1 汽车用齿轮钢的概述
中国汽车工业协会和中国齿轮专业协会的统计资料显示，2005 年中国汽车生产总量达到 570 万辆。汽车齿轮钢材的消耗量约为 80 万 t。近几年，中国汽车产量平均每年以 10％左右的速度递增。分析 2005 年汽车行业产品构成可发现，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加快，我国汽车工业已进入高速发展阶段。因此，车辆齿轮逐渐成为齿轮钢材最重要的消费用户。长期以来，我国汽车齿轮钢一直沿用原苏联的材质。这种材质成本低、工艺性能好且价格低，又符合我国的资源情况，还能满足国内大多数齿轮材质的要求，因此一直占据着中国汽车齿轮钢材的 50％左右。改革开放之后，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，同时也引进了国外的齿轮钢种。引进车型不断增多，这些钢种在国内市场所占份额逐渐增大。“七五”至“十五”期间，经国家重点攻关项目，汽车行业与冶金行业共同努力攻关后，筛选出一些常用的引进钢种，并将其列入了 GB／T5216—2004 标准。
2 汽车用齿轮钢的种类与发展方向
齿轮钢按照合金系列进行分类，有 Cr—Mn—Ti 系、Cr 系、Mn—Cr 系、Cr—Mo 系、Cr—Mn—B 系以及 Cr—Ni—Mo 系。以下分别进行阐述：
Cr—Mn—n 系：主要以某种成分为主。同时，依据不同车型以及不同齿轮厂的加工工艺，此系又能够被分为 H1、H2、H3 等具有不同淬透性带宽的子钢号系列。并且，在原有的基础之上，一汽与相关冶金厂开发出了用于小红旗轿车齿轮生产的某种钢。
Cr 系齿轮钢，其钢种为。与中国 GB／T5216—85 标准里的 20CrH 相比，Mn 的含量提高了，Cr 的含量也提高了，淬透性稍微高一些，可用于夏利轿车的变速箱齿轮，也可用于载重卡车的变速箱齿轮。
Cr—Mn 系齿轮钢，其钢种有多种汽车钢材质量，主要用于奥迪轿车的齿轮，也用于捷达轿车的齿轮，还用于桑塔那轿车的齿轮以及富康轿车的齿轮，同时用于依维柯中巴车的齿轮以及部分引进的重型卡车的齿轮。
Cr 一 Mo 系齿轮钢，其钢种有(H2)、16CD4、20CD4、27CD4、30CD4 等牌号，主要被用于标致轿车的齿轮生产，以及五十铃中巴、153 中型卡车的齿轮生产。
Cr—Mn—B 系的齿轮钢，其品种主要有德国的 ZF6(16CI—)以及 ZF7(B)。ZF 钢有这些品种。
这种齿轮钢是经过特定处理的 Cr—Mn 系齿轮钢。它主要被用于斯太尔重型卡车的齿轮。B 在这类钢里的作用主要体现在能够形成球状 BN，使钢中固溶 N 量降低，进而提高钢的韧性。而在传统的渗碳硼钢中，B 主要起到提升淬透性的作用。
Cr—Ni—Mo 系齿轮钢：这种钢的种类主要有美国钢号以及 ZFlA（或）德国钢号等，它被用于切诺基轿车和斯太尔卡车的齿轮。因为各国资源和生产工艺条件存在差异，所以每个国家和地区所应用的齿轮钢合金系列各不相同。比如德国会采用 Mn—cr 系列和 Cr—Mn—B 系列，像 ZF6、ZF7、ZF7B 等；日本会应用 Cr 系和 Cr—Mo 系；美国会采用 Cr—Ni—Mo 系；法国会采用 Cr—Ni 系（19CN5）和 Cr—Mo 系（20CD4、27CD4、30CD4）；而中国则大量使用齿轮钢。齿轮钢的技术发展方向为：降低渗碳层表面合金元素含量，因这些合金元素氧化倾向大；添加氧化倾向小的合金元素；对齿轮钢中的残余奥氏体量进行控制；减少晶界偏析元素的含量；开发并应用喷丸表面强化技术，以增加表面的残余应力；研究和开发的新型齿轮钢要满足高强度、经济性以及生产性等多种要求；由于制造齿轮需进行大量切削加工，所以需要开发易切削齿轮钢。
3 对汽车齿轮钢的质量要求
