我國(guó)中重型載貨汽車齒輪用鋼牌號(hào)較多，主要是為適應(yīng)引進(jìn)當(dāng)時(shí)國(guó)外先進(jìn)汽車技術(shù)的要求。50年代我國(guó)從原蘇聯(lián)里哈喬夫汽車廠引進(jìn)當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)中型載貨汽車(即“解放”牌原車型)生產(chǎn)技術(shù)的同時(shí)，也引進(jìn)了原蘇聯(lián)生產(chǎn)汽車齒輪的20CrMnTi鋼種。
改革開(kāi)放以后，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，為了滿足我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展需要，從80年代開(kāi)始，我國(guó)有計(jì)劃地引進(jìn)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的各類先進(jìn)機(jī)型，各類國(guó)外先進(jìn)中重型載貨汽車也不斷引進(jìn)。同時(shí)，我國(guó)大汽車廠同國(guó)外著名汽車大公司進(jìn)行合作，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)汽車生產(chǎn)技術(shù)，其中包括汽車齒輪的生產(chǎn)技術(shù)。與此同時(shí)，我國(guó)鋼鐵冶煉技術(shù)水平也在不斷提高，采用鋼包二次冶煉及成分微調(diào)和連鑄連軋等先進(jìn)治煉技術(shù)，使得鋼廠能生產(chǎn)出高純凈度、淬透性能帶縮窄的齒輪用鋼材，從而實(shí)現(xiàn)了引進(jìn)汽車齒輪用鋼的國(guó)產(chǎn)化，使我國(guó)齒輪用鋼的生產(chǎn)水平上了一個(gè)新臺(tái)階。近年來(lái)，適合于我國(guó)國(guó)情的國(guó)產(chǎn)重型汽車齒輪用含鎳高淬透性能鋼也得到了開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，取得了較好效果。汽車齒輪的熱處理技術(shù)也從原50-60年代采用井式氣體滲碳護(hù)發(fā)展到當(dāng)前普遍采用由計(jì)算機(jī)控制的連續(xù)式氣體滲碳自動(dòng)線和箱式多用爐及自動(dòng)生產(chǎn)線(包括低壓(真空)滲碳技術(shù))、齒輪滲碳預(yù)氧化處理技術(shù)，齒輪淬火控制冷卻技術(shù)(由于專用淬火油和淬火冷卻技術(shù)的使用)、齒輪鍛坯等溫正火技術(shù)等。這些技術(shù)的采用不僅使齒輪滲碳淬火畸變得到了有效控制、齒輪加工精度得到提高、使用壽命得到延長(zhǎng)，而且還滿足了齒輪的現(xiàn)代化熱處理的大批量生產(chǎn)需要。
有關(guān)文獻(xiàn)指出，汽車齒輪的壽命主要由兩大指標(biāo)考核，一是齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度，二是齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度。前者主要由滲碳淬火質(zhì)量決定，后者主要由齒輪材料決定。為此，有必要對(duì)汽車齒輪用滲碳鋼的要求、性能及其熱處理特點(diǎn)有一個(gè)較全面的了解。
鉻錳鈦鋼和硼鋼
長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)載貨汽車齒輪使用最普遍的鋼種是20CrMnTi。這是上世紀(jì)50年代我國(guó)從原蘇聯(lián)引進(jìn)的中型的汽車齒輪18XTr鋼種(即20CrMnTi鋼)。該鋼晶粒細(xì)，滲碳時(shí)晶粒長(zhǎng)大傾向小，具有良好的滲碳淬火性能，滲碳后可直接淬火。文獻(xiàn)指出，在1980年以前，我國(guó)的滲碳合金結(jié)構(gòu)鋼(包括20CrbinTi鋼)在鋼材出廠時(shí)只保證鋼材的化學(xué)成分和用樣品測(cè)定的力學(xué)性能，但是在汽車生產(chǎn)時(shí)常常出現(xiàn)化學(xué)成分和力學(xué)性能合格的鋼材，由于淬透性能波動(dòng)范圍過(guò)大而影響產(chǎn)品質(zhì)量的情況。例如若20CrMnTi滲碳鋼的淬透性過(guò)低，則制成的齒輪滲碳淬火后，心部硬度低于技術(shù)條件規(guī)定的數(shù)值，疲勞試驗(yàn)時(shí)，齒輪的疲勞壽命降低一半；若淬透性能過(guò)高，則齒輪滲碳淬火后內(nèi)孔收縮量過(guò)大而影響齒輪裝配。
