摘要：中、重载齿轮选择低碳合金钢做渗碳淬火处理，主要是为了在齿部表层获得高的硬度、耐磨性和接触疲劳强 度的同时，保证心部具有高的强韧性。只有心部具有适当的硬度，才有足够的心部强度去支撑承受负荷的表面渗碳层。渗碳齿轮钢的抗过载能力也主要决定于心部强度和其有关的韧性指标。而轮齿的心部硬度是由其心部淬透性决定的。只有严格控制轮齿心部淬透性和表层的淬透性才有可能保证齿轮的性能。同时齿轮钢材的纯净度不仅影响到产品的机械性能，特别是抗疲劳性能，而且还直接影响到齿轮的生产过程中的冷、热加工及热处理工艺性能。所以说齿轮材料的淬透性的高低、淬透性值的稳定性以及材料的纯净度是齿轮性能非常关键的决定因素。本人从理论及工作的实践验证中，从四个方面总结分析了低碳合金钢的淬透性及纯净度对渗碳齿轮性能影响的相关因素，为制造硬齿面中、重载齿轮的材料选择及冶金质量要求和用材提供一定的参考。

O、前言

齿轮轮齿心部硬度对整个渗碳齿轮的性能影响很大，适当的心部硬度，才有足够的心部强度去 支撑承受负荷的表面渗碳层；如果心部强度不足，对表面硬、脆的渗层缺少足够的支撑，渗层就易 碎裂、剥落、甚至塌陷。通过我们实践也表明：渗碳齿轮钢的抗过载能力也主要决定于心部强度和 其有关的韧性指标。因此，很多重要的渗碳齿轮都严格规定了心部的硬度值。

由于齿轮的心部淬透性决定了轮齿的心部硬度，这也就是钢的淬透性必须满足渗碳齿轮心部硬 度要求的道理。因此，常在钢中添加 Cr、Mn、Ni、Mo、W、B 等元素来提高钢的淬透性，以利于中、 重载齿轮实现渗碳后的淬火强化，使齿部表面和心部均可获得马氏体组织，具有良好的综合力学性 能，满足齿轮的使用要求。钢材的纯净度对齿轮的疲劳强度及寿命有较大的影响，而且还直接影响 到齿轮的冷、热处理工艺性能。因此，只有从材料源头抓起，把好齿轮钢冶金质量关，特别是钢材 的纯净度，控制好中、重载齿轮心部淬透性（本体低碳部分的淬透性）和表层的淬透性（高碳部分 的淬透性），才可使齿轮的性能和可靠性得到保证。所以对齿轮材料的淬透性及纯净度合理要求显 得尤为重要。

一、渗碳钢的淬透性及其对齿轮性能的影响

渗碳钢的淬透性包含两个方面内容，一是钢材的淬透能力，主要是保证不同大小齿轮的心部硬 度以满足接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的要求；另一个是淬透性带宽度，尽可能小的淬透性带宽度 有利于齿轮热处理变形的离散度减小，有利于齿轮的加工和啮合精度的提高；减少硬度及强度的波 动范围；稳定热处理工艺。

1、渗碳齿轮钢的淬透能力：齿轮渗碳钢的淬透性包含了心部淬透性和表层的淬透性。 心部淬透性决定了轮齿的心部硬度，合适的轮齿心部强度，才能对表面硬、脆的渗层提供足够

的支撑，避免渗层易碎裂、剥落、甚至塌陷的情况出现，才能提高渗碳齿轮钢的抗过载能力。 在实践中，除了考虑心部淬透能力外，还要考虑渗碳后表面层的淬透性，当渗碳到表面层含碳

量至共析成分以上时，其渗碳层的淬透性并不相同，也可能有显著的差别。由于渗碳层的淬透性随 着表面层含碳量的提高而增加，所以应控制在一定范围内。一般渗碳层表面的含碳量控制在0.8‐1.05% 之间，其下限应保证齿轮渗碳淬火后表面获得高碳马氏体组织和必要的淬火硬度，其上限应保证渗 碳层得到良好的淬火组织；如果淬透性过高，渗碳层中易产生大块或网状碳化物，以及过多的残余 奥氏体，会增加硬化层的脆性，损害渗碳齿轮的抗弯曲强度和抗点蚀剥落、抗摩擦磨损的能力。

