中国汽车用齿轮钢质量要求和水平

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1、浅谈中国汽车用齿轮钢的质量要求与水平摘 要：通过对目前国内汽车两齿轮钢的分类、技术要求分析、齿轮钢质量标准分析对比。 探讨国内汽车齿轮钢的生产要求及质量水平1 汽车用齿轮钢的概述按中国汽车工业协会和中国齿轮专业协会的统计资料，2005 年中国汽车生产总 量已达 570 万辆，汽车齿轮钢材的消耗量约 80 万 t 左右，近几年来中国汽车产 量平均每年以 10左右的速度增长，分析 2005 年汽车行业产品构成，可以发 现汽车行业增长最快的主要是重型载货车和轿车，随着轿车进入家庭步伐的加 快，我国的汽车工业已进入高速发展阶段，所以车辆齿轮越来越成为齿轮钢材 最重要的消费用户。长期以来，我国汽车齿轮钢

2、沿用原苏联的 20CrMnTi 材质， 这种材质由于符合我国的资源具有成本低、工艺性能好、价格低的优点且可以 满足国内大多数齿轮材质的要求，所以这种材质仍占据着中国汽车齿轮钢材的 50左右。改革开放以后，中国从美国、德国、法国、日本、意大利、韩国等 国家引进了许多车型，相应的也引进了国外的齿轮钢种。随着引进车型的不断 增多，这些钢种在国内市场上占有的份额越来越大。经过“七五”至“十五”国家重 点的攻关项目，汽车行业和冶金行业共同攻关后筛选出一些常用的引进钢种列 入了 GBT52162004 标准。2 汽车用齿轮钢的种类与发展方向按照合金系列分类，齿轮钢可分为 CrMnTi 系、Cr 系、MnC

3、r 系、Cr Mo 系、CrMnB 系以及 CrNiMo 系，分别阐述如下：CrMnn 系：主要以 20CrMnTiH 为主，同时根据不同车型、不同齿轮厂的 加工工艺，20CrMnTm 又可以分为 H1，H2、H3 等不同淬透性带宽的子钢号系 列。并且在原有的 20CrMnTi 的基础上，一汽与有关冶金厂开发了 16CrMnTiH、18rMnTiH 钢，用于小红旗轿车齿轮生产。Cr 系齿轮钢：钢种为 SCr420H，与中国 GBT521685 标准中 20CrH 相比 较，Mn、Cr 含量均有提高，淬透性略高，用于夏利轿车、。EQ153 8t 载重卡 车变速箱齿轮。CrMn 系齿轮钢：钢种为

4、16MnCr5、20MnCr5、25MnCr5、28MnCr5、27MnCr5，主要用于奥迪、捷达、 桑塔那及富康轿车齿轮，依维柯中巴车及部分引进的重型卡车齿轮。Cr 一 Mo 系齿轮钢：钢种为 SCM415H、SCM420H、SCM822H1(H2)、 16CD4，20CD4，27CD4，30CD4 等牌号，主要用于标致轿车、五十铃中巴、 153 中型卡车齿轮生产。CrMnB 系齿轮钢，品种主要是德国的 ZF6(16CI16CrMnBH)， ZF7(B) (18CrMnBH、20CrMnBH)。ZF 钢是经过 B 处理的 CrMn 系齿轮钢。主要用于斯太尔重型卡车齿轮。B 在这类 钢中的作用

5、主要是形成球状 BN，降低钢中固溶 N 量，提高钢的韧性，而传统 的渗碳硼钢中 B 主要起提高淬透性的作用。CrNiMo 系齿轮钢：钢种主要为 SAE8620H、SAE8627H、SAE4320H 美 国钢号及 ZFlA(或 17CrNiMo6)德国钢号，用于切诺基轿车、斯太尔卡车齿轮。 鉴于各国资源和生产工艺条件的差异，每个国家和地区应用的齿轮钢合金系列 不尽相同，例如：德国采用 Mncr 系列和 CrMnB 系列 l(16MnCr5，20MnCr5，25MnCr5，28MnCr5，ZF6，ZF7，ZF7 B)：日本应用 Cr 系和 CrMo 系（SCr420H， SCM415H， SCM4

