摘  要：渗碳齿轮钢是汽车用主要结构钢之一，国内主要汽车生产厂家的高强度齿轮钢材料一直使用不同国家多个牌号的渗碳钢。随着技术和应用的发展有必要开发新品种的高强度齿轮钢。分析了高强度汽车渗碳齿轮钢在国内外的发展及应用现状，并根据我国合金材料的特点展望了其发展趋势。

关键词：汽车；齿轮钢；发展；应用；渗碳

    汽车传动齿轮大多数采用合金渗碳钢制造，这类钢材是汽车用合金结构钢中用量多的钢种之一。由于各国资源和工业发展的经验不同，各国甚至各大工厂使用的钢种也不完全相同。但是，由于汽车生产量很大，对其零件在稳定满足服役性能要求的情况下降低成本，是取得市场竞争优势的重要条件，因此采用廉价钢材和降低制造成本则是共同的目标。为此，世界各大汽车公司都注意研究与开发低成本的钢种和制造技术。

    各国的汽车齿轮用钢正处在由资源型、经验型向科学化、国际化方向发展的过渡阶段。各国正由采用成分相近的低合金Cr-Mo钢和Cr—Mn钢，逐渐向以保证淬透性为主、充分利用废钢中合金资源、不严格要求合金类型和含量、价格低廉的低碳微合金钢的方向发展。

    渗碳齿轮钢作为汽车用主要结构钢之一，其材料技术的发展直接影响着我国汽车制造的整体技术水平，特别是变速箱和驱动桥等重要总成的制造水平。改革开放以来，伴随着国外先进汽车产品和制造技术的引进，许多国外牌号的高强度渗碳齿轮钢也随之进入，使我国汽车工业生产中形成了不同国家多种渗碳齿轮钢体系并存的局面。国外先进的冶金、材料技术及先进的管理给我国渗碳齿轮钢的开发、生产及供应提出了挑战并同时也提供了机遇。为迎接挑战、抢抓机遇，如何根据我国特色自主开发应用渗碳齿轮钢已是我国钢铁和汽车制造企业的一个重要课题。

1   国外汽车渗碳齿轮钢现状

    渗碳齿轮钢作为要求较高的汽车关键材料之一，其冶金质量不仅直接影响着车辆寿命、能耗等技术经济指标，而且对满足汽车安全、舒适及环保等要求也至关重要。国内外汽车用渗碳齿轮钢是在渗碳结构钢的基础上开发出来的，其中主要有Cr系、Mn-一Cr系、Cr—Mo系、Ni—Cr—Mo系、Ni—Cr系等，国际标准化组织ISO发布ISO／R683—11推荐标准中包括了13个合金渗碳齿轮钢号。目前世界各国设计渗碳齿轮钢的侧重点不同，但都基本上遵循以下技术要求：

  (1)足够的心部淬透性和良好的渗层淬透性，确保齿轮渗碳淬火时渗层和心部出现过冷奥氏体分解产物；

  (2)齿轮渗碳淬火后变形小，免去或减少齿轮的磨削加工，降低生产能源消耗和汽车运行时的噪声。

  (3)良好的成形性，包括热塑性变形成型，冷塑性变形成型和切削加工成形，能耗小，精度高，模具和刀具损耗小。

  (4)良好的可热处理性，包括毛坯正火(或退火)和产品渗碳淬火，在保证获得要求的性能和纤维组织的前提下，降低能耗、缩短生产周期。

    日本JIS标准中规定了19种渗碳齿轮钢牌号，应用最多的主要是Cr系和Cr-Mo系齿轮

钢。Cr系大多用于轿车、轻型商用车和中型商用车变速箱齿轮，代表钢号有SCr420、SCr415。

Cr-Mo系中含Mo量较低的齿轮钢SCM420等主要用于中型商用车变速箱齿轮和轻型商用车

后桥主从动齿轮，含Mo量较高的SCM822用于中型商用车后桥主从动齿轮。重型商用车后桥齿轮要求具有较高的淬透性和良好的心部韧性，多采用Ni—Cr-Mo系齿轮钢，如SNCM420、SNCM415等。

    美国的轿车、轻型商用车变速齿轮以Mo钢4023、4027以及Cr—Mo系4118为主，中型商用车变速箱以及后桥齿轮多采用含镍较低的Ni—Cr一Mo系8620、8720以及Cr—Mo系4118。重型商用车后桥齿轮采用Ni—Cr-Mo)系含镍较高的4320和含Mo较高的8822。个别重型商用车轮也采用Ni—Cr—Mo—B齿轮钢94B1 7。

