國內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苛的趨勢下，迫切要求齒輪材料具有更好的性能和更穩定的質量，以滿足先進設計理念和方法，推動我國汽車行業變速器水平的發展和進步。由于國內汽車行業起步較晚，齒輪材料的研發落后于歐美及日本等發達國家，國內對材料基礎數據的研究，如：實際的疲勞壽命特性、新材料的研發等都相對較少。目前國內材料主要是對歐洲、美國、日本標準齒輪材料的國產化。當前，國產齒輪材料與發達國家的差距較大，主要表現在國產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、經濟性大中模數鋼以及高性能工程塑料等缺乏原材料[1]。為了解國內外材料的特性和差異，為變速器軸齒設計研發和生產提供理論依據，文章選取常用的某MnCr低碳合金鋼，進行國產材料和進口材料的對比分析。

1 材料對比

齒輪設計中，齒面要有足夠的強度和硬度，芯部要有一定的強度和韌性[2]。因此低碳合金鋼和滲碳淬火工藝廣泛應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，其國產材料和進口材料差異較小。

1.1 出廠棒材對比

齒輪在機加工前，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部缺陷，再進行等溫正火處理，使其達到合適的硬度，以滿足機械加工的需求。

國產某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，結合圖1a，推測其軋后冷速在2～4℃/s，因此該棒料在熱軋后進行退火處理，棒料的交貨狀態為退火態。

圖1 國產MnCr鋼材的棒料金相組織（200倍）

進口某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行交貨，未進行退火處理，棒料的交貨狀態為熱軋態。

圖2 進口MnCr鋼材的棒料金相組織（200倍）

由此可見，2家企業的棒料熱處理狀態上存在一定差異。國產材料的交貨狀態為退火態，組織為鐵素體與珠光體，硬度較低，更利于鍛造；進口材料的交貨狀態為熱軋態，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種狀態的差異越大；對于熱鍛，兩者的差異并不大。但國產材料的工藝和過程控制要求比較嚴格，工藝過程成本較高，進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，必須進行熱處理。常用的熱處理方式為滲碳淬火，提高表面C的質量分數，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質量分數，保證產品的韌性和脆性。

為了對比2家企業原材料在熱處理性質上的差異，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行熱處理（如圖3所示），進而對熱處理后的金相組織進行對比。

圖3 某MnCr低碳合金鋼試塊的熱處理工藝

1.2.1 國產試樣

國產某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 國產某MnCr低碳合金鋼熱處理表面組織

圖5示出國產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 國產某MnCr低碳合金鋼熱處理次表層組織

圖6示出國產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 國產某MnCr低碳合金鋼熱處理芯部組織

1.2.2 進口試樣

進口某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 進口某MnCr低碳合金鋼熱處理表面組織

圖8示出進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 進口某MnCr低碳合金鋼熱處理次表層組織

圖9示出進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，在預定的熱處理工藝下，組織達到要求，但2種材料在表層滲碳通道上存在一定的差異。

2 結語

1）進口棒料的熱處理要求更合理。國產和進口材料在棒料的熱處理狀態上存在差異，國產材料的退火態更利于加工，但根據毛坯采用的熱鍛造+等溫正火的工藝來看，熱軋態的棒料已經能滿足要求。因此在材料應用時，材料供應商和毛坯供應商應當充分合作和溝通，減少不必要的熱處理要求，達到降低成本的目的。

2）滲碳淬火工藝下，國產和進口材料的熱處理金相組織均能滿足要求。

3）國產和進口材料滲碳淬火的表面碳通道存在一定差異，進口材料的熱處理碳通道更加均勻。初步認為進口材料在均勻性上占優勢，具體的影響因素需要進行進一步的研究和確認。

綜上，國產鋼材和進口鋼材在性能上已經趨于一致，但在材料均勻性方面，國產材料仍然有提升的空間。希望國產材料供應商、毛坯研發制造商和齒輪研發制造企業充分合作，從品質、設計和技術要求方面全面提升，為實現制造強國而努力。