2.2　高強(qiáng)韌性齒輪鋼

齒輪鋼主要用于汽車、工程機(jī)械及機(jī)械制造業(yè)的傳動(dòng)部件，齒輪以其可靠、穩(wěn)定的傳動(dòng)性能在機(jī)械傳動(dòng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。齒輪表面質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量和壽命。高強(qiáng)韌性的齒輪鋼不但要有良好的強(qiáng)韌性、耐磨性，能很好地承受沖擊、彎曲和接觸應(yīng)力，還要求變形小、精度高和噪聲低。近年來，隨著我國(guó)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的技術(shù)參數(shù)不斷改進(jìn)，對(duì)齒輪性能提出更高要求，如高速列車傳動(dòng)齒輪、風(fēng)電齒輪、核電齒輪與大型石油化工裝備的齒輪等，為滿足齒輪鋼輕量化、高性能、長(zhǎng)壽命、環(huán)保性的發(fā)展趨勢(shì)，使得高強(qiáng)韌性齒輪鋼的研發(fā)顯得極為重要。齒輪鋼要求氣體含量低、淬透性帶窄、批量之間的波動(dòng)性小，以確保批量生產(chǎn)的齒輪的熱處理質(zhì)量穩(wěn)定，提高配對(duì)嚙合性能，延長(zhǎng)使用壽命。由于齒輪鋼的需求日益增加，因此表面硬化齒輪鋼成為合金結(jié)構(gòu)鋼中產(chǎn)量較大的代表性鋼類。

2.2.1　表面硬化齒輪鋼的服役條件與主要性能要求

齒輪是各類機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、飛機(jī)、火車等的傳動(dòng)裝置。齒輪性能的好壞直接影響著傳動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命和運(yùn)行過程中的安全系數(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)齒輪使用性能的要求越來越高，對(duì)于高速重載齒輪來說，要求就更高，不但要求齒輪表面要有較高的硬度、耐磨性、接觸疲勞強(qiáng)度以及較好的心部韌性，同時(shí)還要求表面具有良好的抗回火軟化性、較低的摩擦系數(shù)和較好的抗腐蝕性。

因此，對(duì)于傳動(dòng)齒輪特別是高速重載齒輪，大多選用低、中碳合金鋼作為傳動(dòng)齒輪材料最為理想，低、中碳合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)表面硬化、淬火、低溫回火后使用，能夠保證齒輪心部在保持足夠強(qiáng)度和韌性的條件下，表層具有很高的硬度和耐磨性，以使其能夠承受巨大的沖擊載荷、接觸應(yīng)力和磨損。隨著機(jī)械制造技術(shù)和材料生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備向著高速度、高載重量、低噪聲和輕量化的方向發(fā)展，這就要求表面硬化齒輪鋼具有高強(qiáng)韌性的要求，應(yīng)滿足以下幾個(gè)方面的性能。

（1）淬透性要求——末端淬透性帶窄，離散度小

鋼的淬透性系指鋼在淬火時(shí)獲得淬透層深度的能力即表示其接受淬火的能力，它是鋼材本身固有的屬性。其大小通常用規(guī)定條件（指規(guī)定尺寸和形狀的鋼試樣，在規(guī)定的淬火冷卻條件下淬火）下的淬透（硬）層深度來表示。齒輪鋼的淬透性決定了齒輪表面硬化淬火的心部強(qiáng)度，而末端淬透性是評(píng)價(jià)齒輪鋼最重要的技術(shù)指標(biāo)。

根據(jù)齒輪的不同使用部位，要求表面硬化齒輪鋼具有足夠的心部淬透性和良好的滲層淬透性，以確保齒輪表面硬化（如滲碳）、淬火時(shí)表層和心部不出現(xiàn)過冷奧氏體分解產(chǎn)物，同時(shí)較窄的淬透性帶能使齒輪熱處理后的變形范圍小，因此末端淬透性的穩(wěn)定與否對(duì)齒輪熱處理后變形的大小影響很大，淬透性帶越窄，離散度越小越利于齒輪的加工及提高嚙合精度。表面硬化齒輪鋼淬透性帶寬的控制主要取決于化學(xué)成分的精確控制及成分的均勻性，也就是對(duì)淬透性影響大的元素如C、Cr、Mn、Mo等元素進(jìn)行控制。過去齒輪制造廠為減少熱處理變形，針對(duì)不同有效截面的齒輪，選擇不同的合金系列或同一合金系列改變碳含量來保證不同有效截面齒輪對(duì)淬透性的不同要求。近年來，采用爐外二次精煉和連鑄技術(shù)，以完善的淬透性數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)爐前分析與計(jì)算，可精確預(yù)測(cè)鋼的淬透性，同時(shí)還可預(yù)測(cè)出鋼的全部力學(xué)性能。

