汽车动态传动系统高性能、低噪声是经济发展的方向，随着社会的发展，人们对汽车性能和驾乘舒适性的需要越来越高。齿轮钢是特殊合金钢的核心，它是确保汽车动态传递枢纽和行车安全的关键部分，所以材料质量对齿轮质量的影响越来越受到人们重视。材质的质量不高，不仅对齿轮的热处理工艺有一定的影响，而且对齿轮的疲劳寿命和加工精度也有直接的影响。由于含氧制约齿轮疲劳寿命，淬透性带宽对齿轮的热处理变形量有较大的影响，从而引起噪声大，晶粒粗大均匀性差，从而制约齿轮性能稳定。这三种主要因素对齿轮的高品质有很大的影响，是我国汽车齿轮发展中亟待解决的问题。
一、齿轮钢生产技术措施分析
我国齿轮钢生产厂家仍旧在使用(UHP)EAF+LF+ VD+CC 及连轧的工艺手段，工艺装备已经满足了国际先进标准，且钢材的氧质量分数通常在 20×10-6 之下， 最低标准在 12×10-6，淬透性带宽有一定优势的钢厂能够将其控制在 J9≤6(HRC)，晶粒度大于等于 8 级。因为废钢比较欠缺，因此电量的费用提升，通过转炉冶炼特殊钢在成本上更具优势，且对于产品质量有较好的促进作用。近几年我国部分转炉钢厂已经开始应用转炉生产特殊钢技术实施生产汽车用齿轮钢。随着汽车齿轮钢的应用范围越来越广，其技术手段也从传统模式转变为转炉—连铸—热轧流程，这也是在国际上应用非常广泛的技术之一。优势在于其单炉次批量大，且残 余元素质量的分值较低，稳定性高，淬透性带较窄，有较低的生产成本，比较适合生产纯净钢。如江阴兴澄钢铁有限公司生产 Mn-Cr 系窄淬透带齿轮钢，采用 40 t 电弧炉-LF(VD)-180 mm×180 mm 连铸工艺生产：w[C] 0.27%~0.03%；w[Mn]0.73%~0.76%，w[Cr]0.90%~ 0.94% 的 MnGr5 齿轮钢刚，这种钢齿轮中含氧的质量指数为 (7~13)×10-6，经检验其成品材料高低倍组织较好。江阴兴澄系齿轮钢非金属夹杂物评级结果等级如表 1 所示。
表1 江阴兴澄Mn-Cr系齿轮钢非金属夹杂物评级结果/级
宝钢集团特殊钢分公司生产齿轮钢工艺流程：直流电弧炉—钢包精炼炉—精炼炉—五机五流连铸机—热乱—火成材—检验入库。宝钢集团特殊钢 20CrMnTi 钢轧材各项性能实际水平如表 2 所示。
表2 宝钢集团特殊钢20CrMnTi钢轧材各项性能实际水平
二、汽车齿轮钢性能研究分析
日本汽车齿轮钢性能
日本的钢铁技术无论在开发还是在管理上都位于世界的顶端，尤其是在对产品质量的控制上非常重视，这也对炼钢和轧制方面起到了较好的控制作用。在技术方面，日本以高级钢和特殊钢技术领先于全球，日本开发出的冷锻和真空技术进行齿轮的制作，不仅减少了齿轮的用钢量，还降低了其对环境的污染。不仅如此，其还开发了 KSG 系列技术用于冷冻齿轮钢。这使得冷冻齿轮钢的产品硬度加强，且延长了金属模具的使用寿命，实现了高强度的齿轮用钢。
中国汽车齿轮钢性能
相对于日本来说，中国的齿轮钢生产水平虽然已经上升了，虽然在短短的几十年内已经达到了国际标准水平。但是相对于日本和德国来说，在齿轮钢性能方面仍旧存在一定的差距。我国的齿轮钢使用寿命仅有日本齿轮钢使用寿命的 50%，这表示我国出产的齿轮钢产品能耗较大，且劳动生产率较高，尤其是在带状组织的控制上我国轧制技术仍旧处于低端水平，冷却手段较低，无法对齿轮钢的轧制过程进行细化处理，细化问题成为了我国齿轮钢轧制的主要问题。主要体现在其在轧制过程中无法保障疏松度以及芯部的范围。致使在后期的加工时零件加工变形情况频发，造成这种问题的主要原因还在于我国的齿轮钢并未形成系统化的生产规模，且产品标准相对落后，在钢种的选择上存在一定的惰性，应用范围较低。
