论齿轮钢的发展现状及趋势

Year
3.1 齿轮钢质量控制技术
通过齿轮钢冶金质量控制，提高产品质量稳定性，可以 改善工艺性能和使用性能，从而实现高性能化。具体包括：
① 淬透性控制技术
② 带状组织控制技术
③ 硫化物控制技术
（1）齿轮钢淬透性带宽控制
化学成分
3.0 SAE 8620H 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 24 26 28 30 32 34 J9点硬度值,HRC
50 45
64 模型预 测值 64-1钢研院检测 64-2钢研院检测
Hardness, HRC
40 35
HRC39 HRC35 HRC33
30
炉号:13000064
25
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Distance from quench end, mm
（2）齿轮钢带状组织控制
T Ochi. Tetsu-to-Hagane，2011, 97(11): 52
齿轮钢的技术要求
淬透性：淬透性过低难以保证心部性能，过高容易导致渗碳淬火 变形大，因此齿轮钢对淬透性范围具有苛刻的要求。 氧含量和夹杂物：渗碳层硬度高，容易在夹杂物和基体界面处起 裂，从而发生疲劳破坏。 晶粒度：渗碳时间长，晶粒容易长大，导致渗碳变形不均匀、疲 劳性能降低。 带状组织：影响渗碳变形、渗层组织和硬度，用户希望低于3级。 加工性能 ……
3.齿轮钢技术发展趋势
齿轮钢发展趋势是低成本化和高性能化 齿轮钢的发展趋势：低成本化（LCA）

15
Carburizing time, h 12 9
高温渗碳齿轮钢（控制晶粒长大） 易切削齿轮钢（控制硫化物） 免等温退火（控制带状组织） 低成本合金元素（降低Ni、Mo含量）
900℃ 1000℃ 7 4.5 1.5 1.2 1.5 Case depth, mm 2.5 12
Fig. 2. Sub-surface fatigue failure of conformal gear from inclusion ((a) location of conformal gear, (b) gear tooth failure, (c) location of sub-surface inclusion & beach marks, and (d) EDAX dot map showing aluminum oxide rich areas). D.P. Davies, S.L. Jenkins, F.R. Belben. Survey of fatigue failures in helicopter components and some lessons learnt. Engineering Failure Analysis, 2013, 32: 134–151.
通过连铸工艺优化来控制连铸坯成分偏析 通过轧制工艺优化来控制相变规律和带状组织 连铸坯加工工艺优化 轧制工艺优化（变形温度、速率、变形量、终轧温度） 轧后冷却工艺优化 通过退火热处理工艺优化来控制带状组织
通过连铸坯加工工艺优化减轻带状组织
22CrMoH 齿 轮 钢 连 铸 坯 轧 制 过 程 步 进 加 热 炉 均 热 段 1200-1240 ℃ 提 高 到 1230-1270 ℃ ， 出 炉 温 度 12001220℃提高到1230-1250℃。
0.5h
650℃ 1.5h
空冷
退火工艺
时间
热轧态:1.0级 退火态:1.5级 新日铁SCM822H齿轮钢
级别 2.0 2.5 3.0 3.5 炉数 19 21 7 5 该级所占比例（%） 36.5 40.4 13.5 9.6
国内某企业 不高于该级所占比例（%） 36.5 76.9 90.4 100.0
产业规模10年增加近十倍：2002年全国齿轮钢产量30多万吨， 2012年超过了300万吨。 技术进步显著，产品质量大幅度提升。以氧含量为例，2002年还 不能保证控制在20ppm以下，现在主要生产企业能够达到。
