國內(nèi)外變速器齒輪材料的對比

劉意氣 陳建 羅大國

（寧波上中下自動變速器有限公司）

變速器軸齒是變速器傳動系中的主要零部件，在對軸齒高壽命、輕量化及低噪聲的要求越來越嚴(yán)苛的趨勢下，迫切要求齒輪材料具有更好的性能和更穩(wěn)定的質(zhì)量，以滿足先進(jìn)設(shè)計理念和方法，推動我國汽車行業(yè)變速器水平的發(fā)展和進(jìn)步。由于國內(nèi)汽車行業(yè)起步較晚，齒輪材料的研發(fā)落后于歐美及日本等發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)對材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究，如：實(shí)際的疲勞壽命特性、新材料的研發(fā)等都相對較少。目前國內(nèi)材料主要是對歐洲、美國、日本標(biāo)準(zhǔn)齒輪材料的國產(chǎn)化。當(dāng)前，國產(chǎn)齒輪材料與發(fā)達(dá)國家的差距較大，主要表現(xiàn)在國產(chǎn)鋼材的純凈度和均勻性低，含氧量與非金屬夾雜物的含量等較高；鋼材淬透性波動大，淬透性帶寬；高溫高性能鋼、低溫抗沖擊鋼、快速滲氮鋼、經(jīng)濟(jì)性大中模數(shù)鋼以及高性能工程塑料等缺乏原材料[1]。為了解國內(nèi)外材料的特性和差異，為變速器軸齒設(shè)計研發(fā)和生產(chǎn)提供理論依據(jù)，文章選取常用的某MnCr低碳合金鋼，進(jìn)行國產(chǎn)材料和進(jìn)口材料的對比分析。

1 材料對比

齒輪設(shè)計中，齒面要有足夠的強(qiáng)度和硬度，芯部要有一定的強(qiáng)度和韌性[2]。因此低碳合金鋼和滲碳淬火工藝廣泛應(yīng)用于變速器傳動齒輪中。本次研究選取某MnCr低碳合金鋼，該材料是變速器齒輪的常用材料，在成分上，其國產(chǎn)材料和進(jìn)口材料差異較小。

1.1 出廠棒材對比

齒輪在機(jī)加工前，要先制作成鍛坯。先鍛造成接近成品齒輪的尺寸和形狀，以減少原材料使用并降低內(nèi)部缺陷，再進(jìn)行等溫正火處理，使其達(dá)到合適的硬度，以滿足機(jī)械加工的需求。

國產(chǎn)某MnCr低碳合金鋼的棒料金相組織，如圖1所示。從圖1a可以看出，其主要由鐵素體與珠光體組織組成，并含有少量貝氏體組織，軋制后冷卻的過程中，鐵素體沿原奧氏體晶粒的晶界先析出，并逐步長成長條形。圖1b中含有較多的貝氏體組織，結(jié)合圖1a，推測其軋后冷速在2～4℃/s，因此該棒料在熱軋后進(jìn)行退火處理，棒料的交貨狀態(tài)為退火態(tài)。

圖1 國產(chǎn)MnCr鋼材的棒料金相組織（200倍）

進(jìn)口某MnCr鋼金相組織，如圖2所示。從圖2a上可以看出，其主要由鐵素體與貝氏體組織組成，并存在少量的珠光體組織。軋制后冷卻的過程中，鐵素體沿原奧氏體晶粒的晶界先析出。與圖1對比可知，其冷速大于國產(chǎn)MnCr鋼的冷速，因此部分鐵素體在冷卻的過程中未逐步長成明顯的長條形。推測其軋后冷速在4～8℃/s，因此該棒料在熱軋后即進(jìn)行交貨，未進(jìn)行退火處理，棒料的交貨狀態(tài)為熱軋態(tài)。

圖2 進(jìn)口MnCr鋼材的棒料金相組織（200倍）

由此可見，2家企業(yè)的棒料熱處理狀態(tài)上存在一定差異。國產(chǎn)材料的交貨狀態(tài)為退火態(tài)，組織為鐵素體與珠光體，硬度較低，更利于鍛造；進(jìn)口材料的交貨狀態(tài)為熱軋態(tài)，組織為鐵素體與貝氏體，硬度較高，不利于鍛造。鍛造溫度越低，2種狀態(tài)的差異越大；對于熱鍛，兩者的差異并不大。但國產(chǎn)材料的工藝和過程控制要求比較嚴(yán)格，工藝過程成本較高，進(jìn)口材料工藝成本相對較低。