（2）晶粒度要求——晶粒應(yīng)細(xì)小、均勻

奧氏體晶粒度對(duì)穩(wěn)定鋼材的淬透性、減小齒輪熱處理后的變形量、提高表面硬化鋼的脆斷抗力具有重要意義，它是衡量齒輪鋼質(zhì)量的另一重要指標(biāo)。細(xì)小均勻的奧氏體晶粒對(duì)穩(wěn)定鋼材的末端淬透性，減少齒輪熱處理后的變形，提高鋼的脆斷抗力具有重要意義。例如滲碳齒輪鋼中的晶粒粗化使?jié)B層碳濃度相對(duì)增高，導(dǎo)致脆性增加，使彎曲強(qiáng)度下降，齒面容易剝離。如果出現(xiàn)混晶，有可能使齒牙之間的熱處理變形失去規(guī)則而無法配對(duì)。我國(guó)齒輪鋼的晶粒度級(jí)別一般要求5～8級(jí)，但隨著高溫真空滲碳等技術(shù)的發(fā)展，對(duì)齒輪鋼奧氏體晶粒度的穩(wěn)定性會(huì)有更高的要求。晶粒細(xì)化主要通過添加一定量的細(xì)化晶粒元素，如Al、Ti、Nb等來達(dá)到，而實(shí)際產(chǎn)品的晶粒能否細(xì)化還要取決于煉鋼后的鍛、軋、熱處理工藝是否合理。

（3）純凈度要求高

齒輪鋼的純凈度，主要指鋼中氧含量，非金屬夾雜物和除硫（有時(shí)需保持一定硫含量以改善切削性）以外的其他有害元素（如N、H、O等）。氧化物夾雜總量的高低，直接決定于氧含量的高低。鋼中氧含量對(duì)齒輪的疲勞壽命有著重大影響，特別是對(duì)接觸疲勞強(qiáng)度有顯著的危害作用，日本對(duì)Cr、Cr-Mo、Cr-Ni-Mo齒輪鋼的氧含量與疲勞壽命之間的關(guān)系做過對(duì)比試驗(yàn)，當(dāng)氧含量從25mg/kg降至11mg/kg時(shí)，其接觸疲勞強(qiáng)度可提高4倍。通過精煉工藝最大限度地脫除鋼中的氧，也同時(shí)使鋼中氧化物夾雜含量減少，即減少了齒輪的裂紋源。鋼中存在的大顆粒夾雜相當(dāng)于一敏感裂紋源，使鋼的延展性降低，即使在很低拉應(yīng)力作用下，裂紋也極易擴(kuò)展，造成工件失效。同時(shí)，當(dāng)過量夾雜物聚集在晶界時(shí)，易產(chǎn)生沿晶脆斷，使鋼的延展性降低。我國(guó)對(duì)SCM420H等引進(jìn)齒輪鋼進(jìn)行脫氣與不脫氣的對(duì)比試驗(yàn)，證實(shí)其疲勞壽命可提高40％左右。降低鋼中氧含量的主要方法是真空處理。

（4）加工性和易切削性好

齒輪鋼是熱加工用鋼，要求鋼材的表面質(zhì)量好，無裂紋、結(jié)疤等宏觀缺陷。同時(shí)要求具有良好的機(jī)加工切削性能，以適應(yīng)高速數(shù)控機(jī)床的需要。

日本已在開發(fā)以新的鋼包精煉加真空脫氣處理為基礎(chǔ)的含鉛鋼精煉技術(shù)，在穩(wěn)定降低含氧量的同時(shí)，使鉛均勻分布。在法國(guó)和德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中，有許多鋼號(hào)對(duì)硫有下限要求，其含硫量一般只有0.020％～0.035％，而不是原概念中硫越低越好的思路。通常僅按常規(guī)的冶煉方法來提高易切削性仍是比較困難的，需通過合適的冶煉工藝改善硫化物的形狀及其分布。另外，通過鋼材鍛軋后的空冷處理，防止粒狀貝氏體的出現(xiàn)，改善金相組織，也是提高切削性的有效途徑。

（5）帶狀組織

對(duì)于齒輪鋼，除了上述特性要求外，還應(yīng)減輕或消除帶狀組織，如在冶煉過程中盡量降低鋼中有害元素、氣體及雜質(zhì)的含量，在澆注過程中采用低的澆注溫度，提高等軸晶的形成量等，以保證各種性能均勻。

2.2.2　高強(qiáng)韌性齒輪鋼在我國(guó)的發(fā)展

（1）微合金化滲碳齒輪鋼及應(yīng)用

對(duì)傳統(tǒng)滲碳齒輪鋼進(jìn)行微合金化，優(yōu)化了高溫滲碳齒輪鋼、冷鍛齒輪鋼、細(xì)晶強(qiáng)化高強(qiáng)韌性齒輪鋼等先進(jìn)齒輪鋼品種。

①高溫滲碳齒輪鋼　常用滲碳齒輪鋼利用殘余的0.01％～0.05％Al，使其930℃奧氏體晶粒度細(xì)于5級(jí)，如將Al含量穩(wěn)定在0.02％～0.05％，提高N含量至0.010％～0.020％，控制Al/N比，則可將AlN的溶解溫度即滲碳鋼的奧氏體晶粒粗化溫度提高至950℃，從而為高溫氣體滲碳工藝的應(yīng)用提供材料支持。950℃氣體滲碳材料工藝技術(shù)均可在傳統(tǒng)的井式滲碳爐、多用滲碳爐和連續(xù)式無罐爐上實(shí)施，具有良好的應(yīng)用前景。