标准要求 钢种 厂家 淬透性 带宽J9 兴澄特钢 6 A系 夹杂物 2.5 B系 夹杂物 2.0 实物质量
晶粒度
≥5
淬透性带宽 J9
4-6
A系 夹杂物 1.5
B系 夹杂物 0.5
[O]范 围
<15
[O]均 值
12
20CrMnTi
莱钢特钢
6-12
3.0/2.5
3.0/2.0
5-8
6-12
3.0
3.0
20-12
16
西宁特钢
8-12
<3.0
<3.0
≥5
6-8
<2.5
18-4
9
我国齿轮钢生产企业较多，主要有：中信泰富（兴澄、大冶）、东北 特钢（大钢、抚钢、北满）、莱钢、石钢、西宁特钢、宝钢特 钢、……。企业间装备、工艺、品种差异化不大，造成同质化竞争局 面。我国齿轮钢生产流程主要有电炉流程和转炉流程。 电炉(30t->100t)+炉外精炼【LF+VD(RH)】+连铸（小方坯、大矩 形坯、大圆坯）+轧制 转炉(高达300t）+炉外精炼【LF+VD(RH)】+连铸（小方坯、大矩 形坯、大圆坯）+轧制
5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
我国齿轮钢存在体系繁杂的问题，与车辆品牌多样化有 关。
日本Cr系、Cr-Mo系 （SCr420H、SCM420H） 德国Mn-Cr系 （16-28MnCr5H） 美国Cr-Ni-Mo系(8620H) 国内20CrMnTi ……
GB/T 5216-2004
GB/T 5216-201X
2% 38% 60%
车辆齿轮
工业齿轮
齿轮装备
德国豹2坦克液力综合传动装置
齿轮作为传动系统的重要零部件，要求具有高的可靠性、 长寿命、抗冲击、耐磨损等性能要求。
齿根破坏（冲击、弯曲疲劳） 齿面破坏（接触疲劳、胶合、磨损）
Tooth root breakage Tooth face breakage
Sanyo New Refining Process
[O]=5ppm
[O]=5ppm
齿轮钢的技术要求
淬透性：淬透性过低难以保证心部性能，过高容易导致渗碳淬火 变形大，因此齿轮钢对淬透性范围具有苛刻的要求。 氧含量和夹杂物：渗碳层硬度高，容易在夹杂物和基体界面处起 裂，从而发生疲劳破坏。 晶粒度：渗碳时间长，晶粒容易长大，导致渗碳变形不均匀、疲 劳性能降低。
特殊钢分会特钢冶炼学术委员会2014特钢年会
齿轮钢现状和技术发展趋势
曹燕光，王毛球
钢铁研究总院特殊钢研究所
2014年9月18日
内容提要
1. 齿轮钢技术要求 2. 我国齿轮钢现状 3. 齿轮钢技术发展趋势
齿轮钢质量控制技术 齿轮钢新品种开发
4. 结束语
1.齿轮钢技术要求
齿轮钢是量大面广的特殊钢，广泛用于制造车辆齿轮、工 业齿轮、齿轮装置等。
2030 2020 2020 2010
35
2015 2011 19961998
2011 2010
40
1200
2000 1990
Fatigue strength at 10 cycles (MPa)
1Байду номын сангаас00
30
Engine Size
1974
1974 1971 1970 1964
HP/L
1980 1970 1960 1950
温 度
\℃
1.1%C 18h
0.85%C 2h
空 冷
空 冷
时间/h
渗层组织
心部组织
齿轮钢的技术要求
淬透性：淬透性过低难以保证心部性能，过高容易导致渗碳淬火 变形大，因此齿轮钢对淬透性范围具有苛刻的要求。
齿轮钢的技术要求
淬透性：淬透性过低难以保证心部性能，过高容易导致渗碳淬火 变形大，因此齿轮钢对淬透性范围具有苛刻的要求。 氧含量和夹杂物：渗碳层硬度高，容易在夹杂物和基体界面处起 裂，从而发生疲劳破坏。
Impact
Fatigue
Pitting
Planetary & Sun gear
Scouring
Wear
Final driven gear
Final drive gear
为满足齿轮表面高硬度、心部高韧性要求，齿轮钢一般为 低碳钢(0.20%C)，并经表面渗碳处理。