1.2 滲碳淬火試塊對比

MnCr低碳合金鋼在加工成齒輪時，必須進(jìn)行熱處理。常用的熱處理方式為滲碳淬火，提高表面C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，獲得較高的表面硬度，從而獲得較高的剛度和表面耐磨性；保持芯部較低的C質(zhì)量分?jǐn)?shù)，保證產(chǎn)品的韌性和脆性。

為了對比2家企業(yè)原材料在熱處理性質(zhì)上的差異，將材料加工成20 mm×20 mm×100 mm的長方體試塊。并按照熱處理工藝進(jìn)行熱處理（如圖3所示），進(jìn)而對熱處理后的金相組織進(jìn)行對比。

圖3 某MnCr低碳合金鋼試塊的熱處理工藝

1.2.1 國產(chǎn)試樣

國產(chǎn)某MnCr鋼試樣表面位置的金相組織，如圖4所示。從圖4可知，其滲碳深度約為800 μm，有很多條白亮的滲透通道，表面向芯部滲透通道較多，導(dǎo)致熱滲透深度差異較大，白亮帶最淺的深度約為400 μm。其表面為針狀馬氏體組織，符合一般滲碳淬火工藝的組織要求。

圖4 國產(chǎn)某MnCr低碳合金鋼熱處理表面組織

圖5示出國產(chǎn)試樣次表層的金相組織，此層為滲碳層與基體交錯位置。滲碳組織為針狀馬氏體；未滲碳部分離表面近處為由板條狀馬氏體逐漸過渡為貝氏體。

圖5 國產(chǎn)某MnCr低碳合金鋼熱處理次表層組織

圖6示出國產(chǎn)試樣中心部位的金相組織。由于芯部冷速低，所以芯部組織為貝氏體并帶有少量珠光體組織。

圖6 國產(chǎn)某MnCr低碳合金鋼熱處理芯部組織

1.2.2 進(jìn)口試樣

進(jìn)口某MnCr鋼試樣表面位置的金相組織，如圖7所示。從圖7可知，其滲碳深度約為700 μm，白亮帶的滲透通道明顯較少，導(dǎo)致熱滲透深度差異較小，白亮帶最淺的深度約為400 μm。其表面為針狀馬氏體組織，符合一般滲碳淬火工藝的組織要求。

圖7 進(jìn)口某MnCr低碳合金鋼熱處理表面組織

圖8示出進(jìn)口試樣次表層的金相組織，此層為滲碳層與基體交錯位置。滲碳組織為針狀馬氏體；未滲碳部分離表面近處為由板條狀馬氏體逐漸過渡為貝氏體。

圖8 進(jìn)口某MnCr低碳合金鋼熱處理次表層組織

圖9示出進(jìn)口試樣中心部位的金相組織。由于芯部冷速低，所以芯部組織為貝氏體并帶有少量珠光體組織。

圖9 進(jìn)口某MnCr低碳合金鋼熱處理芯部組織

從滲碳處理的金相組織可以看出，在預(yù)定的熱處理工藝下，組織達(dá)到要求，但2種材料在表層滲碳通道上存在一定的差異。

2 結(jié)語

1）進(jìn)口棒料的熱處理要求更合理。國產(chǎn)和進(jìn)口材料在棒料的熱處理狀態(tài)上存在差異，國產(chǎn)材料的退火態(tài)更利于加工，但根據(jù)毛坯采用的熱鍛造+等溫正火的工藝來看，熱軋態(tài)的棒料已經(jīng)能滿足要求。因此在材料應(yīng)用時，材料供應(yīng)商和毛坯供應(yīng)商應(yīng)當(dāng)充分合作和溝通，減少不必要的熱處理要求，達(dá)到降低成本的目的。

2）滲碳淬火工藝下，國產(chǎn)和進(jìn)口材料的熱處理金相組織均能滿足要求。

3）國產(chǎn)和進(jìn)口材料滲碳淬火的表面碳通道存在一定差異，進(jìn)口材料的熱處理碳通道更加均勻。初步認(rèn)為進(jìn)口材料在均勻性上占優(yōu)勢，具體的影響因素需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究和確認(rèn)。

綜上，國產(chǎn)鋼材和進(jìn)口鋼材在性能上已經(jīng)趨于一致，但在材料均勻性方面，國產(chǎn)材料仍然有提升的空間。希望國產(chǎn)材料供應(yīng)商、毛坯研發(fā)制造商和齒輪研發(fā)制造企業(yè)充分合作，從品質(zhì)、設(shè)計和技術(shù)要求方面全面提升，為實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國而努力。