為減小或防止內(nèi)氧化對(duì)齒輪滲層強(qiáng)韌性的影響，更高溫度的滲碳需采用低壓真空滲碳技術(shù)，高溫低壓真空滲碳齒輪鋼的滲碳溫度高達(dá)970～1050℃，此時(shí)單純利用Al、N的微合金化不能阻止奧氏體晶粒粗化，需添加固溶溫度更高的氮化物如Ti、Nb等元素。Ti、Al、N復(fù)合微合金化齒輪鋼20CrMnTiH在保溫時(shí)間6h情況下，其970℃和1050℃加熱奧氏體晶粒度可分別達(dá)8.0級(jí)和6.5級(jí)。在其中添加0.02％Nb，其1000℃晶粒度可達(dá)9.0級(jí)。

通過對(duì)Ti-Nb微合金化滲碳齒輪鋼的研究，例如對(duì)比研究20CrMnTi及添加0.048％Nb的20CrMnTiNb齒輪鋼的奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律，探討其在高溫滲碳工藝中的適應(yīng)性。采用熱模擬滲碳方法研究了Ti和Ti-Nb微合金化的20CrMnTi和20CrMnTiNb滲碳齒輪鋼在930～1200℃的奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律。結(jié)果表明，添加0.038％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）Ti和0.048％Nb的20CrMnTiNb鋼中含有Nb和Ti的析出相，其粒子間距0.361μm；而含0.054％ Ti的20CrMnTi鋼中僅含有較大尺寸的TiN析出相，粒子間距0.471μm，前者奧氏體晶粒粗化傾向明顯低于后者。20CrMnTiNb鋼經(jīng)1000℃奧氏體化10h后奧氏體晶粒長(zhǎng)大不明顯，且無混晶現(xiàn)象，適合高溫滲碳工藝。

②冷鍛齒輪鋼　冷鍛齒輪鋼同時(shí)融合了微合金化和TMCP技術(shù)，添加Ti、Al、N或Ti、Nb、Al、N微合金化，以細(xì)化熱軋態(tài)晶粒，阻止冷鍛齒輪在后續(xù)加熱過程中的晶粒異常長(zhǎng)大。TMCP技術(shù)的目的在于細(xì)化熱軋交貨狀態(tài)晶粒度，通過應(yīng)變誘發(fā)鐵素體析出，增加鐵素體含量，降低交貨狀態(tài)硬度。以上兩種技術(shù)的復(fù)合，使冷鍛齒輪鋼的塑性增強(qiáng)，臨界壓縮率達(dá)80％，無需球化退火就能滿足冷鍛工藝要求；冷鍛成型后，可省略再結(jié)晶退火，直接進(jìn)行滲碳；滲碳后無需二次加熱淬火，就能達(dá)晶粒度要求，達(dá)到節(jié)能降耗、簡(jiǎn)化工藝、提高效率的目的。

③細(xì)晶強(qiáng)化高強(qiáng)韌性齒輪鋼　齒輪鋼疲勞強(qiáng)度與奧氏體晶粒尺寸近似存在Hall-Petch關(guān)系，細(xì)化奧氏體晶粒可提高疲勞強(qiáng)度。細(xì)化奧氏體晶粒度的方法包括低溫滲碳、滲碳后二次淬火及添加Nb、Ti、V微合金化。20CrMoH和經(jīng)Ti、Nb復(fù)合微合金化的20CrMoH，經(jīng)930℃氣體滲碳7h+擴(kuò)散0.5h后，有效硬化層深度分別為1.0mm和1.2mm，滲層晶粒度分別為7.2級(jí)和10.5級(jí)，而旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞強(qiáng)度分別為995MPa和1230MPa，Ti、Nb微合金細(xì)晶強(qiáng)化使得20CrMoH疲勞強(qiáng)度提高了23.6％。

（2）新型貝氏體鋼

西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)的新型貝氏體鋼，在強(qiáng)韌性上較傳統(tǒng)貝氏體鋼而言具備更大的優(yōu)越性，被深入運(yùn)用于重載齒輪，汽車齒輪等產(chǎn)品的生產(chǎn)中。新型貝氏體具有強(qiáng)度高、成本低、韌性強(qiáng)、易焊接、易鋼合金化的特點(diǎn)，可廣泛取代同類進(jìn)口產(chǎn)品、普通鋼種和含有昂貴的Cr-Ni合金的鋼種。新型貝氏體鋼的投入使用能降低鋼鐵耗費(fèi)，提升鋼材性能與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。這一鋼種淬透性較強(qiáng)，在軋制、鍛造或模鍛后只需經(jīng)空冷便能夠形成新的貝氏體組織。新型貝氏體鋼的力學(xué)性能容易達(dá)到，不回火、低溫回火操作均可較輕易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)它的工藝也相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)際生產(chǎn)過程中的熱成型、熱處理操作可合二為一，新型貝氏體鋼的熱處理變形應(yīng)力一般，不易發(fā)生淬火裂紋現(xiàn)象。常規(guī)鋼鐵制造廠通過已有設(shè)備便能完成對(duì)新型貝氏體鋼的生產(chǎn)。