由于鋼材淬透性能對(duì)輪齒心部的硬度和畸變都有極其重大的影響，1985年冶金部頒布了我國(guó)的保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件(GB5216-85)，在此技術(shù)條件中列入了包括20CxMnTiH、20MnVBH鋼在內(nèi)的10種滲碳鋼的化學(xué)成分、淬透性能數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：用于制造齒輪的20CrMnTi鋼的淬透性能指標(biāo)為距水冷端9咖處的硬度為30-42HRC。在此之后，采用20CrMnTi鋼生產(chǎn)齒輪的齒心部硬度過(guò)低和畸變過(guò)大的問(wèn)題基本上得到了解決。但是不管齒輪模數(shù)大小和鋼材截面粗細(xì)均采用同一鋼號(hào)20CrMnTi鋼顯然是不合理的。近年來(lái)，由于我國(guó)鋼材冶煉技術(shù)水平的提高以及合金結(jié)構(gòu)鋼供應(yīng)情況的改善，已經(jīng)有條件把齒輪鋼的淬透性能帶進(jìn)一步縮窄，并根據(jù)不同產(chǎn)品(如變速器齒輪與后橋齒輪等)的要求開(kāi)發(fā)新的鋼種以滿足其要求。
通過(guò)與鋼廠協(xié)商，1997年長(zhǎng)春一汽先后與生產(chǎn)齒輪鋼廠的生產(chǎn)廠家簽定了將20CrMnTi鋼淬透性能分擋供應(yīng)的協(xié)議，例如“解放”牌5t載貨汽車上用于制造截面尺寸較小的變速器第一軸、中間軸齒輪和截面尺寸較大的后橋主、從動(dòng)圓錐齒輪用20CrMnTiH鋼淬透性能組別分別為I和Ⅱ，對(duì)應(yīng)淬透性能分別為J9：30—36HRC和J9＝36～42HRC。
1960年前后，由于我國(guó)鎳、鉻鋼的供應(yīng)緊張，影響了我國(guó)含鎳、鉻鋼材的生產(chǎn)。而當(dāng)時(shí)我國(guó)的汽車工業(yè)是從原蘇聯(lián)引進(jìn)的技術(shù)，蘇聯(lián)大量應(yīng)用含鎳、鉻的鋼材。因此，當(dāng)時(shí)我國(guó)汽車工業(yè)大力發(fā)展了硼鋼的開(kāi)發(fā)、研制工作，用20MnVB和20Mn2TiB鋼代替20CrMnTi滲碳鋼制造齒輪。這是因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)鋼中加入微量硼(0.0001%-0.0035%)可以顯著地提高鋼材的淬透性能，因此鋼中加入微量硼可以代替一定數(shù)量的錳、鎳、鉻、鉬等貴重合金元素，因而硼鋼得到廣泛的應(yīng)用。長(zhǎng)春一汽曾在“解放”牌汽車齒輪生產(chǎn)中使用過(guò)20MnTiB和20Mn2TiB鋼。
東風(fēng)汽車公司生產(chǎn)的“東風(fēng)”牌5，載貨汽車變速器和后橋齒輪分別采用20CrMnTi和20MnVB鋼制造。同樣，也與鋼廠簽定了把鋼材淬透性能帶縮窄并分檔供應(yīng)的協(xié)議。變速器和后橋主、從動(dòng)圓錐齒輪用鋼分別為20CrMnTiH(3)和20MnVBH(2)、20MnVBH(3)，對(duì)應(yīng)淬透性能分別為J9＝32～39HRC和J9＝37～44HRC、J9＝34～42HRC。
我國(guó)綦江齒輪廠引進(jìn)了德國(guó)公司的重型汽車變速器齒輪生產(chǎn)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)按德國(guó)Ⅲ公司的標(biāo)準(zhǔn)試制了該公司的Cr-Mn-B系含硼齒輪鋼獲得成功。其齒輪材料的淬透性能為J10＝31～39HRC
