汽車動態傳動系統高性能、低噪聲是經濟發展的方向，隨著社會的發展，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，它是確保汽車動態傳遞樞紐和行車安全的關鍵部分，所以材料質量對齒輪質量的影響越來越受到人們重視。材質的質量不高，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定。這三種主要因素對齒輪的高品質有很大的影響，是我國汽車齒輪發展中亟待解決的問題。
一、齒輪鋼生產技術措施分析
我國齒輪鋼生產廠家仍舊在使用(UHP)EAF+LF+ VD+CC 及連軋的工藝手段，工藝裝備已經滿足了國際先進標準，且鋼材的氧質量分數通常在 20×10-6 之下， 最低標準在 12×10-6，淬透性帶寬有一定優勢的鋼廠能夠將其控制在 J9≤6(HRC)，晶粒度大于等于 8 級。因為廢鋼比較欠缺，因此電量的費用提升，通過轉爐冶煉特殊鋼在成本上更具優勢，且對于產品質量有較好的促進作用。近幾年我國部分轉爐鋼廠已經開始應用轉爐生產特殊鋼技術實施生產汽車用齒輪鋼。隨著汽車齒輪鋼的應用范圍越來越廣，其技術手段也從傳統模式轉變為轉爐—連鑄—熱軋流程，這也是在國際上應用非常廣泛的技術之一。優勢在于其單爐次批量大，且殘 余元素質量的分值較低，穩定性高，淬透性帶較窄，有較低的生產成本，比較適合生產純凈鋼。如江陰興澄鋼鐵有限公司生產 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：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量指數為 (7~13)×10-6，經檢驗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果/級
寶鋼集團特殊鋼分公司生產齒輪鋼工藝流程：直流電弧爐—鋼包精煉爐—精煉爐—五機五流連鑄機—熱亂—火成材—檢驗入庫。寶鋼集團特殊鋼 20CrMnTi 鋼軋材各項性能實際水平如表 2 所示。
表2 寶鋼集團特殊鋼20CrMnTi鋼軋材各項性能實際水平
二、汽車齒輪鋼性能研究分析
日本汽車齒輪鋼性能
日本的鋼鐵技術無論在開發還是在管理上都位于世界的頂端，尤其是在對產品質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。在技術方面，日本以高級鋼和特殊鋼技術領先于全球，日本開發出的冷鍛和真空技術進行齒輪的制作，不僅減少了齒輪的用鋼量，還降低了其對環境的污染。不僅如此，其還開發了 KSG 系列技術用于冷凍齒輪鋼。這使得冷凍齒輪鋼的產品硬度加強，且延長了金屬模具的使用壽命，實現了高強度的齒輪用鋼。
中國汽車齒輪鋼性能
相對于日本來說，中國的齒輪鋼生產水平雖然已經上升了，雖然在短短的幾十年內已經達到了國際標準水平。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%，這表示我國出產的齒輪鋼產品能耗較大，且勞動生產率較高，尤其是在帶狀組織的控制上我國軋制技術仍舊處于低端水平，冷卻手段較低，無法對齒輪鋼的軋制過程進行細化處理，細化問題成為了我國齒輪鋼軋制的主要問題。主要體現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，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化的生產規模，且產品標準相對落后，在鋼種的選擇上存在一定的惰性，應用范圍較低。
汽車齒輪鋼性能的差異
國外鋼的淬透性帶寬已經達到 4 HRC，而我國在 6~8HRC 左右，且穩定性差，散差大;汽車齒輪鋼的純凈度上，我國生產的齒輪鋼在(15~25)×10-6 超低氧水平以下，而日本已經能夠控制在(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，有大顆粒雜質出現的可能性。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，容易出現大塊的 TiN 雜質，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、汽車齒輪鋼的應用實踐探討
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。因為滲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。
汽車齒輪鋼的生產控制技術