（3）空冷貝氏體于準(zhǔn)貝氏體鋼

空冷貝氏體鋼，屬于非調(diào)質(zhì)鋼中的一類。由于其空冷淬透性好，可免去淬火工序，不僅節(jié)省能源、降低成本，也避免了由于淬火引起的變形、開裂及脫碳等缺陷。且冷熱加工性能良好，同時(shí)具有優(yōu)良的強(qiáng)韌度配合，故可提高齒輪的質(zhì)量及壽命。天津盛昌齒輪有限公司和天津熱處理研究所聯(lián)合對(duì)低碳貝氏體鋼及其滲碳工藝在轎車齒輪上的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。與20CrMnTi鋼的對(duì)比試驗(yàn)表明：低碳貝氏體鋼不但滲碳工藝性能良好、力學(xué)性能優(yōu)良，而且可采用滲碳?xì)饫浯慊鸲鴾p少小轎車齒輪滲碳淬火變形量，從而可較經(jīng)濟(jì)地提高其制造精度和性能，對(duì)轎車變速器齒輪、后橋齒輪等零件具有重要推廣應(yīng)用價(jià)值。

準(zhǔn)貝氏體鋼組織是由貝氏體、鐵素體和殘留奧氏體組成的無碳化物形成或非典型貝氏體組織，具有良好的強(qiáng)韌性配合且滲碳特性和空冷淬硬性優(yōu)越，是一種新型汽車齒輪鋼。西北工業(yè)大學(xué)研制成功的系列準(zhǔn)貝氏體鋼，具有高強(qiáng)高韌、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用。為了將其用于滲碳零件，又設(shè)計(jì)出準(zhǔn)貝氏體滲碳鋼BZ18Q，將其用于某汽車輸出軸五擋齒輪，滲碳油冷后根據(jù)汽車齒輪相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)隨爐試樣進(jìn)行評(píng)定檢測(cè)，結(jié)果符合有關(guān)技術(shù)要求。將準(zhǔn)貝氏體滲碳鋼齒輪裝車路試，檢驗(yàn)結(jié)果表明：齒輪跨球距在跑車前后基本無變化，嚙合齒面光滑無麻點(diǎn)。這為準(zhǔn)貝氏體鋼用于制造汽車齒輪，替代一些含鎳較多的優(yōu)質(zhì)合金滲碳鋼提供了理論依據(jù)。

（4）噴丸表面強(qiáng)化齒輪鋼

噴丸表面強(qiáng)化是指通過機(jī)械手段（即在加工過程中，球形彈丸高速撞擊表面）在金屬零件表面產(chǎn)生壓縮變形，使表面形成形變硬化層（此形變硬化層的深度可達(dá)0.5～1.5mm），從而使零件表面硬度、疲勞強(qiáng)度提高，是金屬材料表面強(qiáng)化的有效方法。

隨著科技的迅猛發(fā)展，人們開發(fā)了高能噴丸、微粒噴丸、超聲噴丸和激光噴丸等多種噴丸強(qiáng)化技術(shù)，每種噴丸技術(shù)各有其優(yōu)點(diǎn)。

在高能噴丸中，彈丸從各方向以高頻率撞擊已被固定的材料表面，能夠細(xì)化晶粒，達(dá)到納米量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)材料表面的納米化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)表面的強(qiáng)化作用。但由于彈丸的直徑較大，強(qiáng)化后表面粗糙度值較大，在精度要求較高的情況下需要后續(xù)加工。

微粒噴丸采用的彈丸直徑小，沖擊速度快，經(jīng)過微粒沖擊處理后工件表面硬度增加的幅度大，粗糙度值小，但是殘余應(yīng)力層較淺，耐磨性相對(duì)較差，對(duì)于精度要求較高的齒輪還需進(jìn)行精加工。

超聲噴丸強(qiáng)化是一種使丸粒在振動(dòng)工具頭的沖擊下以一定速度向工件運(yùn)動(dòng)，同時(shí)丸粒之間發(fā)生相互撞擊，使丸粒的運(yùn)動(dòng)方向和速度隨機(jī)分布，從而使工件表面獲得均勻處理的方法。經(jīng)過超聲噴丸強(qiáng)化處理的工件表面殘余應(yīng)力值、粗糙度值都優(yōu)于傳統(tǒng)噴丸；另外，超聲噴丸還具設(shè)備體積小、耗能低等優(yōu)點(diǎn)，齒輪超聲噴丸強(qiáng)化原理示意如圖2-14所示。在噴丸過程中，由于丸粒的運(yùn)動(dòng)方向和速度是隨機(jī)、不可控的，這就導(dǎo)致齒輪表面的粗糙度值較大，因此，對(duì)于精度要求較高的齒輪還要進(jìn)行磨削加工。