當(dāng)然，20CrMnTi鋼及20MnTiB鋼、20MVB鋼等含硼鋼也存在不足。一般認(rèn)為20CrMnTi等滲碳鋼是本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，滲碳后晶粒不會(huì)租化，可直接淬火。但實(shí)際上由于鋼材冶煉質(zhì)量的影響，常常在正常條件下發(fā)生晶粒粗化現(xiàn)象。對(duì)多批材料的實(shí)際晶粒度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相當(dāng)部分實(shí)際晶粒度只有2—3級(jí)(930℃保溫3h條件下)。文獻(xiàn)認(rèn)為，20CrMnTi由于Ti含量較高，鋼中TiN夾雜物多，尤其是大塊的TiN夾雜是齒輪疲勞時(shí)的疲勞源，它的存在會(huì)降低齒輪的接觸疲勞性能。這種夾雜物呈立方結(jié)構(gòu)，受力時(shí)易發(fā)生解理開(kāi)裂，導(dǎo)致齒輪早期失效。另一個(gè)問(wèn)題是該鋼的淬透性能有限，不能滿足大直徑大模數(shù)齒輪的要求，滲碳有效硬化層深度和心部硬度均不能滿足重型齒輪的要求。此外，在熱處理過(guò)程中20CrMnTi鋼易產(chǎn)生內(nèi)氧化和非馬氏體組織而降低齒輪的疲勞壽命。但目前在我國(guó)齒輪滲碳鋼中還沒(méi)有哪一種鋼在滲碳工藝上有20CrMnTi鋼這樣成熟和可靠。所以，它仍是目前國(guó)內(nèi)使用最普遍的滲碳鋼種。20MnVB、20MnTiB和20Mn2TiB等硼鋼也存在一些缺點(diǎn)，如在冶煉時(shí)由于脫氧去氮不好而使硼不能起到增加淬透性能的作用，因此，使硼鋼的性能不穩(wěn)定，滲碳淬火后的齒輪畸變?cè)龃蠖绊懏a(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí)由于混晶和晶粒易于粗大，致變形不易控制和韌性較差，且硼鋼齒輪根部易產(chǎn)生托氏體組織和碳氮共滲齒輪的黑網(wǎng)、黑帶。因此，目前很多工廠中止使用該鋼種。然而，決不能就此得出硼鋼不適宜作齒輪滲碳鋼的結(jié)論。含硼的滲碳鋼在國(guó)外還有使用。例如，德國(guó)著名的Ⅳ齒輪廠，一直使用由其本廠擬訂的保留鋼種ZF7，這是一種含硼的低碳鉻錳鋼。該鋼主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為0.15～0.20C，0.15～0.40S，1.0～1.3Cr，1.0～1.3Mn，0.001～0.003B。美國(guó)汽車變速器齒輪和后橋主、從動(dòng)齒輪有的也采用含硼滲碳鋼，如50B15、43BVl4和94B17。因此，只要鋼廠冶煉技術(shù)跟上去，硼鋼的上述問(wèn)題是能夠解決的。
20CrMnTiH、20MnVBH和20MnTiBH鋼齒輪鍛坯在連續(xù)式等溫正火爐內(nèi)進(jìn)行處理可以保證得到均勻分布的片狀珠光體+鐵素體。這樣可以使齒輪的熱處理畸變大大減小，使齒輪的精度提高，使用壽命延長(zhǎng)。
齒輪鍛坯等溫正火硬度為156～207HB。
鉻錳鉬鋼和鉻鉬鋼
22CrMnMo、20CrMnMoH和20CrMoH鋼由于有著較高淬透性而用于中型汽車齒輪。此類鋼可采用滲碳后直接淬火工藝。由于鉻錳鉬鋼和鉻鉬鋼中含有鉻和鉬等形成碳化物的元素，在滲碳過(guò)程中將促使輪齒表面碳含量增加，容易在滲碳層組織中出現(xiàn)大量碳化物，使?jié)B碳層性能惡化。因此，齒輪采用鉻錳鉬鋼和鉻鉬鋼滲碳時(shí)，宜采用弱滲碳?xì)夥眨苑乐剐纬蛇^(guò)量碳化物。22CrMnMo和20CrMnMoH齒輪鍛坯正火后在650～670℃進(jìn)行高溫回火處理，金相組織為細(xì)片狀珠光體+少量鐵素體，硬度為171～229HB。20CrMnH齒輪鍛坯最好在連續(xù)式等溫正火爐中處理，935～945℃加熱，640～650℃先預(yù)冷后等溫，可獲得均勻的鐵素體+珠光體組織，硬度為156～207HB。文獻(xiàn)指出，20CrMoH鋼冶煉工藝穩(wěn)定，淬透性帶較窄且易于控制，與20CrMnTi鋼齒輪比較，具有熱處理畸變??；滲層有良好、穩(wěn)定的淬透性；金相組織、滲碳淬火后的表面和心部硬度，均能較好地滿足技術(shù)要求；疲勞性能好，比較適合汽車中小模數(shù)齒輪。綜合考慮齒輪的服役條件，既保證齒輪的疲勞壽命，又減少齒輪的熱處理畸變，在用以制造變速箱齒輪時(shí)應(yīng)為J9＝30～36HRC，用以制造后橋齒輪時(shí)應(yīng)為J9＝37～42HRC。
