【正文】 、 [N]≤2010 [P]＜ 2010 6。日本生產(chǎn)清潔鋼的工藝流程如圖 1 所示 [4]。電爐短流程合金結構鋼長型材生產(chǎn)工藝流程如圖 2 所示 [2， 45]。 圖 1 現(xiàn)代低雜質 HSLA 鋼的生產(chǎn)工藝流程 圖 2 電爐短流程合金結構鋼長型材生產(chǎn)工藝流程 2 汽車齒輪鋼生產(chǎn)工藝技術 前言 汽車齒輪是汽車的重要零部件之一，起著傳遞動力的作用。當下人們對汽車高速、 安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保等性能要求的日趨嚴格，傳動系統(tǒng)向小型化、輕量化、高功率化的趨勢發(fā)展，要求提高齒輪壽命、傳動精度和降低齒輪成本。因此，使得汽車齒輪承受的負荷越來越大，對汽車齒輪鋼質量的要求也越來越高。 隨著社會汽車保有量及生產(chǎn)量的不斷擴大，汽車齒輪鋼用量也在增加。中國汽車保有量 2020 年約達到 900～ 1 000 萬輛。按年產(chǎn)汽車 600 萬輛，其中轎車 300 萬輛、客車 140萬輛、載重車 160 萬輛，每輛轎車、載重車、客車用齒輪鋼量為 3 100、 180 kg 估算，年新產(chǎn)汽車用齒輪鋼量約 萬 t， 2020 年約達到 90～ 100 萬 t。齒輪鋼代表鋼號： 20CrMnTiH、 20CrMoH、 SCM822H（日本牌號 CrMo 系列鋼種）、 20Cr、 40Cr 、 28MnCr5（德國牌號 MnCr 系列鋼種）、 SAE8620H（美國牌號 CrNiMo 系列鋼種）。中國標準執(zhí)行GB/T3077199 GB/T521685。 我國車輛齒輪用鋼采購技術標準已出臺。齒輪鋼材貿(mào)易與質量監(jiān)控協(xié)作網(wǎng)對齒輪鋼材采購技術標準（協(xié)議）提出下列必須滿足的 6 項條件： 1）末端淬透性：淬透性帶寬（上限減下限）不能超過 7HRC。 2）氧含量 ≤0 .003 0%。 3）非金屬夾雜物： A 類細系、粗系 ≤級； B 類細系、粗系 ≤ 級； C 類細系、粗系 ≤ 級； D 類細系、粗系 ≤ 級。 4）奧氏體晶粒度細于或等于 5 級。 5）表面質量符合 GB/T30771999《合金結構鋼》的規(guī)定。 6）尺寸符合 GB/T7021986《熱軋圓鋼和方鋼尺寸、外型、重量及允許偏差》的規(guī)定。 齒輪鋼質量水平主要指標 汽車齒輪鋼屬結構鋼，其中以合金結構鋼為主，滲碳齒輪鋼比例在不斷擴大，盡管開發(fā)和引進了各種類型的齒輪鋼，但 20CrMnTiH 仍被廣泛應用。 有些機器零件如汽車齒輪，工作時受到周期性變載荷（扭轉或彎曲力）及沖擊載荷的作用，且零件與零件表面之間還有相對的摩擦，并有高的接觸應力。這些零件對材料的機械性能要求： 1）材料具有高的屈服強度和高的彎曲疲勞性能； 2）材料表面具有高的接觸疲勞強度和高的耐磨性。 含碳量為 %及以上的結構鋼不能滿足要求，因其經(jīng)熱處理后盡管硬度很高，但韌性太低，達不到內(nèi)韌外硬的要求，故用低碳結構鋼進行滲碳，使零件從表面到中心具有從高碳（ %～ %）到低 碳（ %～ %）連續(xù)過渡的化學成分。使零件表面層具有高強度、高耐磨性，零件心部具有適當?shù)膹姸群洼^好的韌性，使零件滿足其在機械性能上的要求。對于一般零件，滲碳層的含碳量限制為 %～ %；滲碳層的深度控制在 ～ mm之內(nèi)。 