6、20H，SCM822H)：美 国采用 CrNiMo 系（SAE8617H，SAE8620H)：法国采用 CrNi 系 (19CN5)和 CrMo 系(20CD4，27CD4，30CD4)钢：中国大量使用的是 20CrMnTi 齿轮钢。齿轮钢的技术发展方向应是，降低渗碳层表面氧化倾向大 的合金元素含量，添加氧化倾向小的合金元素；控制齿轮钢中的残余奥氏体量； 减少晶界偏析元素的含量；开发和应用喷丸表面强化技术，增加表面的残余应 力；研究和开发的新型齿轮钢必须满足高强度、经济性、生产性等多种要求； 由于制造齿轮时需进行大量的切削加工，需要开发易切削齿轮钢。3 对汽车齿轮钢的质量要求齿轮钢不但要有良好

7、的强韧性、耐磨性，承受冲击，弯曲和接触应力，且还要 变形小、精度高、噪音低。通常，高质量水平的齿轮钢主要表现在三个方面， 即末端淬透性带窄，离散度小；纯洁度高；晶粒细小均匀。此外，良好的加工 性能(包括冷、热加工性和易切削性)也是齿轮行业所关心的重要指标。31 末端淬透性用末端淬透性来代替以往的机械性能检验是评价齿轮钢质量的重大进步。末端 淬透性的稳定与否对齿轮热处理后变形量的影响很大，淬透性带宽度愈窄，离 散度愈小，愈有利于齿轮的加工及提高其啮合精度。中国现行的 GBT52162004保淬透性结构钢标准中的淬透性带“带宽”水平与美国、德国的 H 钢(HH 钢、HL 钢)标准水平基本上是相当的

8、，例如在 J9 和 JI5 处，一般都限制在 012HRC 范围内波动。而 HH、HL 钢的带宽一段都限制在 78HRC 范围内 波动。32 钢中氧含量及夹杂物的要求氧含量对齿轮疲劳寿命的影响已越来越受到人们的关注。日本对 Cr、Cr Mo、CrNiMo 渗碳合金钢的氧含量和疲劳寿命之间的关系曾做过实验，当 氧含量从 25106 降到 10106 以下时，其疲劳寿命可以数倍的增加，中 国对 SCM420H、20MnCr5 等引进钢种也进行过脱气和不脱气的对比实验，证 实脱气 50 多以上。由于工业发达国家拥有先进的技术装备和工艺技术，其齿轮钢的氧含量普遍较低，1986 年开始至今我国分别从日本

9、、德国、奥地利等国进 口的齿轮钢其氧含量波动在(718)106。中国电炉单炼的 20CrMnTi 氧含量 水平约(3040)106，电炉+LF 炉双炼法生产的齿轮钢氧含量约 2510 6，经 VD 真空处理后可达到 20106 以下。为了适应齿轮钢的新要求，各钢 厂经技术改造，生产的齿轮钢纯净度也达到较高水平，大大缩短了与国际水平 的差距。目前齿轮行业标准已将汽车用齿轮钢的氧含量规定为20106，而 很多采用 LF+VD 或 LF+RH 精炼处理的特殊钢厂家，已可以将齿轮钢的氧含量 控制在 15106 以下。非金属夹杂物中 B、D 类夹杂对齿轮的疲劳寿命影响 非常大，这两类夹杂物也与氧含量有关

10、，同时与非金属夹杂物的尺寸及分布有 很大关系。目前要求 B 类夹杂不大于 2 级，D 类夹杂不大于 l 级。A 类夹杂对 齿轮钢的疲劳寿命影响不大，并且随着易切削齿轮的发展，钢中对硫含量的上、 下限都提出了要求，因此齿轮钢今后对 A 类夹杂的数量、形态及分布提出要求。 c 类夹杂为硅酸盐类夹杂，由于冶炼装备的变化，目前国内大多数特钢厂都可 以达到 1 级以下的水平。33 晶粒度晶粒尺寸大小是齿轮钢的又一项重要指标，细小均匀的奥氏体晶粒度对稳定钢 材的末端淬透性，减少齿轮热处理后的变形量，提高渗碳钢的脆断抗力具有重 要意义。因为粗粒的晶粒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

11、容易剥落。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。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。为此国内外都在为细化晶粒度积极攻关。目前我国齿轮钢的晶粒度级 别一般要求 58 级，而日本特别强调渗碳齿轮钢的晶粒度应不粗于 6 级，这 是值得我们注意的。从目前某些引进齿轮钢来看，混晶现象极易发生，这就要 求钢厂和齿轮厂在工艺上积极采取措施，共同攻克这一难题。国内外对细化品 粒都十分重视。现在倾向一致的看法是：控制 Al 含量为 0020%0055，同时，配以一定的氮含量 0010一 0018，使之 形成 AIN 起钉扎作用，可阻止晶粒长大。34

