3420H齿轮钢【20CrMnTiH齿轮钢的发展与质量要求】
时间：2019-02-02 03:32:47 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要： 本文通过对目前国内20CrMnTiH汽车齿轮钢的分类、技术要求分析、齿轮钢质量标准分析和发达国家对比，探讨国内汽车齿轮钢的生产要求及质量水平问题。 关键词： 汽车齿轮 20CrMnTiH齿轮钢 发展与质量要求
随着中国齿轮工业规模日趋成熟，以及拉动齿轮发展的行业持续发展，齿轮业至2010年的产值已经迈向1，000亿元，齿轮钢潜在市场巨大。中国齿轮产业的持续发展，带动了齿轮钢的需求，国产的齿轮钢产量有所增长。作为我们国家齿轮钢的主要产品，20CrMnTiH如何应对市场的需求，提高质量和发展方向，是值得我们深思的问题。我从以下几方面来分析20CrMnTiH齿轮钢应对的发展与质量要求。
一、中国齿轮业的发展状况
中国的齿轮消费量十分巨大，按中国汽车工业协会和中国齿轮专业协会的统计资料，2005年中国汽车生产总量已达570万辆，汽车齿轮钢材的消耗量约80万吨左右。近几年来中国汽车产量平均每年以10%左右的速度增长，分析2005年汽车行业产品构成，可以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的加快，我国的汽车工业已进入高速发展阶段，2011年中国汽车产销量将达1625万辆和1613.9万辆，到2015年产销量将达2273.7万辆和2258.4万辆。近年来，随着我国汽车工业的快速发展，对齿轮钢的需求是十分可观的，所以车辆齿轮越来越成为齿轮钢材最重要的消费用户。中国齿轮行业由三部分组成：工业齿轮、车辆齿轮和齿轮装备。在齿轮行业五大类产品、几百个系列、几千种产品中，出现一大批具有国际先进水平的产品。车辆齿轮主要是为汽车、摩托车、农用运输车、农机、工程机械配套的齿轮，以汽车齿轮为主。汽车工业的带动是齿轮模具发展的重要支撑，所以齿轮钢随着汽车、轮船、工程机械等同步发展。此外，中国的机电产品出口带动齿轮的需求，中国的机电产品出口每年递增30%以上，齿轮的消费量约有25%的增幅。特殊、专用齿轮传动的市场前景也很广阔，如非圆齿轮、粉末冶金齿轮、小模数齿轮等，对齿轮钢的需求量同样不小。由此来看，由于终端有效需求的继续释放，支撑齿轮钢市场平稳运行，价格较为坚挺。齿轮用钢的发展趋势：一是含Cr，Ni，Mo的低合金钢；二是硼钢；三是碳氮共渗用钢；四是易切削钢。由于中国缺乏Ni、Cr，常用20CrMnTi渗碳钢或用含硼加稀土钢。重型机械常用18CrMnNiMo渗碳钢或中碳合金钢。机床行业适用40Cr，38CrMoAl等钢，以及高速齿轮用25Cr2MoV钢进行氮化。此外，齿轮钢还面临塑料齿轮的挑战。改革开放以后，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，相应的也引进了国外的齿轮钢种。随着引进车型的不断增多，这些钢种在国内市场上所占的份额越来越大。作为“七五”至“十五”国家重点的攻关项目，汽车行业和冶金行业共同攻关后筛选出一些常用的引进钢种列入了GB／T5216―2004标准。当前国内塑料齿轮主要被用来传递运动，而美国目前在传递动力的选择上，也越来越多地采用塑料齿轮。这是因为塑料齿轮具有传动噪声低、能够吸振、自润滑等特点，且塑料齿轮可以开模加工，生产效率高。未来塑料齿轮在齿轮行业的应用会越来越广，不仅要传递运动，而且要传递动力，越来越多的行业会用到它，这是一个世界性趋势。我国齿轮行业发展目标定为“推进中国成为齿轮制造强国与出口大国”。