激光噴丸是將高功率的短脈沖強(qiáng)激光透過透明約束層照射在金屬板材表面的吸收層上，吸收層吸收激光脈沖能量氣化，氣化后的蒸氣急劇吸收激光脈沖的能量形成等離子體，爆炸產(chǎn)生強(qiáng)激光沖擊波使材料發(fā)生塑性變形的一種技術(shù)，因其原理與噴丸相似故稱激光噴丸。激光噴丸強(qiáng)化原理如圖2-15所示，它可對(duì)狹小的空間進(jìn)行噴丸，參數(shù)可精確控制。經(jīng)激光噴丸強(qiáng)化后，材料塑變深度及形成的壓應(yīng)力深度明顯大于其他大多數(shù)表面處理，從而大幅改進(jìn)了疲勞性能、斷裂韌度及應(yīng)力腐蝕抗力，但冷作硬化程度小于1％，僅為傳統(tǒng)噴丸技術(shù)的50％。

總之，噴丸強(qiáng)化技術(shù)能顯著改善零件疲勞性能，提高應(yīng)力腐蝕開裂能力，因而被廣泛應(yīng)用在長(zhǎng)期處于交變應(yīng)力集中載荷作用下的傳動(dòng)齒輪上。

（5）激光加熱表面淬火齒輪鋼

激光加熱表面淬火是利用高能激光脈沖驅(qū)動(dòng)一束高振幅的激光波沖擊材料表面，迅速將材料表面加熱到相變點(diǎn)以上，隨著材料自身冷卻，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而使材料表面硬化的淬火技術(shù)。激光齒面淬火原理如圖2-16所示，激光淬火時(shí)，為避免相鄰輪齒對(duì)激光束造成干涉，激光束起始位置的確定十分重要。圖2-16中，α為分齒角度，е為激光偏置量，r為齒輪分度圓半徑。激光加熱表面淬火是一種加熱溫度高、速度快，通過基體的導(dǎo)熱快速冷卻而實(shí)現(xiàn)淬火的方法，故齒輪激光淬火后能獲得細(xì)化的馬氏體晶粒，而且齒輪變形極小，可實(shí)現(xiàn)無磨削或極少量精磨；另外與滲氮、滲碳強(qiáng)化工藝不易獲得沿齒廓均勻分布的硬化層相比，經(jīng)激光淬火后，淬硬層分布更趨均勻，硬度更高。由于硬化層晶粒的細(xì)化可有效防止裂紋萌生和擴(kuò)展，從而改善了淬火齒輪的接觸疲勞性能，同時(shí)，硬化層硬度的“月牙形”分布，即分度圓處較厚，齒頂、齒根處略薄，符合齒輪受載的需求，因此，激光淬火可為大模數(shù)、高精度的齒輪齒面強(qiáng)化提供一種有效的途徑。另外，齒輪激光淬火不受齒輪模數(shù)大小的局限，實(shí)際應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢(shì)。

激光淬火的主要缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴，保養(yǎng)費(fèi)用高，對(duì)操作人員要求高。

（6）復(fù)合表面硬化齒輪鋼

隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)各種傳動(dòng)部件的使用要求越來越高。例如高速列車（350km/h）要求傳動(dòng)齒輪，具有高疲勞強(qiáng)度、高彎曲強(qiáng)度、低磨損和摩擦以及高的承載能力。單一表面強(qiáng)化技術(shù)不易滿足綜合性能要求高的工件的使用要求，而將兩種或多種表面強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行復(fù)合處理，將顯著提高工件的綜合性能，滿足了更加復(fù)雜的使用要求。

①滲碳+氮碳共滲的齒輪表面復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)　對(duì)于低碳和低合金鋼，對(duì)其表面進(jìn)行滲C可顯著提高表面硬度，然后進(jìn)行低溫N-C共滲（低于530℃），可使心部保持較好韌性，表面形成一層氮化層，具有極好抗腐蝕性能，表面硬度基本保持不變。最后進(jìn)行等離子滲S，表層形成由FeS相組成的硫化物層。由于N-C共滲層具有很好的支撐作用，從而摩擦?xí)r硫化物層不易剝落。硫化物層疏松多孔，具有良好的自潤(rùn)滑性能，且FeS相有效降低摩擦系數(shù)，但表面硬度略有下降。例如美國(guó)第二代航空齒輪鋼M50NiL，其碳含量低且添加了Ni元素，使之適合滲碳。N-C共滲后，表面形成的氮化物層提高了齒輪表面的接觸疲勞強(qiáng)度，同時(shí)基本保持了滲碳時(shí)高的硬度，心部斷裂韌性也較高。滲S工藝中的S元素降低了表面摩擦系數(shù)，而N的滲入與Ni的合金化相結(jié)合，使殘余奧氏體量增多，滲層的硬度顯著提高。該工藝已成功運(yùn)用于航空齒輪的表面強(qiáng)化，使齒輪具有較好的綜合性能，延長(zhǎng)了使用壽命。