齿轮钢要有良好的强韧性，还要能承受冲击、弯曲和接触应力，并且要变形小、精度高、噪音低。通常，高质量水平的齿轮钢主要体现在三个方面，一是末端淬透性带窄，离散度小；二是纯洁度高；三是晶粒细小均匀。另外，良好的加工性能，包括冷加工性、热加工性和易切削性汽车钢材质量，也是齿轮行业所关心的重要指标。
3．1 末端淬透性
用末端淬透性代替以往的机械性能检验，这是评价齿轮钢质量的重大进步。末端淬透性的稳定性对齿轮热处理后变形量影响很大。淬透性带宽度越窄，离散度越小，就越有利于齿轮的加工以及提高其啮合精度。中国现行的 GB／T5216—2004《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）标准水平大致相当。比如在 J9 和 JI5 处，通常都被限制在 0 至 12HRC 的范围内波动。而 HH、HL 钢的带宽则一直被限制在 7 至 8HRC 的范围内波动。
3．2钢中氧含量及夹杂物的要求
人们越来越关注氧含量对齿轮疲劳寿命的影响。日本曾对 Cr、Cr—Mo、Cr—Ni—Mo 渗碳合金钢的氧含量与疲劳寿命的关系进行实验，发现当氧含量从 25×10—6 降低到 10×10—6 以下时，疲劳寿命能数倍增加。中国也对一些引进钢种进行过脱气和不脱气的对比实验，证实脱气可超过 50%。工业发达国家具备先进的技术装备和工艺技术。所以，其齿轮钢的氧含量普遍较低。从 1986 年开始到如今，我国从日本、德国、奥地利等国进口的齿轮钢，其氧含量在(7～18)×10—6 之间波动。中国电炉单炼时的氧含量水平大约在(30 至 40)×10—6 之间。电炉加上 LF 炉双炼法生产的齿轮钢，其氧含量约为 25×10—6，经过 VD 真空处理后能够达到 20×10—6 以下。为了满足齿轮钢的新需求，各钢厂通过技术改造，使得生产的齿轮钢纯净度达到了较高的水平，从而大大缩短了与国际水平之间的差距。目前齿轮行业标准规定汽车用齿轮钢的氧含量需≤20×10—6。许多采用 LF+VD 或 LF+RH 精炼处理的特殊钢厂家，能够将齿轮钢的氧含量控制在 15×10—6 以下。非金属夹杂物中的 B 类夹杂和 D 类夹杂对齿轮的疲劳寿命影响极大。这两类夹杂物与氧含量有关，并且与非金属夹杂物的尺寸及分布也有很大关系。目前要求 B 类夹杂的级别不大于 2 级，D 类夹杂的级别不大于 1 级。A 类夹杂对齿轮钢的疲劳寿命影响较小。随着易切削齿轮的发展，钢中对硫含量的上、下限都有了要求。所以，齿轮钢今后需要对 A 类夹杂的数量、形态及分布提出要求。C 类夹杂是硅酸盐类夹杂，由于冶炼装备发生了变化，目前国内大多数特钢厂都能够达到 1 级以下的水平。
3．3晶粒度
晶粒尺寸大小是齿轮钢的重要指标之一。细小均匀的奥氏体晶粒度意义重大，它能稳定钢材的末端淬透性，能减少齿轮热处理后的变形量，还能提高渗碳钢的脆断抗力。粗粒的晶粒会使渗层碳浓度相对增高，进而导致脆性增加，使弯曲强度下降，齿面容易剥落。若出现混晶，就有可能使齿牙之间的热处理变形失去规则，从而无法配对。晶粒细化可通过添加一定量的细化晶粒元素来实现，比如 Al、Ti、Nb 等。国内外都在为细化晶粒度而积极努力。目前我国齿轮钢的晶粒度级别通常要求在 5 至 8 级，日本则特别强调渗碳齿轮钢的晶粒度不应粗于 6 级，这一点值得我们留意。从目前的某些引进齿轮钢来看，混晶现象很容易发生。这就需要钢厂和齿轮厂在工艺方面积极采取措施，一起攻克这一难题。国内外都对细化晶粒非常重视。现在大家倾向于一致的看法是：将 Al 含量控制在 0.020%至 0.055%之间，同时搭配一定的氮含量，即 0.010%至 0.018%，让其形成 AIN 起到钉扎的作用，这样可以阻止晶粒长大。
3．4加工性和易切削性
