我國齒輪鋼的生產(chǎn)主要集中在特鋼企業(yè)，大約占總量的35%。1、生產(chǎn)工藝路線
我國齒輪鋼的生產(chǎn)工藝路線基本上有兩種類型：1)EF(或BOF)+LF(或VAD或RH)精煉→模注成錠→初軋開坯(或鍛材)→橫列式軋機或半連軋軋機成材→精整→檢驗入庫;2)UHP(或EBT)+LF/VD精煉→合金鋼方坯連鑄→(半)連軋軋機成材→精整→檢驗入庫。
2、主要鋼種
按照合金系列分類，齒輪鋼可分為Cr-Mn-Ti系、Cr系、Mn-Cr系、Cr-Mo系、Cr-Mn-B系以及Cr-Ni-Mo系。
Cr-Mn-Ti系：主要以20CrMnTiH為主，同時根據(jù)不同車型、不同齒輪廠的加工工藝，20CrMnTm又可以分為H1，H2、H3等不同淬透性帶寬的子鋼號系列。并且在原有的20CrMnTi的基礎(chǔ)上，一汽與有關(guān)冶金廠開發(fā)了16CrMnTiH、18CrMnTiH鋼，用于小紅旗轎車齒輪生產(chǎn)。
Cr系齒輪鋼：鋼種為SCr420H，與中國GB/T5216-85標(biāo)準(zhǔn)中20CrH相比較，Mn、Cr含量均有提高，淬透性略高，用于夏利轎車、東風(fēng)EQ1538t載重卡車變速箱齒輪。
Cr-Mn系齒輪鋼：鋼種為16MnCr5、20MnCr5、25MnCr5、28MnCr5、27MnCr5，主要用于奧迪、捷達(dá)、桑塔那及富康轎車齒輪，依維柯中巴車及部分引進(jìn)的重型卡車齒輪。
Cr-Mo系齒輪鋼：鋼種為SCM415H、SCM420H、SCM822H1(H2)、16CD4，20CD4，27CD4，30CD4等牌號，主要用于標(biāo)致轎車、五十鈴中巴、153中型卡車齒輪生產(chǎn)。
Cr-Mn-B系齒輪鋼：品種主要是德國的ZF6(16CrMnBH)，ZF7(B)(18CrMnBH、20CrMnBH)。ZF鋼是經(jīng)過B處理的Cr-Mn系齒輪鋼。主要用于斯太爾重型卡車齒輪。B在這類鋼中的作用主要是形成球狀BN，降低鋼中固溶N量，提高鋼的韌性，而傳統(tǒng)的滲碳硼鋼中B主要起提高淬透性的作用。
Cr-Ni-Mo系齒輪鋼：鋼種主要為SAE8620H、SAE8627H、SAE4320H美國鋼號及ZFlA(或17CrNiMo6)德國鋼號，用于切諾基轎車、斯太爾卡車齒輪。
鑒于各國資源和生產(chǎn)工藝條件的差異，每個國家和地區(qū)應(yīng)用的齒輪鋼合金系列不盡相同，例如：德國采用Mn-Cr系列和Cr-Mn-B系列(16MnCr5，20MnCr5，25MnCr5，28MnCr5，ZF6，ZF7，ZF7B);日本應(yīng)用Cr系和Cr-Mo3系(SCr420H，SCM415H，SCM420H，SCM822H);美國采用Cr-Ni-Mo系(SAE8617H，SAE8620H);法國采用Cr-Ni系(19CN5)和Cr-Mo系(20CD4，27CD4，30CD4)齒輪鋼;中國大量使用的是20CrMnTi齒輪鋼。
三、齒輪用鋼的冶金質(zhì)量要求
齒輪鋼不但要有良好的強韌性、耐磨性，承受沖擊，彎曲和接觸應(yīng)力，且還要變形小、精度高、噪音低。齒輪的生產(chǎn)和加工工藝，除了一般的淬火、回火熱處理外，還采用滲碳淬火、氮化處理、高頻淬火等多種表面硬化處理。通常，齒輪制造對齒輪鋼的技術(shù)要求主要有：
(1)足夠的心部淬透性和良好的深層淬透性，確保齒輪滲碳淬火時滲層和心部不出現(xiàn)過冷奧氏體分解產(chǎn)物;
(2)齒輪滲碳淬火后變形小，免去或減少磨削加工，降低運行噪音;
(3)良好的成形性;
(4)良好的可熱處理性。