钢的淬透能力也不是越高越好，必须与齿轮的尺寸、技术要求等匹配。一般来讲齿轮尺寸越大， 要求齿轮钢的淬透性越好。若钢的淬透性选择过高，将使渗碳齿轮的心部硬度超过规定的上限数值， 使用时易发生脆性破坏；同时还会使渗碳淬火后的变形增大。因此，钢的淬透性应限制在合适的范 围内，其下限应保证齿轮渗碳淬火后的心部硬度符合图纸要求，上限应保证齿轮渗碳淬火后的变形量符合工艺要求。 2、渗碳齿轮钢的淬透带宽度：钢的淬透性能带的宽窄程度直接关系到齿轮淬火后硬度的分散程度，也影响了渗碳齿轮性能的一致性。淬透性带宽越窄，渗碳齿轮的生产工艺才能越稳定，过冷奥 氏体的稳定性就越好，齿轮心部硬度的一致性也越好。齿轮心部硬度的一致性将减少热处理的畸变， 从而提高齿轮的精度，并使轮齿表层的残余压应力分布更加均匀。所以齿轮钢对于淬透性带宽有非 常高的要求，淬透性带越窄、离散度越小，越有利于齿轮加工和提高啮合精度，提高产品质量。

二、影响低碳合金钢淬透性的有关因素

钢材的淬透性取决于钢材本身的内在因素，而与外部因素无关；而钢材的淬硬层厚度除取决于 淬透性外，还与所采用的淬火温度、淬冷介质、加热方式、工件结构尺寸等因素有关。影响钢材的 淬透性的主要因素有：钢材的化学成分及冶金质量（纯净度、晶粒度、组织均匀性等）。

1、钢材的化学成分是影响淬透性最重要的因素

1.1、C 对低碳合金钢淬透性的影响

C 对淬透性和淬硬性都有明显的提高作用，淬透性随钢中 C 含量的增加而变大。因为伴随奥氏 体中 C 含量增加，大大降低了钢的临界冷却温度，使得钢的临界直径 D1 增大，明显提高了钢材的淬 透性。因此钢中含碳量对渗碳齿轮的性能有较大影响，不能过低或过高。含碳量太低，虽然能保证 齿轮心部有良好韧性，但心部强度也随之大大降低；含碳量过高，心部强度虽然有所提高，但会增 加心部脆性，在冲击载荷或较大过载作用下容易断裂。适宜的含碳量既能保证渗碳齿轮的心部具有 足够的强度和韧性，同时表面碳浓度较低也有利于渗碳过程的进行。

1.2、合金元素对低碳合金钢淬透性的影响 碳素渗碳钢经渗碳、淬火处理后，虽然表面具有高的硬度和耐磨性，但其淬透性很差，心部强

度较低，故其应用范围有限。为了提高渗碳齿轮的心部性能，往往在钢中加入一定数量的合金元素， 制成合金渗碳钢，以适应截面尺寸较大，承载能力较高的各种重要的中、重载渗碳齿轮的需要。

合金元素对低碳合金钢生产的渗碳齿轮性能起到非常关键的作用。合金元素通过提高钢的淬透 性来提高渗碳齿轮强度和韧性，并对齿轮减少热处理的变形起到一定作用。根据选材、热处理及使 用维修中的实践，对常加入的合金元素在提高钢的淬透性方面的作用总结如下：

1.2.1、Mn、Cr 增加过冷奥氏体稳定性，抑制珠光体的转变，进而提高钢淬透性。Si、Cr 能起 到降低钢临界冷却速度的作用，使得淬透性增大。

1.2.2、Ti 固溶于基体，本身提高淬透性，但在不同合金钢中存在 Ti 含量对淬透性的峰值，当 Ti 含量大于或小于峰值时，淬透性都会减小。这是因为超过一定范围的 Ti 和 C 相结合形成的 TiC， 其熔点很高，在钢材料中以细小质点形式存在，在淬火过程中为珠光体形核提供核心，细化晶粒， 降低奥氏体有效含量。因此此时 Ti 对淬透性是起到降低作用的。所以在考虑 Ti 对淬透性影响中要 特别注意，辩证的对待 Ti 影响。

1.2.3、合金钢中加入微量硼 B (0.0001%-0.0035%)可以显著地提高钢材的淬透性能，改善钢的 致密性和热轧性能，提高强度。因此钢中加入微量硼可以代替一定数量的锰、镍、铬、钼等贵重合 金元素。用 20MnVB 和 20Mn2TiB 钢代替 20CrMnTi 渗碳钢制造齿轮的大量使用便是硼钢得到广泛应用 例证。

2、钢的冶金质量对其淬透性的影响

钢的纯净度主要是反映钢中的 N、H、O 及 P、S 等有害物质含量的控制水平。尤其是 O 的含量影 响最为明显。由于 N、H、O、P、S 在齿轮钢中的存在，形成了非金属夹杂物，也是钢中杂质的主要 部分。非金属夹杂物提高了珠光体形核率，转变的孕育期减少，钢的淬透性降低。