    德国1986年发布渗碳齿轮钢标准中共列出19个钢号。德国轿车、轻型商用车齿轮以Cr－Mn系为主，其中16MnCr5、20MnCr5等，中型商用车以Cr—Mn系和Cr-Mo系为主，有15CrM05、20CrMc)5等，重型商用车采用含镍较高的Ni—Cr－Mo系17CrNiM06H和Ni～Cr系的18CrNi8等。

国外汽车用渗碳齿轮钢体系比较完整，可针对不同零件选择相应的齿轮材料。钢铁企业通过技术革新，采用先进的钢包二次精炼、成分微调、连铸以及计算机模拟等技术，保证渗碳齿轮钢对材料强度、塑性和韧性的要求，同时满足汽车生产厂商对渗碳齿轮钢淬透性带、纯净度和细晶粒度的特殊要求。表1列出了国外部分渗碳齿轮钢的化学成分及技术要求。

由上述可以看出，国外齿轮钢的技术要求比我国目前齿轮钢的技术要求高一个档次，主要表现为：

 (1)化学成分要求严格，特别是对Ti、Si、Al、S含量有严格要求；

 (2)淬透性带较窄，轿车齿轮钢淬透性一般要求在6HRC以下，(甚至3HRC～4HRC)，并要求做全带控制；

  (3)为提高齿轮疲劳寿命，进一步提高钢的纯净度，严格控制钢的氧含量，要求ω(O)≤(15～20)×10^-6，有的甚至控制ω(O)≤9×10^-6。

2   国内汽车渗碳齿轮钢现状

随着我国汽车工业的发展，汽车用渗碳齿轮钢体系已经发生了很大的变化，以原苏联引进的20CrMn Ti钢和我国开发的20MnVB钢占统治地位的渗碳齿轮钢格局已经被打破。自20世纪80年代中期开始，我国陆续从美、法、德、英、日、意等国引进大量齿轮钢并进行国产化试制，其钢材牌号有16MnCr5、20MnCr5、25MnCr5、28MnCr5、ZF6、ZF7、ZF7B、ZFl、ZFlA、SCM420、SCM822、HSMnCB420、SAE4320、SAE8620、16CrNi4、19CrNi5和21CrNiMo5等。在高速重载齿轮方面，根据国外主要钢号的成分和性能，选择原有国产钢号及少量仿制钢号进行对比，经改进后实施国产化研究试验的钢号有20CrMnMo、20CrNi2Mo(对应SAE4320和SNCM420)；20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W、17Cr2Ni2Mo(对应17CrNiMo)6)；15CrNi3Mo(对应SAE9315和En360)；25Cr2MoV(对应31CrMoV9)。这些钢种已经逐渐成为我国的渗碳齿轮用钢。20MnVB齿轮钢热处理变形不易控制，工艺性能不稳定，现已被逐渐淘汰。对于20CrMnTiH而言，由于该钢中使用了低廉的Cr、：Mn合金元素，材料价格相当便宜，并且晶粒长大趋向比较小，冷热加工工艺也相当成熟，在我国相当长的时间内还会占据主导地位。据统计，2000年我国生产的齿轮钢约为48万t，其中20CrMrlTi约12万t，20CrMnTiH约为16万t，两者占齿轮钢年产总量的58％。20CrMnTi冶炼过程中容易生成“TiN”菱形夹杂物，在使用过程中“TiN”菱形夹杂物容易成为裂纹源，引起齿轮的早期失效，降低零件疲劳寿命，

因而，20CrMnTi也将是被淘汰的钢种。表2列出了我国部分种类渗碳齿轮钢及其用途。其中Cr系、Cr-Mo系齿轮钢在我国的应用已经非常广泛，大多用于轻型、中型商用车的变速箱齿轮和后桥齿轮，钢号如SCr420H、SCM420H、SCM822H等。轿车工业的迅速发展，为我国Mn—Cr系列齿轮钢的开发注入了活力，Mn-Cr系列齿轮钢已经成为国内主要的轿车齿轮用钢，桑塔纳、捷达、富康轿车多采用Mn-＆系列齿轮钢。随着中国大吨位重型商用车的研发，重载后桥齿轮和变速箱齿轮要求齿轮材料具有较高的淬透性以及较高的心部韧性，这一需求推动了Mn－Cr—B系、Ni－Cr－Mo系齿轮钢的发展，斯太尔变速箱齿轮多为Mn—Cr－B系齿轮钢。东风汽车公司和第一汽车制造厂开发的大吨位重型商用车后桥采用Ni-Cr-Mo系齿轮钢，目前正处于实验阶段。

