速渗氮钢、经济性大中模数钢以及高性能工程塑料等缺乏原材料[1]。为了解国内外材料的特性和差异，为变速器轴齿设计研发和生产提供理论依据，文章选取常用的某MnCr低碳合金钢，进行国产材料和进口材料的对比分析。

1 材料对比

齿轮设计中，齿面要有足够的强度和硬度，芯部要有一定的强度和韧性[2]。因此低碳合金钢和渗碳淬火工艺广泛应用于变速器传动齿轮中。本次研究选取某MnCr低碳合金钢，该材料是变速器齿轮的常用材料，在成分上，其国产材料和进口材料差异较小。

1.1 出厂棒材对比

齿轮在机加工前，要先制作成锻坯。先锻造成接近成品齿轮的尺寸和形状，以减少原材料使用并降低内部缺陷，再进行等温正火处理，使其达到合适的硬度，以满足机械加工的需求。

国产某MnCr低碳合金钢的棒料金相组织，如图1所示。从图1a可以看出，其主要由铁素体与珠光体组织组成，并含有少量贝氏体组织，轧制后冷却的过程中，铁素体沿原奥氏体晶粒的晶界先析出，并逐步长成长条形。图1b中含有较多的贝氏体组织，结合图1a，推测其轧后冷速在2～4℃/s，因此该棒料在热轧后进行退火处理，棒料的交货状态为退火态。

图1 国产MnCr钢材的棒料金相组织（200倍）

进口某MnCr钢金相组织，如图2所示。从图2a上可以看出，其主要由铁素体与贝氏体组织组成，并存在少量的珠光体组织。轧制后冷却的过程中，铁素体沿原奥氏体晶粒的晶界先析出。与图1对比可知，其冷速大于国产MnCr钢的冷速，因此部分铁素体在冷却的过程中未逐步长成明显的长条形。推测其轧后冷速在4～8℃/s，因此该棒料在热轧后即进行交货，未进行退火处理，棒料的交货状态为热轧态。

图2 进口MnCr钢材的棒料金相组织（200倍）

由此可见，2家企业的棒料热处理状态上存在一定差异。国产材料的交货状态为退火态，组织为铁素体与珠光体，硬度较低，更利于锻造；进口材料的交货状态为热轧态，组织为铁素体与贝氏体，硬度较高，不利于锻造。锻造温度越低，2种状态的差异越大；对于热锻，两者的差异并不大。但国产材料的工艺和过程控制要求比较严格，工艺过程成本较高，进口材料工艺成本相对较低。

1.2 渗碳淬火试块对比

MnCr低碳合金钢在加工成齿轮时，必须进行热处理。常用的热处理方式为渗碳淬火，提高表面C的质量分数，获得较高的表面硬度，从而获得较高的刚度和表面耐磨性；保持芯部较低的C质量分数，保证产品的韧性和脆性。

为了对比2家企业原材料在热处理性质上的差异，将材料加工成20 mm×20 mm×100 mm的长方体试块。并按照热处理工艺进行热处理（如图3所示），进而对热处理后的金相组织进行对比。

图3 某MnCr低碳合金钢试块的热处理工艺

1.2.1 国产试样

国产某MnCr钢试样表面位置的金相组织，如图4所示。从图4可知，其渗碳深度约为800 μm，有很多条白亮的渗透通道，表面向芯部渗透通道较多，导致热渗透深度差异较大，白亮带最浅的深度约为400 μm。其表面为针状马氏体组织，符合一般渗碳淬火工艺的组织要求。

图4 国产某MnCr低碳合金钢热处理表面组织

图5示出国产试样次表层的金相组织，此层为渗碳层与基体交错位置。渗碳组织为针状马氏体；未渗碳部分离表面近处为由板条状马氏体逐渐过渡为贝氏体。

图5 国产某MnCr低碳合金钢热处理次表层组织

图6示出国产试样中心部位的金相组织。由于芯部冷速低，所以芯部组织为贝氏体并带有少量珠光体组织。

图6 国产某MnCr低碳合金钢热处理芯部组织

1.2.2 进口试样

进口某MnCr钢试样表面位置的金相组织，如图7所示。从图7可知，其渗碳深度约为700 μm，白亮带的渗透通道明显较少，导致热渗透深度差异较小，白亮带最浅的深度约为400 μm。其表面为针状马氏体组织，符合一般渗碳淬火工艺的组织要求。

图7 进口某MnCr低碳合金钢热处理表面组织

图8示出进口试样次表层的金相组织，此层为渗碳层与基体交错位置。渗碳组织为针状马氏体；未渗碳部分离表面近处为由板条状马氏体逐渐过渡为贝氏体。

图8 进口某MnCr低碳合金钢热处理次表层组织

图9示出进口试样中心部位的金相组织。由于芯部冷速低，所以芯部组织为贝氏体并带有少量珠光体组织。

图9 进口某MnCr低碳合金钢热处理芯部组织

从渗碳处理的金相组织可以看出，在预定的热处理工艺下，组织达到要求，但2种材料在表层渗碳通道上存在一定的差异。

2 结语

1）进口棒料的热处理要求更合理。国产和进口材料在棒料的热处理状态上存在差异，国产材料的退火态更利于加工，但根据毛坯采用的热锻造+等温正火的工艺来看，热轧态的棒料已经能满足要求。因此在材料应用时，材料供应商和毛坯供应商应当充分合作和沟通，减少不必要的热处理要求，达到降低成本的目的。

2）渗碳淬火工艺下，国产和进口材料的热处理金相组织均能满足要求。

3）国产和进口材料渗碳淬火的表面碳通道存在一定差异，进口材料的热处理碳通道更加均匀。初步认为进口材料在均匀性上占优势，具体的影响因素需要进行进一步的研究和确认。

综上，国产钢材和进口钢材在性能上已经趋于一致，但在材料均匀性方面，国产材料仍然有提升的空间。希望国产材料供应商、毛坯研发制造商和齿轮研发制造企业充分合作，从品质、设计和技术要求方面全面提升，为实现制造强国而努力。