②離子滲氮+類金剛石膜（DLC）的齒輪表面復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)　工件經(jīng)等離子滲氮和類金剛石膜（DLC）復(fù)合處理后，表面硬度、膜/基結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性能等均優(yōu)于未氮化鍍類金剛石涂層的工件。由于氮化后的鋼表面有較深的硬化層，具有一定硬度、耐磨性和殘余壓應(yīng)力，構(gòu)成了類金剛石膜（DLC）的理想支撐體，其承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過未氮化基材。由于硬化層硬度增加，形成了從DLC表面到鋼基體之間的硬度梯度，使材料表面的耐腐蝕性、耐磨性、接觸疲勞強(qiáng)度和涂層的附著能力都顯著提高。DLC膜因具良好的耐磨性和很低的摩擦系數(shù)，抗磨損性能大幅度提高。該復(fù)合處理工藝在齒輪的應(yīng)用上有著很好的前景，它可改善齒輪的表面組織及性能，提高齒輪表面的耐磨性。

③表面離子滲氮+沉積TiN涂層的齒輪表面復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)　TiN涂層因具很高硬度、低摩擦系數(shù)、抗蝕性好而廣泛應(yīng)用于工件表面，但由于單一涂層與基體的結(jié)合力較弱，所以承受的載荷不高。然而，齒輪工件表面在500℃左右經(jīng)過離子滲氮后，形成了細(xì)小均勻分布的氮化物，提高了表面硬度，也為沉積TiN涂層提供了強(qiáng)有力的機(jī)械支撐，膜/基結(jié)合力增強(qiáng)。因此復(fù)合滲層的疲勞強(qiáng)度很高，同時(shí)具有抗塑變能力。該復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)可應(yīng)用于高速重載齒輪，抗沖擊力強(qiáng)且具優(yōu)異的耐磨性。

總之，復(fù)合處理的類型多種多樣，其強(qiáng)化效果，將1+1>2，必將獲得更為廣泛的應(yīng)用。

2.2.3　高強(qiáng)韌性齒輪鋼應(yīng)用例解

（1）重型機(jī)械傳動(dòng)齒輪——8622H鋼

8622H鋼屬于Cr-Ni-Mo系滲碳和碳氮共滲鋼，多被用來生產(chǎn)重型汽車、重型挖掘機(jī)、重型吊車、重型機(jī)床等重型機(jī)械的傳動(dòng)齒輪和齒輪軸，也常見于大扭矩小型齒輪和齒輪軸的制作。通過電爐-爐外精煉-真空處理-連鑄工藝，南鋼已順利實(shí)現(xiàn)了8622H齒輪鋼產(chǎn)品的理論研發(fā)和大規(guī)模生產(chǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在工藝設(shè)計(jì)科學(xué)，技術(shù)采用合理情況下，8622H保淬透性圓鋼可徹底滿足各類技術(shù)需求。一般，這類型鋼材只要化學(xué)成分和窄范圍把控合理，其淬透性就會(huì)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，鋼材的淬透性帶寬可被確保控制在4（HRC）范圍內(nèi)。如同時(shí)配合使用連鑄坯熱送熱裝等工藝技術(shù)，8622H鋼的生產(chǎn)效率、金屬收得率都將發(fā)生顯著提升，縮減生產(chǎn)投入。

（2）重型汽車驅(qū)動(dòng)橋齒輪——17CrNiMo6H鋼

17CrNiMo6H鋼由大冶、長(zhǎng)城和撫順鋼廠先后實(shí)現(xiàn)了的自產(chǎn)。產(chǎn)出的17CrNiMo6H鋼淬透性能指標(biāo)在J10=42（HRC），J15=41（HRC）。晶粒度保持在7～8級(jí)，力學(xué)性能：Rm=1290MPa，ReL=945MPa，A=15％，Z=60％，AK=112J。該鋼沖擊功112J，在該性能上較22CrMoH鋼更好，已部分使用于國(guó)內(nèi)某些重型汽車驅(qū)動(dòng)橋齒輪的生產(chǎn)。

（3）重型汽車驅(qū)動(dòng)橋圓錐齒輪鋼——17Cr2Mn2TiH

17Cr2Mn2TiH鋼由湖北黃石特鋼冶金新材料公司研制，已被證實(shí)可用于取代17CrNiMo6H和20CrNi3H、22CrMoH等鋼種投入使用。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該鋼熱處理工藝簡(jiǎn)單，以其生產(chǎn)的重型汽車驅(qū)動(dòng)橋圓錐齒輪，能夠符合相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。它的使用，極大地降低了鋼材成本及重型汽車驅(qū)動(dòng)橋錐齒輪的制造成本。17Cr2Mn2TiH鋼的研發(fā)與使用代表了國(guó)內(nèi)重型汽車驅(qū)動(dòng)橋齒輪行業(yè)對(duì)于降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本的一種嘗試與改變。自2005年起，國(guó)內(nèi)已有多家公司先后采用17Cr2Mn2TiH鋼進(jìn)行重型汽車驅(qū)動(dòng)橋齒輪的臺(tái)架壽命試驗(yàn)及商品齒輪的制造。