淬透性的控制： 汽車齒輪鋼的淬透性控制方法如下：按照齒輪產品的目標，對淬透性目標元素值進行確定，按照齒輪淬透性帶寬的需求，確定各個元素內部的可控范圍，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。在此基礎上，保障各個爐次化學成分一致，控制鋼的化學成分分析也是淬透性帶寬的關鍵因素。
純凈度控制：上文提到，純凈度是齒輪鋼的性能評價指標之一， 在汽車的齒輪鋼應用實踐過程中其也是重要的指標，對齒輪壽命有直接的影響，因此要求較為嚴格。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，確保鋼水不會被氧化，將最開始的鋼液含量降低。出港之后進行鋁元素的添加，數量要充足，這樣做的目標就是為了降低氧化現象，保障鋼液的含量數值在合理范疇內，避免精煉時出現脫氧現象，將脫氧物質的上浮時間升級。利用預熔精煉渣進行爐外精煉，與此同時，通過科學的手段將其控制在合理范疇內，實現精煉鋼的生成，強化脫氧的功效。保障真空脫氣實效與范疇在可控范圍內，將鋼中的氧氣含量降低，精煉、真空脫氣過程中必須進行攪拌和吹氫，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，使懸浮物向上。連鑄的防控重點在于密封，必須在密封的環境下澆筑，謹防鋼水有二次氧化現象出現，在這一過程中使耐材侵蝕下降，出現鋼水化學反應。
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，嚴重時還會導致齒輪報廢，如鋼中 Ti 含量偏高，便會出現大顆粒，且含有棱角 TiN 夾雜，這會降低齒輪的使用實效。與此同事，裂紋傾向也會對齒輪造成嚴重影響，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 等一定量的晶粒細化元素來實現。國外汽車對齒輪鋼的 Ti 含量都有嚴格的控制，因為 Ti 極易與鋼中的 N 結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 結合產生微小彌散的 A1N 為原理，使晶粒細化，通過加入適量的鋁達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。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，國外高端汽車企業都會有一定的要求。精煉結束后，通常以喂絲線的方式進行調整，以求穩定、準確地控制鋼中的 Al、N 含量。通過 A1 細化，確保鋼材中的 Al 含量在合理范圍內，N 含量是保證細晶的關鍵，在現實中產品晶粒細化還需要進行軋制、鍛造、熱處理工藝，是不是可以達到 A1N 溶出、析出的相關條件，和軋制的實際有關，和鍛造、熱處理工藝也有關系。
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象進行控制，才能改善偏析現象。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。根據經驗，在 1530℃條件下控制齒輪鋼的連續鑄件過熱更為適宜。
連鑄二冷強度的控制： 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部出現裂紋，所以應控制在適宜的水平上進行二次冷卻。
電磁攪拌：電磁攪拌可促進鋼液內部成分更為均衡，鑄坯偏析的改進效果較好。不過，因為電磁攪拌所需的強度過大，其和拉速之間適應性問題有待提升，一旦適應效果不佳，便會出現白亮帶，因此要科學的調控強度和拉速，將兩者控制在合理范圍內。
連鑄坯型的選擇：偏析圓坯比方坯好。因此，在生產汽車上使用齒輪鋼坯，通過會考慮需要使用圓坯，生產選用長方形鋼坯時，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展展望
未來汽車的高性能和輕型化是必然發展趨勢，在這一趨勢下需要大力開發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、輕型化的快速發展，應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、加強對殘余應力的噴丸表面強化技術的發展與應用。同時必須加強對高強度、高經濟性和新型齒輪鋼的研究，開發可用于新型齒輪鋼的易切割鋼材，開發低硫和控制硫化物形態的多元易切削鋼，這些是未來的重要發展方向。
五、結語
綜上所述，為了適應高質量齒輪對生產材料的高要求，需要發展高純凈度、窄淬透帶、細晶粒鋼等技術。目前高質量齒輪用鋼技術亟待引起人們的重視，本研究在考察齒輪鋼技術和性能的基礎上，結合實踐提出了相關技術指南，具有重要的現實意義。
參考文獻略