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，提高了钢材的淬透性。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，组织的均匀程度越高，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。

三、低碳合金钢渗碳齿轮材料淬透性控制现状及实践中要求与运用

钢材淬透性能对轮齿心部的硬度和畸变都有极其重大的影响。过去，我国的低碳合金钢在钢材 出厂时，只保证钢材的化学成分和用样品测定的力学性能，但是在重要齿轮生产时，常常出现化学 成分和力学性能合格的钢材，由于淬透性能波动范围过大而影响产品质量的情况。例如若 20CrMnTi 渗碳钢的淬透性过低，则制成的齿轮渗碳淬火后，心部硬度低于技术条件规定的数值，疲劳试验时， 齿轮的疲劳寿命降低一半；若淬透性能过高，则齿轮渗碳淬火后内孔收缩量过大而影响齿轮装配。

1985 年冶金部颁布了我国保证淬透性结构钢技术条件的标准(GB5216-85)，但是要求还是较松。 近年来，由于我国钢材冶炼技术水平的提高以及合金结构钢供应情况的改善，已经把齿轮钢的淬透 性能带进一步缩窄，并为满足大直径大模数齿轮的要求，开发了较高淬透能力的新钢种(如 J9=36—— 42HRC，甚至更高)，以满足其有效硬化层深度和心部硬度适应重型齿轮的要求。

实践告诉我们：控制淬透性是解决齿轮畸变问题的关键。为减少畸变应选用淬透性带宽在 4HRC 以下的 H 钢。采用 H 钢的齿轮热处理后精度(接触区)比普通钢高 70%——80%，使用寿命也得到延长。 因此，工业发达国家先后规定了渗碳合金结构钢的淬透性带。根据需要将淬透性带限制在很窄的范 围(4——5HRC)。而国内有关标准淬透性带宽为≤6HRC。这与国外先进国家的标准还是有一定的差距。

钢的力学性能主要是钢的强韧性，其强韧性应满足重载齿轮心部的力学性能要求。强韧性高的 渗碳齿轮在渗碳淬火后其心部应具有低碳马氏体组织，这就要求齿轮钢的淬透性必须与齿轮的尺寸 互相匹配，即齿轮尺寸越大，要求齿轮钢的淬透性越好。如 17CrNiM06 非常适合制造大模数重负荷 汽车齿轮，此钢在我国已开始生产和使用。大型重载齿轮如船用变速箱齿轮、轧钢机变速齿轮、宜 选用 18Cr2Ni4WA 合金渗碳钢制造，该钢由于 Ni、Cr、W 的复合作用，抑制了过冷奥氏体向珠光体的 转变，使钢具有极高的淬透性，空冷可获得马氏体或贝氏体，或两者的混合组织。使钢的承载能力 提高，特别是低温韧性好。

重载齿轮在使用中承受高的冲击载荷，当要求承受更高的冲击载荷时，宜选用含碳量低的合金 钢如 12CrNi3、12Cr2Ni4，反之，宜选用含碳量高的钢钟。对于要求更高的重载齿轮渗碳用钢可采 用保证淬透性的钢（H 钢）。例如美国载货汽车变速器齿轮和后桥主动圆锥齿轮用钢很多采用 SAE8620 H 钢和 SAFA820 钢制造，也就是因为此类钢的淬透性能带能够控制在较窄的合适范围。国内如宝钢 集团上钢五厂等单位也再研制生产类似美国 SAE8620H、SAE8822H 等牌号钢，已分别用于中型载货汽 车变速器齿轮和后桥圆锥齿轮上，并取得较好的效果。

四、低碳合金钢的纯净度对齿轮性能的影响及控制

齿轮钢材的纯净度是钢材冶金质量的关键指标。其纯净度对齿轮的抗疲劳强度和寿命影响较大。 把好齿轮钢冶金质量关，方可使钢的使用性能和可靠性从根本上得到保证。钢的冶金质量的差异， 这正是我国钢材与国外钢材质量差距的重要原因之一。

钢的纯净度是反映钢材强度的重要指标。钢中的气体元素 N、H、O 和 P、S 一般都是有害的，对 钢的性能和质量影响很大，因此必须严格控制其含量，对可靠度要求高的中、重载齿轮，需保证材 料的纯净度。

钢中的 N 常使钢的硬度和强度提高，而塑性下降，导致钢产生时效而变脆。

H 在钢中的存在，会使钢的塑性急剧下降，出现常说的“氢脆”，造成局部显微裂纹，在显微 镜下可见白点，它是使钢产生突然断裂的根源之一。

O 在钢中的存在，会对钢的力学性能影响很大，会使钢的强度和塑性下降。尤其氧化物（Fe2O3、 FeO、Al2O3、SiO2）夹杂在钢中,加剧了钢的热脆，降低了钢的疲劳强度。