（4）推土機(jī)變速器傳動(dòng)齒輪——22CrNi2MoNbH，S48C-V鋼

22CrNi2MoNbH鋼用來制作工程機(jī)械中的推土機(jī)變速器傳動(dòng)齒輪零件，為減小零件尺寸，提高傳動(dòng)效率，齒輪的精度應(yīng)達(dá)到較高的標(biāo)準(zhǔn)，其材料的含氧量應(yīng)<10-5，能夠提高齒輪的抗疲勞強(qiáng)度和使用壽命，降低滲碳及淬火過程中的變形。而推土機(jī)二級(jí)齒輪、挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)支承使用的S48C-V中碳結(jié)構(gòu)鋼也要求進(jìn)行脫氣處理，對(duì)含碳波動(dòng)范圍進(jìn)行限制，確保其熱處理的穩(wěn)定性，使其性能達(dá)到圖紙和標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求。這兩種齒輪鋼的具體要求見表2-21和表2-22。

2.2.4　齒輪鋼的發(fā)展趨勢(shì)

隨著機(jī)械設(shè)備的高性能化和輕型化，齒輪鋼的研發(fā)必須滿足高性能、長(zhǎng)壽命、經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)性等要求。盡管各國(guó)資源和生產(chǎn)工藝等條件存在差異，齒輪鋼合金系列也不盡相同，但新型齒輪鋼的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾種。

（1）大力研發(fā)窄淬透性帶齒輪鋼

批量生產(chǎn)的窄淬透性帶齒輪經(jīng)熱處理后質(zhì)量穩(wěn)定，齒輪的變形量小、修磨量小，配對(duì)嚙合精度提高，使用壽命延長(zhǎng)。化學(xué)成分是影響淬透性的主要因素，而冶煉窄淬透性帶齒輪鋼的關(guān)鍵在于對(duì)化學(xué)成分波動(dòng)范圍的嚴(yán)格控制和成分的均勻性控制。建立化學(xué)成分與淬透性相關(guān)的方法，通過計(jì)算機(jī)輔助預(yù)報(bào)和補(bǔ)加成分，得到精確計(jì)算及對(duì)完整生產(chǎn)線和工藝手段進(jìn)行控制。各鋼廠在冶煉時(shí)，必須優(yōu)化成分微調(diào)工藝，開展喂絲技術(shù)和齒輪鋼連鑄工藝研究，用連鑄代替模注，減少成分偏析，滿足不同層次的需求。

（2）開發(fā)超低氧含量齒輪鋼

通過降低齒輪鋼中氧含量，提高鋼的純度，會(huì)使齒輪鋼的疲勞壽命大幅度提高。大量研究表明，這是因?yàn)殡S著鋼中氧含量的降低，氧化物夾雜隨之減少，從而抑制或減輕夾雜物對(duì)疲勞壽命的不利影響。通過鋼包精煉加真空脫氣后，模鑄鋼材氧含量可≤15×10-6，日本通過雙真空處理把氧含量控制在（10～5）×10-6超低氧水平以下。

（3）低晶界氧化層滲碳鋼

晶界氧化層對(duì)滲碳淬火鋼的接觸疲勞性能影響較大。因此在鋼種設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)降低滲碳層表面氧化傾向大的合金元素含量，添加氧化傾向小的合金元素。實(shí)踐證明，硅促進(jìn)晶界氧化的能力是錳和鉻的10倍，故盡可能把Si降至最小，Mn、Cr也應(yīng)偏少并適當(dāng)提高Ni和Mo的加入量，提高韌性，S、P含量必須嚴(yán)格控制，以減少晶界偏析。日本開發(fā)了低硅抗晶界氧化滲碳鋼系列，可使晶界氧化層降至≤5μm，而SCM420H等Cr-Mo鋼通常為15～20μm，從而使接觸疲勞性能提高1倍以上。

（4）開發(fā)可提高高溫硬度和高溫抗軟化滲碳鋼

齒輪工作時(shí)接觸而溫度的升高會(huì)導(dǎo)致接觸疲勞剝落（點(diǎn)蝕），主要原因是由于鋼材的抗軟化能力不足。為此應(yīng)增加Si、Cr含量以提高軟化抗力。高Cr、Si含量（例如0.2％C-0.55％Si-0.3％Mn-2.5％Cr）齒輪鋼的點(diǎn)蝕壽命約為普通鋼的3倍，已應(yīng)用在齒面工作狀態(tài)非常苛刻的自動(dòng)變速器行星齒輪上。另外還開發(fā)了一種添加V的鋼種，它與碳氮共滲并用，一方面借助VC的彌散提高高溫硬度；另一方面使殘余奧氏體量提高到30％左右，在工作應(yīng)力下發(fā)生馬氏體相變，使硬度上升，從而彌補(bǔ)在工作溫度下硬度的下降。

（5）開發(fā)滲層高韌性齒輪鋼

要求增加重載齒輪的負(fù)荷，同時(shí)也要提高鋼承受沖擊的強(qiáng)度，為抑制齒輪形體的大型化，在基體具有高的強(qiáng)度和韌性前提下，抑制的關(guān)鍵在于防止?jié)B層裂紋的形成以達(dá)到提高滲層韌性的目的。具體方法：主要應(yīng)采用降低Si、P元素并同時(shí)添加Ni、Mo元素的方法；更為有效的措施是選用氧含量不超過10-5的超低氧鋼。

