目前,中国汽车用齿轮钢的主体钢种仍是20CrMnTi,该钢种通常采用气体渗碳工艺,由于渗碳气氛中氧化性气体的存在,导致渗层中对氧亲和力较大的元素Si、Mn、Cr在晶界处发生氧化,形成晶界氧化层。晶界氧化层的发生会导致渗层Si、Mn、Cr等合金元素固溶量下降,降低渗层的淬透性,从而降低渗层的硬度并导致非马氏体组织的产生,进而显着降低齿轮的疲劳性能。为解决这一问题可以采用两种手段:
1)采用特殊的热处理工艺。真空渗碳可降低渗碳气氛中的氧势,从而可以较为有效地减小渗碳层晶界氧化的发生程度;稀土渗碳工艺也可以降低晶界氧化程度,由于稀土优先在工件表面富集并择优沿钢的晶界扩散,而且与氧的亲合力远比Si、Mn、Cr高得多,它将优先与氧结合,阻碍氧原子继续向内扩散,从而有助于减轻非马氏体组织的产生。
2)通过合金设计,开发抗晶界氧化的齿轮钢。Ni、Mo具有很强的抗氧化能,Cr元素次之,Mn抗氧化能力弱,而Si的抗氧化能力最弱(Si氧化倾向是Cr、Mn的10倍)。因此为减小晶界氧化并保证淬透性,在齿轮钢成分设计时,应适当降低易氧化元素的含量,特别是Si的含量,相应地提高难氧化元素Ni、Mo的含量。据报道,将Si、Mn、Cr分别控制在0.05%、0.35%、0.01%可以完全抑制表面组织异常,而且即使在1000℃也很少有晶界氧化的发生。
为满足汽车行业高性能以及轻量化的发展要求,未来应重点开发:淬透性带窄的齿轮钢、超低氧渗碳钢、低晶界氧化层渗碳钢、超细晶粒渗碳钢、提高高温硬度和高温抗软化渗碳钢、易切削齿轮钢、冷锻齿轮用钢等。
2 轴承钢现状和发展方向
轴承广泛应用于矿山机械、精密机床、冶金设备、重型装备与高档轿车等重大装备领域和风力发电、高铁动车及航空航天等新兴产业领域。