12、 加工性和易切削性随着齿轮加工线的自动化，为了不断提高生产效率，许多国家正在研究使用易 切削的齿轮钢。在法国和德国标准中，有许多硫有下限要求的钢号，其硫含量 一般只有 00200035，而不是原先概念中硫越低越好的思路。这些 钢比我国国标 GB73188 易切削结构钢技术条件中的硫含量(最低的 S=004008，最高的 S=023033)低得多。显然仅按常规 的冶炼方法来提高易切削性仍是比较困难的，需要通过合适的冶炼工艺以改善 硫化物的形状及其分布状态来达到。另外，通过钢材锻轧后的空冷处理，防止 粒状贝氏体的出现，改善金相组织，也是提高切削性能的有效途径。35 带状组织钢在凝固过程中由于选分结

13、晶的作用，在钢坯凝固横向及纵向上都会造成成分 的不均匀性，在轧制后的冷却过程中由于成分偏析会形成组织(铁素体与珠光体)的层状分布即带状组织，严重的带状组织在齿轮热处理后不但增加变形，而且齿 轮在渗碳处理后使齿高各部位的显微硬度造成差异，影响齿轮的疲劳寿命。钢 种的不同，带状组织的级别的严重程度不同，CrMo、CrNiMo 钢带状组 织较其它钢种严重，由于带状组织不易消除，齿轮厂一般要求带状组织小于 3 级。模铸材由于等 轴晶区比连铸材大，其成分的均匀性较连铸材好，带状组织较轻，只要控制好 浇注温度及速度，大部分炉号能满足小于 3 级的要求，而连铸材达到该要求相 对要难的多。解决带状组织的根本在

14、于减少成分的偏析，加上与轧后适当的冷 速相结合。36 其它方面因为 Si 在渗碳层中最易导致内氧化形成“黑色网状组织”缺陷，使疲劳寿命急剧 降低。因此渗碳齿轮钢有降低钢中Si含量的趋势(Si012)，同时也加快了 齿轮的渗碳速度。Ti 在钢中与 N、C 生成尖、棱角且非常硬的 Ti(C、N)化合物， 轧制时不变形并在其与基体之间造成裂纹。因此对齿轮的疲劳寿命影响较大， 所以齿轮钢不宜加较多的 Ti 细化晶粒或防止混晶，推荐采用 A1 或加少量 Nb 细化晶粒。4 目前汽车齿轮钢的生产标准41 各国汽车用钢的国家标准及质量要求汽车用齿轮钢都为保淬透性结构钢，目前中国的保淬性用钢标准与 IS0、D

15、IN 标准相近，都有宽带与窄带之分，中国的保淬透性用钢标准还略严于其它国家 的标准。42 汽车齿轮行业标准及国内外主要齿轮企业要求齿轮钢的标准与质量要求GBT5216 及国外的保淬透性用钢等基础性标准，对钢中氧含量不要求且淬透 性带较宽，不能较好的满足齿轮行业对齿轮加工的要求，2004 年齿轮行业协会 公布了 CGMA0011：2004车辆齿轮用钢技术条件和 CGMA00 2：2004车辆齿轮用钢市场准入条件，在这两个标准中，明确了汽车齿轮 钢的氧含量应20ppm，钢中非金属夹杂物应满足：A 类细系25 级，粗系： 25 级；B 类细系25 级，粗系：25 级：C 类细系：20 级，粗系 20

16、 级；D 类细系：25 级，粗系：25 级。晶粒度应5 级。中国目前 齿轮钢的生产水平已达到国外先进的水平，但比起日本、德国、美国生产的齿 轮钢还有一些差距特别是在带状组织的控制上。5 结论由于 引进 车型增多， 目前 我国 汽车 齿轮 钢已 发展 成 Cr Mn TI 及 Cr Mo、 Cr Ni Mo、 Mn Cr、 Cr Mn B 并 存的 状态， 质量 要求 也与 国外 汽车 厂基 本相 同， 随着 国内 特钢 精炼、 真空 脱气、 连铸 水平 的提 高， 汽车 用齿 轮钢在淬 透带 的控 制、 氧含 量、 晶粒 度、 非金 属夹 杂物、 带状 组织 等方 面已 基本 达到 国外 先进 水平。