随着齿轮加工线实现了自动化，为了持续提升生产效率，许多国家正在对使用易切削的齿轮钢进行研究。在法国的标准里以及德国的标准中，存在着许多硫有下限要求的钢号，这些钢号的硫含量通常是在 0.020％到 0.035％之间，并非是之前那种认为硫越低就越好的观念。这些钢的硫含量比我国国标 GB731—88 易切削结构钢技术条件中的硫含量低很多。我国国标 GB731—88 易切削结构钢技术条件中，硫含量最低为 0．04％～0．08％，最高为 0．23％～0．33％。显然，仅依靠常规的冶炼方法来提高易切削性是比较困难的，需要通过合适的冶炼工艺来改善硫化物的形状以及其分布状态，从而达到提高易切削性的目的。另外，钢材经过锻轧之后进行空冷处理，这样可以防止粒状贝氏体的出现，并且能够改善金相组织，这也是提高切削性能的一种有效途径。
3．5 带状组织
钢在凝固时，因选分结晶的作用，在钢坯的凝固横向和纵向上会导致成分不均匀。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，也就是带状组织。严重的带状组织，在齿轮热处理后，不仅会增加变形，而且在齿轮渗碳处理后，会使齿高各部位的显微硬度产生差异，从而影响齿轮的疲劳寿命。钢种存在差异，这导致带状组织的级别严重程度也有所不同。其中，Cr—Mo 钢和 Cr—Ni—Mo 钢的带状组织比其他钢种更为严重。
因为带状组织不容易被消除，所以齿轮厂通常要求带状组织要小于 3 级。模铸材的等轴晶区比连铸材大，其成分的均匀性比连铸材好，带状组织也更轻。只要能控制好浇注温度和速度，大部分炉号的模铸材都能满足小于 3 级的要求，而连铸材要达到这个要求相对就困难得多。解决带状组织的根本方法是减少成分的偏析，并且要与轧后适当的冷速相结合。
3．6 其它方面
Si 在渗碳层中容易导致内氧化从而形成“黑色网状组织”缺陷，这会使疲劳寿命急剧降低。所以渗碳齿轮钢有降低钢中[Si]含量的趋势，一般要求[Si]≤0．12％。同时，Ti 在钢中能与 N、C 生成尖且棱角分明、非常硬的 Ti(C、N)化合物，在轧制时不会变形，并且会在其与基体之间造成裂纹。因此，齿轮的疲劳寿命受其影响较大。所以，齿轮钢不适合添加较多的 Ti 来细化晶粒或者防止混晶。推荐采用 A1 或者添加少量的 Nb 来细化晶粒。
4 目前汽车齿轮钢的生产标准
4．1 各国汽车用钢的国家标准及质量要求
汽车用的齿轮钢是保淬透性结构钢。目前，中国的保淬性用钢标准与 IS0、DIN 标准相近，这些标准都存在宽带与窄带的区别。并且，中国的保淬透性用钢标准比其他国家的标准略微严格一些。
汽车齿轮行业有其标准，国内外主要齿轮企业也有对齿轮钢的标准与质量要求。
GB／T5216 以及国外的保淬透性用钢等基础性标准，对钢中的氧含量没有要求，并且淬透性带较宽，无法较好地满足齿轮行业对齿轮加工的需求。2004 年，齿轮行业协会公布了—1：2004《车辆齿轮用钢技术条件》和—2：2004《车辆齿轮用钢市场准入条件》。在这两个标准里，明确规定汽车齿轮钢的氧含量应≤20ppm，钢中的非金属夹杂物应满足：A 类细系≤2．5 级，粗系≤2．5 级；B 类细系≤2．5 级，粗系≤2．5 级；C 类细系≤2．0 级，粗系≤2．0 级；D 类细系≤2．5 级，粗系≤2．5 级。晶粒度需在 5 级及以下。中国当前齿轮钢的生产水平已与国外先进水平持平，但与日本、德国、美国生产的齿轮钢相比仍存在一些差距，尤其在带状组织的控制方面。
5 结论
目前我国汽车齿轮钢已发展出多种并存状态，一是 Cr—Mn—TI，二是 Cr—Mo、Cr—Ni—Mo、Mn—Cr、Cr—Mn—B。引进车型增多导致了这种变化。同时，质量要求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方面已基本达到国外先进水平，在氧含量方面已基本达到国外先进水平，在晶粒度方面已基本达到国外先进水平，在非金属夹杂物方面已基本达到国外先进水平，在带状组织方面已基本达到国外先进水平。
End