二、发达国家的汽车齿轮材料
鉴于各国资源和生产工艺条件的差异，每个国家和地区应用的齿轮钢合金系列不尽相同，例如：德国采用Mn―Cr系列和Cr―Mn―B系列l（16MnCr5，20MnCr5，25MnCr5，28MnCr5，ZF6，ZF7，ZF7B）；日本采用Cr系和Cr―Mo系（SCr420H，SCM415H，SCM420H，SCM822H）；美国采用Cr―Ni―Mo系（SAE8617H，SAE8620H）；法国采用Cr―Ni系（19CN5）和Cr―Mo系（20CD4，27CD4，30CD4）钢；中国大量使用的是20CrMnTi齿轮钢。
三、中国齿轮材料的使用情况
我国齿轮材料按齿轮的应用分为车辆齿轮用钢和工业齿轮用钢两大类，前者约占80%。车辆齿轮中：汽车齿轮占60%、摩托车3.5%、农用运输车15%、农机12%、工程机械9.5%。使用主要钢种有：20ＣｒＭｎＴｉ（Ｈ）、20ＣｒＭｏＨ、16―28ＣｒＭｎ5、8620Ｈ、ＺＦ6、ＺＦ7等。工业齿轮是为工业企业用各种成套机械装备配套的齿轮装置（如减速机），约占齿轮总量的20%。主要钢种有：45、35―42ＣｒＭｏ、ＧＣｒｌ5、20CｒＭｎＴｉ（Ｈ）、40ＣｒＮｉＭｏＡ、8620Ｈ、19ＣｒＮｉ5等，20ＣｒＭｎＴｉ（Ｈ）使用量较小，约占工业齿轮量的10%。长期以来，我国汽车齿轮钢沿用原苏联的20CrMnTi材质，这种材质由于符合我国的资源具有成本低、工艺性能好、价格低的优点且可以满足国内大多数齿轮材质的要求。因此这种材质仍占据着中国汽车齿轮钢材制造用量的50%左右。
四、20CrMnTiH钢的种类
20CrMnTiH钢是目前国内用于制造各种工程机械、汽车、农机等传动齿轮、齿轮轴材料中使用最多的一种保淬透性的齿轮钢，是一种应用比较广泛的渗碳钢种。20CrMnTiH钢目前开发了六种产品也就是20CrMnTiH1、20CrMnTiH2、20CrMnTiH3、20CrMnTiH4、20CrMnTiH5、20CrMnTiH6，它们具体的成分如下表。
20CrMnTiH子钢种成分表1
五、目前我国汽车齿轮钢的生产标准
汽车用齿轮钢都为保淬透性结构钢，目前中国的保淬性用钢标准与IS0、DIN标准相近，都有宽带与窄带之分，中国的保淬透性用钢标准还略严格于其他国家的标准。2004年齿轮行业协会公布了CGMA001―1：2004《车辆齿轮用钢技术条件》和CGMA00―2：2004《车辆齿轮用钢市场准入条件》，在这两个标准中，明确了汽车齿轮钢的氧含量应≤20ppm，钢中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。晶粒度应≤5级。中国目前齿轮钢的生产水平已达到国外先进的水平，但比起日本、德国、美国生产的齿轮钢还有一些差距，特别是在带状组织的控制上。
六、20CrMnTiH钢的性能
20CrMnTiH的产品具有高碳的耐磨表层和低碳的高强韧性心部，以使其能承受巨大的冲击载荷、接触应力和磨损。一般采用可加工性和使用性对该钢种进行评价。可加工性主要包括：尺寸精度、热加工性能（含热顶锻和锻后可加工性）、对热处理工艺的适应性、切削加工性，等等。使用性主要表现在：产品的疲劳失效，尤其是表面接触疲劳，主要是钢中难变形的氧化物夹杂与基体的界面处在运转过程中过早萌生裂纹，导致齿轮过早失效。
1.可加工性
