论齿轮钢的发展现状及趋势

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。
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。
钢种
厂家
淬透性 带宽J9
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
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 ……
标准要求
A系
B系
夹杂物 夹杂物
晶粒度
淬透性带宽 J9
兴澄特钢
6
2.5
2.0
≥5
ห้องสมุดไป่ตู้4-6
实物质量
A系
B系
夹杂物
夹杂物
1.5
0.5
[O]范 [O]均
围
值
<15
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
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 ……
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
3.60
4.0
4.05
4.52
20CrMoH
2.0
0.0 Hot-Rolled Normalized Annealed
2.我国齿轮钢现状
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。
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。
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.
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。
880℃淬火 保温1h
度
空
冷
1.1%C 0.85%C
空
冷
18h
2h
油冷
180℃回火 保温2h
空 冷
渗层组织
时间/h
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。
Impact Fatigue Pitting Scouring Wear
Final driven gear
Planetary
Final drive gear
& Sun 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 温
650℃回火 保温3h
≥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
2.0
2.0
Ⅱ
-
粗系
2.5
2.0
1.5
1.5
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。
GB/T 5216-2004
GB/T 5216-201X
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
组别
A 夹杂物类型
B
C
D
DS
级别 不大于
细系
2.5
2.5
1.5
1.5
Ⅰ
2.0
粗系
2.0
1.5
1.0
1.0
细系
3.0
3.0
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