高質(zhì)量水平的齒輪鋼主要表現(xiàn)在三個方面：即末端淬透性帶窄，離散度小;純潔度高;晶粒細(xì)小均勻。此外，良好的加工性能(包括冷、熱加工性和易切削性)也是齒輪行業(yè)所關(guān)心的重要指標(biāo)。
1、末端淬透性
用末端淬透性來代替以往的機械性能檢驗是評價齒輪鋼質(zhì)量的重大進(jìn)步。末端淬透性的穩(wěn)定與否對齒輪熱處理后變形量的影響很大，淬透性帶寬度愈窄，離散度愈小，愈有利于齒輪的加工及提高其嚙合精度。我國現(xiàn)行的GB/T5216-2004《保淬透性結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中的淬透性帶“帶寬"水平與美國、德國的H鋼(HH鋼、HL鋼)標(biāo)準(zhǔn)水平基本上是相當(dāng)?shù)摹Ｎ覈壳皩X輪的帶寬控制情況是:骨干企業(yè)是兩點控制，J9一般為6～8HRC，J15一般為6～10HRC;一般企業(yè)要求符合GB/T3077-1999或單點控制。國外對齒輪鋼淬透帶寬的控制一般是全帶控制在4～7HRC。
2、鋼中氧含量及夾雜物的要求
氧含量對齒輪疲勞壽命的影響已越來越受到人們的關(guān)注。日本對Cr、Cr-Mo、Cr-Ni-Mo滲碳合金鋼的氧含量和疲勞壽命之間的關(guān)系曾做過實驗，當(dāng)氧含量從25×10E-6降到10×10E-6以下時，其疲勞壽命可以數(shù)倍的增加，中國對SCM420H、20MnCr5等引進(jìn)鋼種也進(jìn)行過脫氣和不脫氣的對比實驗，證實脫氣50多以上。由于工業(yè)發(fā)達(dá)國家擁有的技術(shù)裝備和工藝技術(shù)，其齒輪鋼的氧含量普遍較低，1986年開始至今我國分別從日本、德國、奧地利等國進(jìn)4口的齒輪鋼其氧含量波動在(7～18)×10E-6。中國電爐單煉的20CrMnTi氧含量水平約(30～40)×10E-6，電爐+LF爐雙煉法生產(chǎn)的齒輪鋼氧含量約25×10E-6，經(jīng)VD真空處理后可達(dá)到20×10E-6以下。為了適應(yīng)齒輪鋼的新要求，各鋼廠經(jīng)技術(shù)改造，生產(chǎn)的齒輪鋼純凈度也達(dá)到較高水平，大大縮短了與國際水平的差距。
目前齒輪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已將汽車用齒輪鋼的氧含量規(guī)定為≤20×10E-6，而很多采用LF+VD或LF+RH精煉處理的特殊鋼廠家，已可以將齒輪鋼的氧含量控制在15×10E-6以下。非金屬夾雜物中B、D類夾雜對齒輪的疲勞壽命影響非常大，這兩類夾雜物也與氧含量有關(guān)，同時與非金屬夾雜物的尺寸及分布有很大關(guān)系。目前要求B類夾雜不大于2級，D類夾雜不大于l級。A類夾雜對齒輪鋼的疲勞壽命影響不大，并且隨著易切削齒輪的發(fā)展，鋼中對硫含量的上、下限都提出了要求，因此齒輪鋼今后對A類夾雜的數(shù)量、形態(tài)及分布提出要求。C類夾雜為硅酸鹽類夾雜，由于冶煉裝備的變化，目前國內(nèi)大多數(shù)特鋼廠都可以達(dá)到1級以下的水平。
3、晶粒度
晶粒尺寸大小是齒輪鋼的又一項重要指標(biāo)，細(xì)小均勻的奧氏體晶粒度對穩(wěn)定鋼材的末端淬透性，減少齒輪熱處理后的變形量，提高滲碳鋼的脆斷抗力具有重要意義。因為粗粒的晶粒使?jié)B層碳濃度相對增高，導(dǎo)致脆性增加，使彎曲強度下降，齒面容易剝落。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。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。