（6）開發(fā)易切削齒輪鋼

由于傳動(dòng)齒輪用量很大，齒輪生產(chǎn)廠在裝備了高速數(shù)控機(jī)床后，把原多道工序合并在一組刀具上，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序控制，因?yàn)榻M合刀具比較昂貴，刀具消耗量和磨削次數(shù)的多少，直接影響生產(chǎn)成本和效率。因此對(duì)齒輪鋼的切削性能提出了越來越高的要求。

改善鋼的易切削性能，可向鋼中添加一定量Pb或S。由于含Pb鋼的生產(chǎn)和管理難度大，工藝技術(shù)尚不成熟并存有毒氣體污染等問題，已很少被采用。而主要是用S來改善切削性能，常用的做法是在傳統(tǒng)的低S含量范圍內(nèi)通過適當(dāng)提高S含量（S=0.020％～0.040％），并通過合適的冶煉工藝來改善硫化物的形態(tài)及分布狀態(tài)以提高切削性能。易切削齒輪鋼在國(guó)外發(fā)展很快，一般鋼種做到易切削并不難，而易切削齒輪鋼的技術(shù)難點(diǎn)在于如何達(dá)到易切削性和力學(xué)性能，尤其是橫向沖擊性能不降低之間的統(tǒng)一。為做到真正的易切削，必須考慮硫化物的形態(tài)控制、堅(jiān)硬質(zhì)點(diǎn)的消除或改性及適宜的金相組織。日本等國(guó)正在研制開發(fā)無Pb含Bi、Mg、Ca等易切削齒輪鋼。

目前，硫易切削鋼、鉛易切削鋼、鈣易切削鋼和復(fù)合易切削鋼被廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域，但隨著切削加工自動(dòng)化程度的增大，對(duì)材料的可切削加工性能及人們對(duì)環(huán)保的要求日趨提高，開發(fā)低硫和控制硫化物形態(tài)的多元易切削鋼是未來的重要發(fā)展方向。

（7）冷鍛齒輪鋼的開發(fā)

冷鍛可實(shí)現(xiàn)齒形的近成型，節(jié)省大量的切削加工工序。通過使用直接成形的精密鍛造和冷擠壓技術(shù)，能較有成效地減少材料切削加工的費(fèi)用投入，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和材料利用率。它要求鋼材的變形阻力小、變形能力強(qiáng)、滲碳時(shí)晶粒不易粗大。為此，需開發(fā)特殊用途的齒輪鋼，并使其合金化、純潔度、尺寸公差等標(biāo)準(zhǔn)符合工藝規(guī)范要求。這種高質(zhì)量、低成本的齒輪生產(chǎn)方式已經(jīng)在差速器齒輪、齒套等零件上成功應(yīng)用。但是，冷鍛技術(shù)的推廣離不開材料技術(shù)的進(jìn)步。

首先，用于齒輪的鋼材必須具有優(yōu)良的冷塑性加工性能，以保證在加工過程中材料能充滿模具的各個(gè)部分，為此必須降低鋼中的C、Si和Mn；其次，鋼材必須確保淬透性以保證齒輪具有足夠的強(qiáng)度，為此須補(bǔ)充起固溶強(qiáng)化作用之外的合金元素。如添加少量B就能明顯提高淬透性。開發(fā)的冷鍛用含B滲碳鋼在軋制狀態(tài)下硬度在75（HRB）以下，疲勞強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度與通用滲碳鋼等同或更高。另外，冷鍛時(shí)的強(qiáng)烈塑性變形易使齒輪在隨后的滲碳溫度下發(fā)生奧氏體晶粒長(zhǎng)大，不僅使齒輪的熱處理變形加大，而且降低強(qiáng)度和韌性，因此鋼材必須保證冷鍛后滲碳淬火時(shí)不發(fā)生晶粒粗大。為此開發(fā)了防止晶粒長(zhǎng)大鋼，主要措施是適量添加Al、Nb、Ti和N等元素，利用這些元素的細(xì)微碳化物和氮化物析出阻止晶粒的長(zhǎng)大。特別是為了確保滲碳B鋼的有效B含量，往往用Ti來固定N。在滲碳時(shí)很難用AlN來控制晶粒長(zhǎng)大，為避免晶粒粗大，應(yīng)添加比一般B鋼更多的Ti或Nb，利用細(xì)微的TiC來防止晶粒長(zhǎng)大。細(xì)微分散的TiC還有防止位錯(cuò)活動(dòng)，抑制裂紋擴(kuò)展的作用。成分為0.18％C-0.10％Si-0.50％ Mn-（1％～2％）Cr-0.0015％B-Nb（Ti）的鋼種是冷鍛用滲碳鋼之一。

（8）開發(fā)輕量化齒輪鋼

輕量化齒輪鋼的開發(fā)可通過使用高強(qiáng)度鋼、多元合金、碳復(fù)合材料、復(fù)合塑性材料、玻璃纖維增強(qiáng)材料以及采用新的成形工藝和新型材料結(jié)合的方法來具體實(shí)現(xiàn)。例如顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料都已經(jīng)在齒輪制造行業(yè)中有一定程度的研究與應(yīng)用。