汽车齿轮钢性能的差异
国外钢的淬透性带宽已经达到 4 HRC，而我国在 6~8HRC 左右，且稳定性差，散差大;汽车齿轮钢的纯净度上，我国生产的齿轮钢在(15~25)×10-6 超低氧水平以下，而日本已经能够控制在(10~5)×10-6 超低氧水平以下，没有控制在(7~18)×10-6 超低氧水平以下。可见，从纯净度的角度来看，我国汽车齿轮钢缺乏弥散度，分布不均匀，有大颗粒杂质出现的可能性。在颗粒度性能的要求上，我国晶粒度级别在 5~8 左右，而日本的晶粒度要求在 6 级以下，并且开发了低硅抗晶界氧化渗碳钢系列，能够使得齿轮钢的氧化程度降到 5 μm，炼钢的工艺也存在一定的差异。现阶段我国的齿轮钢管主要钢体仍旧为 20GrMnTi，这种钢体的钛含量非常高，容易出现大块的 TiN 杂质，形状容易改变，不仅影响齿轮钢的精度，也降低了齿轮钢的使用寿命。含钦量不同时奥氏体晶粒度倾向如图 1 所示。
图1 含钦量不同时奥氏体晶粒度倾向
三、汽车齿轮钢的应用实践探讨
常用汽车齿轮钢种类
我国常用汽车齿轮钢种类有 20CrMnTiH、20CrMoH、20CrMnMoH、22CrMoH。因为渗碳齿轮钢表面硬度和心部韧性较高，所以渗碳钢是汽车齿轮钢的主要原料。
汽车齿轮钢的生产控制技术
淬透性的控制： 汽车齿轮钢的淬透性控制方法如下：按照齿轮产品的目标，对淬透性目标元素值进行确定，按照齿轮淬透性带宽的需求，确定各个元素内部的可控范围，满足齿轮淬透性的需求。通过残余元素的控制，保障淬透性带宽在可控范围内。在此基础上，保障各个炉次化学成分一致，控制钢的化学成分分析也是淬透性带宽的关键因素。
纯净度控制：上文提到，纯净度是齿轮钢的性能评价指标之一， 在汽车的齿轮钢应用实践过程中其也是重要的指标，对齿轮寿命有直接的影响，因此要求较为严格。如，某国外汽车厂对20MnCrSS 齿轮钢的纯净度要求如下：
按 JK 法评定，细系、粗系分别为：
A≤2.0、B≤2.0、C≤1.0、D≤1.0;
按 DIN50602 中 K 法评定，
17<d≤35 K3（O）≤35
35<d≤70 K4（O）≤30
70<d≤140 K4（O）≤40
汽车齿轮钢冶炼工艺流程：转炉(或电弧炉)冶炼— LF 精炼—VD(或 RH)真空脱气—连铸。
氧含量及氧化物夹杂的控制：氧含量及氧化物夹杂的控制过程中，将含碳量控制在高于 0.08%的范围内，确保钢水不会被氧化，将最开始的钢液含量降低。出港之后进行铝元素的添加，数量要充足，这样做的目标就是为了降低氧化现象，保障钢液的含量数值在合理范畴内，避免精炼时出现脱氧现象，将脱氧物质的上浮时间升级。利用预熔精炼渣进行炉外精炼，与此同时，通过科学的手段将其控制在合理范畴内，实现精炼钢的生成，强化脱氧的功效。保障真空脱气实效与范畴在可控范围内，将钢中的氧气含量降低，精炼、真空脱气过程中必须进行搅拌和吹氢，按照阶段的不同，确定每隔阶段氢气的不同流量，找到合适的方式判别精钢界面的一系列反应，使悬浮物向上。连铸的防控重点在于密封，必须在密封的环境下浇筑，谨防钢水有二次氧化现象出现，在这一过程中使耐材侵蚀下降，出现钢水化学反应。
残余元素的控制：若是钢里面有残余元素，并且元素的含量较高，不仅会使得齿轮的寿命降低，严重时还会导致齿轮报废，如钢中 Ti 含量偏高，便会出现大颗粒，且含有棱角 TiN 夹杂，这会降低齿轮的使用实效。与此同事，裂纹倾向也会对齿轮造成严重影响，如钢中的 Sn，Cu 等，均会降低齿轮的使用时间。