現(xiàn)在比較一致的看法是：控制Al含量為0.020%～0.055%，同時，配以一定的氮含量0.010%-0.018%，使之形成AIN起釘扎作用，可阻止晶粒長大。
4、加工性和易切削性
隨著齒輪加工線的自動化，為了不斷提高生產(chǎn)效率，許多國家正在研究使用易切削的齒輪鋼。在法國和德國標(biāo)準(zhǔn)中，有許多硫有下限要求的鋼號，其硫含量一般只0.020%～0.035%，而不是原先概念中硫越低越好的思路。這些鋼比我國國標(biāo)GB731-88易切削結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件中的硫含量(*低的S=0.040%～0.080%，*高的S=0.23%～0.33%)低得多。顯然僅按常規(guī)的冶煉方法來提高易切削性仍是比較困難的，需要通過合適的冶煉工藝以改善硫化物的形狀及其分布狀態(tài)來達(dá)到。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，也是提高切削性能的有效途徑。
5、帶狀組織
鋼在凝固過程中由于選分結(jié)晶的作用，在鋼坯凝固橫向及縱向上都會造成成分的不均勻性，在軋制后的冷卻過程中由于成分偏析會形成組織(鐵素體與珠光體)的層狀分布即帶狀組織，嚴(yán)重的帶狀組織在齒輪熱處理后不但增加變形，而且齒輪在滲碳處理后使齒高各部位的顯微硬度造成差異，影響齒輪的疲勞壽命。
鋼種的不同，帶狀組織的級別的嚴(yán)重程度不同，Cr-Mo、Cr-Ni-Mo鋼帶狀組織較其它鋼種嚴(yán)重。由于帶狀組織不易消除，齒輪廠一般要求帶狀組織小于3級。模鑄材由于等軸晶區(qū)比連鑄材大，其成分的均勻性較連鑄材好，帶狀組織較輕，只要控制好澆注溫度及速度，大部分爐號能滿足小于3級的要求。而連鑄材達(dá)到該要求相對要難的多。解決帶狀組織的根本在于減少成分的偏析，再加上與軋后適當(dāng)?shù)睦渌傧嘟Y(jié)合。
6、表面質(zhì)量
齒輪鋼都是熱頂鍛用鋼，對鋼材的表面質(zhì)量要求很嚴(yán)，無論是GB/T3077-1999，還是新近由中國齒輪專業(yè)協(xié)會制定的《車輛用齒輪鋼技術(shù)條件》，都對此有較嚴(yán)格要求。我國齒輪鋼目前的表面質(zhì)量同水平相比，還有很大差距。
7、其它方面
因為Si在滲碳層中*易導(dǎo)致內(nèi)氧化形成“黑色網(wǎng)狀組織"缺陷，使疲勞壽命急劇降低。因此滲碳齒輪鋼有降低鋼中[Si]含量的趨勢(Si≤0.12%)，同時也加快了齒輪的滲碳速度。Ti在鋼中與N、C生成尖、棱角且非常硬的Ti(C、N)化合物，軋制時不變形并在其與基體之間造成裂紋。因此對齒輪的疲勞壽命影響較大，所以齒輪鋼不宜加較多的Ti細(xì)化晶?；蚍乐够炀В扑]采用A1或加少量Nb細(xì)化晶粒。
四、目前齒輪鋼的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)
1、各國汽車用鋼的國家標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量要求
汽車用齒輪鋼都為保淬透性結(jié)構(gòu)鋼，目前中國的保淬性用鋼標(biāo)準(zhǔn)與ISO、DIN標(biāo)準(zhǔn)相近，都有寬帶與窄帶之分，中國的保淬透性用鋼標(biāo)準(zhǔn)還略嚴(yán)于其它國家的標(biāo)準(zhǔn)。下表統(tǒng)計了部分代表性的齒輪鋼標(biāo)準(zhǔn)。