國(guó)外先進(jìn)汽車齒輪用鋼的國(guó)產(chǎn)化
隨著國(guó)外先進(jìn)車型的引進(jìn)，各種齒輪鋼的國(guó)產(chǎn)化使我國(guó)的齒輪鋼水平上了一個(gè)新臺(tái)階。目前，德國(guó)的Cr-Mn鋼，日本的Cr-Mo系鋼，和美國(guó)的SAE86鋼滿足了中小模數(shù)齒輪用鋼。國(guó)產(chǎn)載貨汽車齒輪有的采用美國(guó)牌號(hào)SAE8822H鋼，如8t和10t橋用圓錐齒輪采用SAE8822H，該鋼主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為0.19～0.25C，0.70～1.05Mn，0.15～0.35Si，0.35～0.75Ni，0.35～0.65Cr，0.30～0.40Mo。文獻(xiàn)認(rèn)為，控制淬透性是解決齒輪畸變問(wèn)題的關(guān)鍵。為減少畸變應(yīng)選用Jominy淬透性帶寬在4HRC以下的H鋼。采用H鋼的齒輪熱處理后精度(接觸區(qū))比普通鋼高70%～80%，使用壽命延長(zhǎng)。因此，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家先后規(guī)定了滲碳合金結(jié)構(gòu)鋼的淬透性帶。根據(jù)需要將淬透性帶限制在很窄的范圍(4～5HRC)。1)在德國(guó)訂貨時(shí)，可以要求鋼材的淬透性能在給定的范圍內(nèi)，也可以要求縮窄淬透性能的鋼材。17CrNiM06非常適合制造大模數(shù)重負(fù)荷汽車齒輪，該鋼主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為0.15～0.20C，0.40～0.60Mn，1.50～1.80Cr，0.25～0.35Mo，1.40～1.70Ni。此鋼在我國(guó)已開(kāi)始生產(chǎn)和使用。文獻(xiàn)認(rèn)為，在17CrNiM06鋼齒輪滲碳過(guò)程中，在適當(dāng)降低滲碳后期碳勢(shì)的同時(shí)加快滲碳后的冷卻速度，由空冷改為風(fēng)冷，阻止大塊碳化物的形成，然后在630cC進(jìn)行高溫回火，以析出部分合金碳化物，為的是在820℃二次加熱淬火時(shí)減少殘留奧氏體量，最終獲得較好的金相組織。2)奧地利"Styer"重型汽車廠要求淬透性帶寬為7HRC。3)日本中重型貨車，如“日野”牌KB222型載重9t汽車和“日產(chǎn)”牌CKL20DD型載貨8t汽車的變速器齒輪及后橋齒輪廣泛采用Cr-Mo系鋼，如SCM420H和SCM822H鋼，相當(dāng)于我國(guó)國(guó)產(chǎn)化20CrMnMoH和22CrMoH鋼。
此類鋼具有較高的淬透性能。在一定范圍內(nèi)，齒輪的彎曲疲勞壽命隨著淬透性的增加而提高。文獻(xiàn)指出，長(zhǎng)春一汽開(kāi)始在生產(chǎn)“解放”牌9t載貨汽車后橋齒輪時(shí)，采用20CrMnTiH鋼，既使使用淬透性能為Ⅱ組的鋼材(J9＝36～42HRC)，熱處理后齒輪輪齒心部硬度也只有22～24HRC，達(dá)不到齒輪技術(shù)條件規(guī)定的要求，汽車在使用時(shí)，后橋主動(dòng)和從動(dòng)圓錐齒輪發(fā)生早期損壞。因此不得不選用淬透性能更高的Ct-Mo鋼，其主要成分參考日本的SCM822H齒輪鋼，該鋼材的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：0.19～0.25C，0.55～0.90Mn，0.15～0.35Si，0.85～1.25Cr，0.35～0.45Mo。經(jīng)與鋼廠協(xié)商，生產(chǎn)出了國(guó)產(chǎn)化的新鋼種22CrMoH鋼，其淬透性能指標(biāo)為J9＝36～42HRC，較好地滿足了汽車齒輪的使用要求。