晶粒度控制
晶粒度的控制通常通过添加 Al、Ti、Nb、V 等一定量的晶粒细化元素来实现。国外汽车对齿轮钢的 Ti 含量都有严格的控制，因为 Ti 极易与钢中的 N 结合生成对齿轮疲劳寿命有害的 TiN。
汽车用齿轮钢的晶粒度控制通常是以钢中的 A1(酸溶铝)与 N 结合产生微小弥散的 A1N 为原理，使晶粒细化，通过加入适量的铝达到晶粒度控制的目的。钢的晶粒度在钢中 A1 含量在 0.020%以上时明显变细。因此，控制晶粒度的必要条件是控制钢中适宜的 A1 含量 和 N 含量。对于汽车用齿轮钢的 Al，N 含量和 Al/N 值 等指标，国外高端汽车企业都会有一定的要求。精炼结束后，通常以喂丝线的方式进行调整，以求稳定、准确地控制钢中的 Al、N 含量。通过 A1 细化，确保钢材中的 Al 含量在合理范围内，N 含量是保证细晶的关键，在现实中产品晶粒细化还需要进行轧制、锻造、热处理工艺，是不是可以达到 A1N 溶出、析出的相关条件，和轧制的实际有关，和锻造、热处理工艺也有关系。
带状组织及偏析的控制
连铸过程控制低的钢水过热度： 从凝固学原理可知，过热提升，钢水凝固中的元素偏析会加重。因此，有必要对低钢水过热的现象进行控制，才能改善偏析现象。但若过热过低，不但连铸浇灌钢水困难，对去除钢水中的夹层杂物也是一件很不利的事情。根据经验，在 1530℃条件下控制齿轮钢的连续铸件过热更为适宜。
连铸二冷强度的控制： 加大冷却速度，能减少偏析，使带状组织得到改善。但过快的冷却速度会使连体坯体表面或内部出现裂纹，所以应控制在适宜的水平上进行二次冷却。
电磁搅拌：电磁搅拌可促进钢液内部成分更为均衡，铸坯偏析的改进效果较好。不过，因为电磁搅拌所需的强度过大，其和拉速之间适应性问题有待提升，一旦适应效果不佳，便会出现白亮带，因此要科学的调控强度和拉速，将两者控制在合理范围内。
连铸坯型的选择：偏析圆坯比方坯好。因此，在生产汽车上使用齿轮钢坯，通过会考虑需要使用圆坯，生产选用长方形钢坯时，其压缩比要大得多，从而降低了原有的偏析造成不利的影响。较大程度的断面铸坯与小尺寸的断面连铸坯程度不同，断面越大铸坯偏析越严重。所以，在控制偏析方面，必须选择具有小尺寸断面的连铸坯，以确保轧制压缩比的满足。
连铸坯加热的控制：增加连铸坯的加热温度，使得连铸坯的加热时间延长，有助于显著地缓解偏析和带状组织的程度。
四、汽车齿轮钢的未来发展展望
未来汽车的高性能和轻型化是必然发展趋势，在这一趋势下需要大力开发淬透性带窄的齿轮钢、超低氧渗碳钢、低晶界氧化层渗碳钢、超细晶粒渗碳钢、高温抗软化渗碳钢、易切削齿轮钢、冷锻齿轮用钢等。
随着未来汽车高性能、轻型化的快速发展，应确保齿轮钢具有良好的淬透性，在钢水冶炼中要提高纯净度。具体技术手段有如下：增加纯净度、降低合金在渗碳层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、加强对残余应力的喷丸表面强化技术的发展与应用。同时必须加强对高强度、高经济性和新型齿轮钢的研究，开发可用于新型齿轮钢的易切割钢材，开发低硫和控制硫化物形态的多元易切削钢，这些是未来的重要发展方向。
五、结语
综上所述，为了适应高质量齿轮对生产材料的高要求，需要发展高纯净度、窄淬透带、细晶粒钢等技术。目前高质量齿轮用钢技术亟待引起人们的重视，本研究在考察齿轮钢技术和性能的基础上，结合实践提出了相关技术指南，具有重要的现实意义。
参考文献略