表1.典型汽車廠齒輪鋼的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)及用途2、汽車齒輪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及國內(nèi)外主要齒輪企業(yè)要求齒輪鋼的標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量要求GB/T5216及國外的保淬透性用鋼等基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)，對鋼中氧含量不要求且淬透性帶較寬，不能較好的滿足齒輪行業(yè)對齒輪加工的要求，2004年齒輪行業(yè)協(xié)會公布了CGMA001-1：2004《車輛齒輪用鋼技術(shù)條件》和CGMA00-2：2004《車輛齒輪用鋼市場準(zhǔn)入條件》，在這兩個標(biāo)準(zhǔn)中，明確了汽車齒輪鋼的氧含量應(yīng)≤20ppm，鋼中非金屬夾雜物應(yīng)滿足：A類細(xì)系≤2.5級，粗系：≤2.5級;B類細(xì)系≤2.5級，粗系：≤2.5級：C類細(xì)系：≤2.0級，粗系≤2.0級;D類細(xì)系：≤2.5級，粗系：≤2.5級。晶粒度應(yīng)≤5級。中國目前齒輪鋼的生產(chǎn)水平已達(dá)到的水平，但比起日本、德國、美國生產(chǎn)的齒輪鋼還有一些差距特別是在帶狀組織的控制上。
五、我國齒輪鋼的發(fā)展趨勢
由于引進(jìn)車型增多，目前我國汽車齒輪鋼已發(fā)展成Cr-Mn-Ti及Cr-Mo、Cr-Ni-Mo、Mn-Cr、Cr-Mn-B并存的狀態(tài)，質(zhì)量要求也與國外汽車廠基本相同，隨著國內(nèi)特鋼精煉、真空脫氣、連鑄水平的提高，汽車用齒輪鋼在淬透8帶的控制、氧含量、晶粒度、非金屬夾雜物、帶狀組織等方面已基本達(dá)到水平。
有些特鋼企業(yè)為進(jìn)一步鞏固齒輪鋼的市場**和優(yōu)勢地位，全面推進(jìn)齒輪鋼升級工作，促進(jìn)高精尖新產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)品向市場的快速拓展，很多齒輪鋼新產(chǎn)品走上行業(yè)用戶的產(chǎn)品使用序列。如20CrMnTiSH3應(yīng)用于轎車發(fā)動機，該特鋼企業(yè)還重點開發(fā)低鈦、Mn-Cr系列齒輪鋼等升級換代產(chǎn)品，加大高附加值齒輪鋼的工藝技術(shù)改進(jìn)和質(zhì)量升級，提升產(chǎn)品規(guī)?；б?。該產(chǎn)品已經(jīng)打入中國一汽、二汽、重汽和天津天海同步器等國內(nèi)大型企業(yè)，產(chǎn)品領(lǐng)域不斷拓寬。
由此，齒輪鋼的技術(shù)發(fā)展方向應(yīng)是：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;控制齒輪鋼中的殘余奧氏體量;減少晶界偏析元素的含量;開發(fā)和應(yīng)用噴丸表面強化技術(shù)，增加表面的殘余應(yīng)力;研究和開發(fā)的新型齒輪鋼必須滿足高強度、經(jīng)濟性、生產(chǎn)性等多種要求;由于制造齒輪時需進(jìn)行大量的切削加工，還需要開發(fā)易切削齒輪鋼。
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