  我国汽车企业大多数与国外大型汽车厂商进行合作，各企业均按照各自引进的渗碳齿轮钢牌生产汽车零件，独立进行渗碳齿轮钢的国产化研究，在中国形成了多个国家不同渗碳齿轮钢牌号并存的局面。由于我国的冶金技术水平比较落后，近年来，国内齿轮钢生产企业引进了大量的先进生产设备，以提高渗碳齿轮钢质量，来满足国内汽车工业对渗碳齿轮钢性能的需求，但由于技术创新不足以及对国外先进冶金技术还没有完全掌握，生产的渗碳齿轮钢淬透性控制还不稳定，纯净度和夹杂物形态的控制尚未达到国外水平。

3渗碳齿轮钢发展方向

在正常的生产和使用条件下，渗碳齿轮的主要失效形式是弯曲疲劳断裂和齿面接触疲劳损伤。研究表明，渗碳齿轮的弯曲疲劳抗力随着强度的提高而增加，也随着残留压应力的加大、钢中夹杂物的尺寸数量和杂质含量的减小以及纤维组织和晶粒均匀、细小而增大，影响这些参数的主要因素是钢材的冶金质量和渗碳、淬火、回火工艺，而不是钢中所含合金元素的种类和数量因此，高纯净度、窄淬透性以及细晶粒度依然是汽车渗碳齿轮钢发展的主要方向。

随着汽车市场竞争的日益激化，汽车零件用钢的发展应该是在稳定可靠地保证零件使用寿命的前提下，力求降低成本，包括钢材的价格和加工处理费用。为此，渗碳钢将向价格低的低合金钢、微合金钢方向发展，以利用廉价的多元铁合金和废钢中的合金元素，用多元少量的合金化方式来保证达到某一淬透性要求，而不是以某种合金元素的含量为标准。

 我国的Cr和Mn元素储量十分丰富，价格非常低廉，作为经济型钢种，Mn－Cr钢、Mn-Cr-B钢在我国的发展前景十分广阔，Mn-Cr钢添加B可提高材料淬透性，强化晶界，也能满足汽车较大模数的齿轮对淬透性的要求，他们将来有可能成为替代Mn—Cr—Ti钢的主要钢种。

Cr一Mo钢作为高强度齿轮钢，其淬透性较高，可在大模数齿轮心部得到强韧性较好低碳马氏体组织，Cr-Mo钢在商用车上的应用会越来越好，Cr-Mo钢中添加Ni元素可提高齿轮的塑性和韧性，特别是渗碳层韧性，并使钢的淬透性也可提高，将是重载齿轮用钢的发展方向；

同样通过降低齿轮钢中的氧含量，提高钢的纯净度，会使齿轮疲劳寿命大幅度提高。因此，高纯净齿轮钢的发展也是齿轮钢发展方向之一。还有窄淬透性带齿轮钢以及易切削齿轮钢等也将是发展的方向。

4结语

渗碳齿轮钢是汽车上的重要结构零件。其材料开发及应用现状，从某个侧面反映了国内钢铁生产企业在优质合金钢开发方面的问题与用户的困惑。国内相关企业应该借鉴国外先进经验与技术，开发应用适合我国国情的新齿轮钢材料。

 (1)发达国家制造汽车渗碳齿轮早已淘汰了

目前国内仍大量使用的20CrMnTi钢种，而广泛使用Mn—Cr系、Ni—Cr－Mn系、Cr系、Ni—Cr系等钢种。结合我国自身材料技术的特点，宜在我国加强开发并推广使用Mn—Cr系、Mn—Cr—B系低碳微合金齿轮钢材料。

 (2)降低齿轮钢中的氧含量，提高钢的纯净度，能大幅度提高齿轮疲劳寿命。高纯净齿轮钢、窄淬透性带齿轮钢以及易切削齿轮钢等应为国内齿轮钢的发展方向。