但是，該鋼的工藝性能較差，齒輪鍛坯要經(jīng)過(guò)等溫退火處理后才能進(jìn)行切削加工，硬度為156～207HB，金相組織為先共析鐵素體+偽共析珠光體。此鋼淬透性能較高，普通正火容易產(chǎn)生粒狀貝氏體，粒狀貝氏體的出現(xiàn)對(duì)切削加工極為不利，不僅使刀具的使用壽命大幅度下降，而且由于異常組織的出現(xiàn)，總是伴隨著金相組織的不均勻性，最終造成齒輪熱處理畸變的增大。4)近年來(lái)，美國(guó)汽車制造廠家力圖降低生產(chǎn)成本并提高零件的可靠性和耐久性，這就需要產(chǎn)品的幾何尺寸及力學(xué)性能的高度一致。對(duì)熱處理的零件要改善產(chǎn)品性能的一致性，必須降低零件淬火后硬度的分散程度，這就與鋼的淬透性能帶的寬窄程度有直接關(guān)系。齒輪心部硬度的一致性將減少熱處理的畸變，從而提高齒輪的精度，并使輪齒表層的殘余壓應(yīng)力分布更加均勻。美國(guó)載貨汽車變速器齒輪和后橋主動(dòng)圓錐齒輪用鋼有的采用SAE8620鋼和SAFA820鋼制造。美國(guó)SAE8620H、SAE8822H等牌號(hào)鋼在我國(guó)也已開(kāi)始生產(chǎn)(如寶鋼集團(tuán)上鋼五廠等)和使用，分別用于中型載貨汽車變速器齒輪和后橋圓錐齒輪。
國(guó)內(nèi)重型汽車齒輪用鋼
目前，我國(guó)齒輪鋼基本滿足使用和引進(jìn)技術(shù)過(guò)程國(guó)產(chǎn)化的要求，而重型車傳動(dòng)齒輪及中重型車的后橋齒輪用鋼，尚有待開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。根據(jù)國(guó)內(nèi)重型汽車的使用技術(shù)現(xiàn)狀分析，超載使用和路況較差這兩個(gè)問(wèn)題較為嚴(yán)重，而且短期內(nèi)無(wú)法克服，這就使齒輪經(jīng)常承受較大的過(guò)載沖擊載荷。過(guò)載沖擊載荷介于疲勞和斷裂應(yīng)力之間，它對(duì)齒輪使用壽命有很大影響，往往造成齒輪早期失效。從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，大模數(shù)重負(fù)荷汽車齒輪應(yīng)選擇Cr-Ni或Cr-Ni-Mo系鋼，如德國(guó)的17CrNiM06鋼最好，還有國(guó)產(chǎn)20CrNi3H、20CrNiMoH鋼。大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)世促進(jìn)了新型Cr-Ni-Mo系列齒輪鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。如新型齒輪用鋼20CrNi2Mo、17CrNiM06。一汽集團(tuán)某汽車改裝公司開(kāi)發(fā)了一種新型載貨汽車橋，其特點(diǎn)是匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的功率大。為保證齒輪的使用壽命，對(duì)齒輪的材料及質(zhì)量有了更高的要求，原采用22CrMoH鋼制成的后橋主動(dòng)圓錐齒輪在使用過(guò)程中出現(xiàn)早期失效，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象。在熱處理方面，由于齒輪材料熱處理工藝有時(shí)不夠穩(wěn)定，部分齒輪的有效硬化層不夠，齒輪心部和表面硬度偏低，這些都是導(dǎo)致齒輪早期失效的主要原因。而且，Cr容易形成晶間網(wǎng)狀碳化物，有損滲層力學(xué)性能。分析發(fā)現(xiàn)，齒輪輪齒心部硬度低時(shí)，過(guò)渡層塑性變形會(huì)引起滲碳層產(chǎn)生過(guò)高應(yīng)力，因而導(dǎo)致滲碳層形成裂紋，最后使整個(gè)輪齒斷裂。為此，根據(jù)“斯太爾”汽車橋后橋主動(dòng)圓錐齒輪使用20CrNi3H鋼的良好行車使用效果，應(yīng)確保齒輪的有效硬化層深度在1.8～2.2mm，齒輪輪齒心部硬度在38～45HRC，齒輪表面硬度在60～64HRC，碳化物在1～3級(jí)，馬氏體、殘留奧氏體在1～4級(jí)，這樣可使齒輪的使用壽命提高30%～40%。