齿轮加工过去常采用车削加工、滚、插齿、剃齿、磨削加工、修整等普通机床的加工方法。随着齿轮加工线的自动化，为了不断提高生产效率，开始采用数控化、功能复合型机床、绿色环保和智能化加工方法。许多国家正在研究使用易切削的齿轮钢。在法国和德国标准中，有许多对硫有下限要求的钢号，其硫含量一般只有0.020%―0.035%，而不是原先概念中硫越低越好的思路。这些钢比我国国标GB731―88易切削结构钢技术条件中的硫含量（最低的S=0.04%―0.08%，最高的S=0.23%―0.33%）低得多。如果仅按常规的冶炼方法来提高易切削性仍是比较困难的，需要通过合适的冶炼工艺以改善硫化物的形状及其分布状态来达到。另外，通过钢材锻轧后的空冷处理，防止粒状贝氏体的出现，改善金相组织，也是提高切削性能的有效途径。用末端淬透性来代替以往的机械性能检验是评价齿轮钢质量的重大进步。末端淬透性的稳定与否对齿轮热处理后变形量的影响很大，淬透性带宽度愈窄，离散度愈小，愈有利于齿轮的加工及提高其啮合精度。工业发达国家一般对齿轮钢淬透性带宽控制在6―8HRC，对于同一批材料更是要求4―5HRC，我国的GB/T5216《保证淬透性结构钢》规定齿轮钢的淬透性带宽为12HRC，但现阶段我国一些厂家对单点的淬透性带宽要求多为8HRC。淬透性（GB/T5216―2004《保证淬透性结构钢》）逐渐成为衡量齿轮钢的基本标准，其部分指标如表2。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 相应20CrMnTiH子钢种规定了J9，J15的淬透值，如表3。
随着齿轮行业的发展，用户对淬透性的要求越来越高。淬透性表示钢在一定条件下淬火时获得淬透层深度的能力，主要受奥氏体中的碳含量和合金元素的影响，特别是增大淬透性的合金元素及晶粒度的影响。钢铁中的合金元素，影响淬透性的大小依次为Mo＞Mn＞W＞Cr＞Ni＞Cu＞Si＞V＞Al。奥氏体的实际晶粒度对钢的淬透性有较大的影响，粗大的奥氏体晶粒能使C曲线右移，降低了钢的临界冷却速度。但晶粒粗大将增大钢的变形、开裂倾向和降低韧性。在相同冷度条件下，奥氏体成分越均匀，珠光体的形核率就越低，转变的孕育期增长，C曲线右移，临界冷却速度减慢，钢的淬透性越高。晶粒尺寸大小是齿轮钢的又一项重要指标，钢的原始组织的粗细和分布对奥氏体的成分将有重大影响。细小均匀的奥氏体晶粒度对稳定钢材的末端淬透性，减少齿轮热处理后的变形量，提高渗碳钢的脆断抗力具有重要意义。因为粗粒的晶粒使渗层碳浓度相对增高，导致脆性增加，使弯曲强度下降，齿面容易剥落。如果出现混晶，有可能使齿牙之间的热处理变形失去规则而无法配对。晶粒细化主要通过添加一定量的细化晶粒元素如Al、Ti、Nb等来达到。为此国内外都在为细化晶粒度积极攻关。目前我国齿轮钢的晶粒度级别一般要求5―8级，而日本特别强调渗碳齿轮钢的晶粒度应不粗于6级，这是值得我们注意的。从目前某些引进齿轮钢来看，昆晶现象极易发生，这就要求钢厂和齿轮厂在工艺上积极采取措施，共同攻克这一难题。国内外对细化晶粒都十分重视。现在倾向一致的看法是：控制Al含量为0.020%―0.055%，同时，配以一定的氮含量0.010%一0.018%，使之形成AIN起钉扎作用，可阻止晶粒长大。
2.使用性能