930℃渗碳 650℃回火 保温3h 空 冷 880℃淬火 保温1h 180℃回火 保温2h 油冷
国内外齿轮钢标准更新
保证淬透性结构钢 GB/T 5216-201X
• [O]≤0.0020% • 非金属夹杂物合格级别
A 组别 夹杂物类型 级别 不大于 细系 Ⅰ 粗系 细系 Ⅱ 粗系 2.5 2.0 1.5 1.5 2.0 3.0 1.5 3.0 1.0 2.0 1.0 2.0 2.5 2.5 1.5 1.5 2.0 B C D DS
如需方有不同级别要求或需要含硫钢，其合格级别由供需双方协商确定。
我国齿轮钢产品质量仍不能完全满足用户要求，大多数企 业产品与国际先进水平有一定差距。
硫化物控制技术不过关，满足不了用户干切齿轮的要求。 带状组织不能稳定控制在3级以下，满足不了用户控制渗碳淬火变 形的需要。
930℃
温度
炉冷
德国ALD（高温）真空渗碳炉
……
6
3 0
4
2.0
日本大同（高温）真空渗碳炉ModulTherm
齿轮钢的发展趋势：高性能化
齿轮钢高性能化有利于实现汽车轻量化 通过冶金质量控制，提高弯曲疲劳和接触疲劳性能 ……
45
W.E. ENGINE SIZE AND SPECIFIC OUTPUT
1980 1977
19841983
25 20 15 10
Avg CC kW/L
800
Gears and Shafts (carburized+shot peened)
Year
7
Springs (hardened) Fastners (hardened)
1958
600
2000 1980 1 3
1940 1930 1920
5 0
400
Forged parts (microalloyed)
10
Charpy impact value (Arbitrary scale)
19 90 19 91 19 92 19 93 19 94 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05 20 06
铁素体带宽: 0.104mm 带状组织级别: 4.0级
铁素体带宽: 0.066mm 带状组织级别: 2.0级
通过轧制工艺优化来减轻带状组织
5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 970 0.0 0.1 0.3 0.5 0.7 900 1.0 1.5 终轧温度 , ℃
带状组织级别
通过等温退火工艺控制带状组织
淬透性
渗碳变形
渗碳变 形率,%
（a）化学成分的精确控制 （b）化学成分均匀性控制
36
Hardenability - Error
Semi-finished billet
利用开发的淬透性预测模型，考虑连铸坯及钢棒尺寸等因素，并结合 现场生产工艺优化控制，成功将20CrMoH齿轮钢的J9点和J15点预测值偏 差控制在2HRC以内。
20CrMoH
C偏差(钢材-熔炼成分),% 0.04 0.02
0
-0.02 -0.04
0
30
60 90 120 钢材规格, mm
150
利用淬透性预测模型，指导碳和合金元素成分微调。以后桥从 动齿轮要求22CrMoH齿轮钢的J15=HRC33-39为例，其成分控制要求 如下：
C 标准范围 内控范围 钢包目标 LF/VD目标 成品目标 0.19-0.25 0.20-0.22 0.18 0.21 0.21 Si 0.17-0.37 0.20-0.30 0.17 0.25 0.25 Mn 0.55-0.90 0.75-0.80 0.55 0.78 0.78 Cr 0.85-1.25 1.05-1.10 0.85 1.08 1.08 Mo 0.35-0.45 0.37-0.39 0.35 0.38 0.38
齿轮钢是特殊钢中量大 面广的材料，其技术要 求较高，并且对质量稳 定性要求极高。
6.0 4.0 2.0
3.60
4.05
4.52
20CrMoH
0.0
Hot-Rolled Normalized Annealed
2.我国齿轮钢现状
近年来随着我国特钢行业和汽车行业的快速发展，齿轮钢 生产取得巨大进步。