由于 N、H、O、P、S 在齿轮钢中的存在，形成了非金属夹杂物，也是钢中杂质的主要部分。因 此，齿轮钢的纯净度也取决于齿轮钢中的非金属夹杂物。非金属夹杂物存在于晶粒之中，破坏了晶 粒晶体结构的连续性，由于非金属夹杂物与基体的物理和力学特性有较大差异。非金属夹杂物在钢 材中起到了裂纹作用，是一种危害很大的缺陷，要引起足够的重视。其影响主要表现在以下两个方面：

1）对热处理的影响：在热处理过程中，由于夹杂物与金属基体热膨胀系数不同，会产生很大的 内应力，尤其是脆性夹杂物，如 Al2O3 会产生更大的应力。同时在气体渗碳中，夹杂物会促使内氧 化深入，增加黑色组织形成的倾向。

2）对机械性能的影响：由于非金属夹杂物在钢材中起到了裂纹作用，在抗拉强度试验中，主要 影响是材料的塑性和韧性，特别是对横向性能的降低尤为严重。

总之，钢中的气体及 P、S 对钢的性能和质量影响很大，尤其是 O 的含量影响最为明显。实践表 明：当齿轮钢材质选定以后，其纯净度是影响齿轮疲劳寿命的关键之一。如 20MnCr5 钢的含氧量由

28PPM 降至 18PPM 时，接触疲劳强度可提高 27%；20CrMnTi 钢的含氧量由 130PPM 降至 23PPM 时，齿

轮的弯曲疲劳强度提高了 119%，接触疲劳强度提高了 143%。因此，必须严格控制其含量，对齿轮钢 进行脱氧精炼是必须和最为重要的工艺要求，同时钢的纯净度也是保证锻件质量的关键环节。

目前，为了提高钢的纯净度主要采用以真空冶炼、电渣重熔或真空重熔等方法进行炉外精炼、 真空脱气处理等先进工艺方法。使得齿轮材料中的氮、氢、氧、硫等有害元素得到有效地控制。同 时也由于对氮、氢、氧、硫等含量的精准控制，大大减少齿轮锻件中的非金属夹杂物的含量。通过 我们对欧美国家重要齿轮材料及锻件控制的研究及结合国内生产经验，对重要的中、重载齿轮的齿 轮钢钢中的有关元素含量及锻件中非金属夹杂物应控制在如下范围：氧含量≤15ppm，氢含量≤2 ppm，氮含量≤40 ppm，含硫量≤0.015%。锻件中 A（硫化物）、B（氧化铝类）、C（硅酸盐类）、 D（球状氧化物类）、DS（单颗粒球状类）五类非金属夹杂物各项都不应超过 2 级，五类非金属夹杂 物总和不超过 5 级。同时对重要锻件采取去氢退火，以防氢裂。通过以上对原材料及锻件的控制处 理，关键齿轮的材料基本达到了欧、美等先进国家的标准。

提高重要齿轮的齿轮钢的纯净度，会使齿轮的疲劳强度和寿命大幅度地提高，因此钢材的纯净 度对齿轮的生产及应用有着非常重要的意义。钢的纯净度低是我国齿轮钢材料与国外材料差距的关 键项之一，这也逐渐被国内齿轮行业认识和接受。所以要提高我国齿轮生产技术水平和使用寿命， 改善和提高钢材的冶金质量是首要的根本途径。高纯净度齿轮钢必然是重要的中、重载渗碳齿轮钢 的要求。

五、结束语

通过以上分析可知，低碳合金钢的淬透性及纯净度等对渗碳齿轮性能起到了非常关键性作用。 目前国内对齿轮材料的淬透性认识不足，特别是淬透带宽度认识更不到位；对材质的冶金质量，特 别是纯净度更不够重视。国内有的齿轮虽然也选用与国外相同的材质，同样的冷加工及热处理工艺， 但因对材料的淬透性及纯净度控制不到位，致使齿轮质量的稳定性、齿轮的抗疲劳强度及抗过载能 力都与国外齿轮有较大的差距。随着工艺技术的进步，对齿轮的要求越来越高。要实现国内齿轮的 替代进口，在齿轮的冷加工技术与国外差距不大的情况下，必须加强对齿轮材料淬透性及冶金质量 的控制与提高，通过先进的、严格的热处理工艺手段，全面地提高齿轮的质量。

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