常见的轮齿失效形式有：轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形，等等。其中产品的疲劳失效，尤其是表面接触疲劳，主要是由于钢中氧含量及夹杂物引起的。由于工业发达国家拥有先进的技术装备和工艺技术，其齿轮钢的氧含量普遍较低。1986年开始至今我国分别从日本、德国、奥地利等国进口的齿轮钢其氧含量波动在（7―18）×10―6。中国电炉单炼的20CrMnTi氧含量水平约（30―40）×10―6，电炉+LF炉双炼法生产的齿轮钢氧含量约25×10―6，经VD真空处理后可达到20×10―6以下。为了适应齿轮钢的新要求，各钢厂经技术改造，生产的齿轮钢纯净度也达到较高水平，大大缩短了与国际水平的差距。我们国家对SCM420H、20MnCr5等引进钢种也进行过脱气和不脱气的对比实验，证实脱气50多以上。通过对20CrMnTiH的氧含量进行脱气实验，当氧含量从25×10―6降到10×10―6以下时，其疲劳寿命可以数倍的增加。其次是钢在凝固过程中由于选分结晶的作用，在钢坯凝固横向及纵向上都会造成成分的不均匀性，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）的层状分布即带状组织，严重的带状组织在齿轮热处理后不但增加变形，而且齿轮在渗碳处理后使齿高各部位的显微硬度造成差异，影响齿轮的疲劳寿命。钢种的不同，带状组织的级别的严重程度也不同，Cr―Mo、Cr―Ni―Mo钢带状组织较其他钢种严重，由于带状组织不易消除，齿轮厂一般要求带状组织小于3级。模铸材由于等轴晶区比连铸材大，其成分的均匀性较连铸材好，带状组织较轻，只要控制好浇注温度及速度，大部分炉号能满足小于3级的要求，而连铸材达到该要求相对要难得多。解决带状组织的根本在于减少成分的偏析，加上与轧后适当的冷速相结合。是非金属夹杂物中B、D类夹杂对齿轮的疲劳寿命影响非常大，这两类夹杂物也与氧含量有关，同时与非金属夹杂物的尺寸及分布有很大关系。目前要求B类夹杂不大于2级，D类夹杂不大于l级。A类夹杂对齿轮钢的疲劳寿命影响不大，并且随着易切削齿轮的发展，钢中对硫含量的上、下限都提出了要求，因此齿轮钢今后对A类夹杂的数量、形态及分布提出要求。C类夹杂为硅酸盐类夹杂，由于冶炼装备的变化，目前国内大多数特钢厂都可以达到1级以下的水平。第三要求冶炼过程要做到均匀成分、减少碳元素的偏析，在保证碳含量稳定的同时，以Cr、Mn作为齿轮钢主加元素进行调整，Ti含量应该控制在下限，原因是Ti量超过钢的溶度积时，在钢中易形成TiN大颗粒，对齿轮钢的接触疲劳抗力极为不利。另外因为Si在渗碳层中最易导致内氧化形成“黑色网状组织”缺陷，使疲劳寿命急剧降低。因此渗碳齿轮钢有降低钢中［Si］含量的趋势（Si≤0.12%），同时也加快了齿轮的渗碳速度。Ti在钢中与N、C生成尖、棱角且非常硬的Ti（C、N）化合物，轧制时不变形并在其与基体之间造成裂纹，因此对齿轮的疲劳寿命影响较大。所以齿轮钢不宜加较多的Ti细化晶粒或防止混晶，推荐采用A1或加少量Nb细化晶粒。
七、结语
由于我们国家Ti金属的含量比较多，因此汽车齿轮的材料使用，可能还有很长的一段路要走，但是Ti金属的污染比较大，国外发达国家基本都不用Ti而用Al金属来替代。这是我们以后要研究的课题。
参考文献：
［1］浅谈中国汽车用齿轮钢的质量要求与水平.中国重型机械综合资讯，2010.06.30.
［2］我国汽车齿轮行业发展趋势深度分析.中华机械网，2011.06.15.
［3］郭寿鹏主编.20CrMnTiH末端淬透性试验条件.山东省金属学会理化检验学术委员会理化检验学术交流会论文集，2009.
［4］吕长海，朱波，魏�，王显军，余德河.电炉20CrMnTiH齿轮钢质量现状与质量控制.莱钢科技，2006，（5）.
［5］陈德凯，吕长海，朱波，吕国华，赵丽华.20CrMnTiH齿轮钢淬透性带短流程生产工艺.山东冶金，2010，（3）.
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文