齒輪傳動裝置按密封形式可分為開式、半開式及閉式 3 種；按使用工況可分為低速、高速及輕載、中載、重載；按齒輪齒面硬度的不同，又分為硬齒面齒輪（齒面硬度 HRC＞55，如經(jīng)整體或滲碳淬火、表面淬火或氮化處理）、中硬齒面齒輪（齒面硬度 55＞ HRC＞38， HB＞ 350， 如齒輪經(jīng)過整體淬火或表面淬火）、軟齒面齒輪（齒面硬度 HB＜ 350，如經(jīng)調(diào)質、?；凝X輪）。 齒輪傳動的失效形式主要為齒面的疲勞點蝕、膠合、磨損、塑性變形和輪齒的疲勞斷裂以及沖擊折斷等。特別是隨著汽車高功率化和輕量化的進展，提高齒輪鋼強度的要求越來越迫切。由于齒輪齒根承受循環(huán)彎曲應力、齒面承受接觸應力、同時齒輪還承受沖擊載荷。因此，要求齒輪鋼具有高的彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度、良好的耐磨性，而且還必須具有充分的韌性。目前，汽車齒輪大都進行滲碳淬火處理。齒輪在進行滲碳淬火熱處理時，其熱應力和組織應力使齒輪產(chǎn) 生變形。齒輪的滲碳淬火變形可以從變形的分散度和變形量兩方面來考慮。為了減小熱處理變形－降低齒輪變形的分散度和減小變形量，要求不同批次熱處理的齒輪都具有同等程度的淬透性，并在熱處理過程中保證各部位得到同等程度的淬火。為此，鋼材冶煉時必須抑制淬透性的變化，滲碳淬火時必須控制奧氏體晶粒度。 國際上通常認為：衡量齒輪鋼質量水平的主要指標有 3 項 [6]，即窄的淬透性帶；高的純潔度；細小的晶粒度。這三項主要指標按質量水平分了兩個層次，即高水平和次高水平：高質量水平：淬透性帶 ≤4 HRC ；純潔度 [O]≤1510 6； 晶粒度 ≥6 級。次高質量水平：淬透性帶 ≤6 HRC ；純潔度 [O]≤2010 6；晶粒度 ≥5 級。 通過大量工作，特別是經(jīng)過近 15 a 來的努力，國產(chǎn)齒輪鋼質量水平有了較大提高，已經(jīng)超過了 “ 次高質量水平 ” ，接近了 “ 高質量水平 ” ，但淬透性指標尚需進一步穩(wěn)定提高。我國某著名特殊鋼廠齒輪鋼實物質量水平達到：晶粒度 ≥6 級、淬透性帶 ≤6 HRC （淬透性帶 ≤5 HRC 產(chǎn)品比例較高）、純潔度 [O]≤2010 6（均值 [O]≤10 6）。 淬透性 是指鋼在一定奧氏體化條件下淬成全部或部分馬氏體的 能力。淬透性對鋼的組織性能影響很大，淬透性高的鋼其力學性能沿截面均勻分布，即表面與心部力學性能差距小或一致。鋼材淬透性穩(wěn)定與否對齒輪熱處理后變形影響很大，淬透性帶寬度越窄、離散度越小，則越有利于齒輪加工、提高齒輪壽命及嚙合精度。影響淬透性的主要因素是鋼的化學成分 [7]，如果將化學成分穩(wěn)定控制在一個水平，則得到的淬透性帶也相對穩(wěn)定在一個水平?？赏ㄟ^鋼的化學成分對淬透性影響的回歸分析，制定化學成分控制目標值，進而實現(xiàn)淬透性窄帶控制。 純潔度 齒輪鋼高純潔度主要是指鋼中的氧、硫、磷、氫而言，但更 重視鋼中的氧含量，因為鋼中氧含量的降低，氧化物夾雜也隨之減少。有人做過滲碳鉻－鉬鋼氧含量對齒輪疲勞壽命影響的試驗，當氧含量從 2510 6降低到 1110 6時，其接觸疲勞強度可提高 4 倍。目前齒輪鋼中的氧含量一般控制在 2010 6以下，大部分在 1510 6以下，這樣可有效地減少夾雜物含量，提高鋼的韌性、耐磨性。今后滲碳鋼對氧含量的限制并不遜于軸承鋼，齒輪鋼脫氣精煉將成為必然。 晶粒度 細小均勻的奧氏體晶粒度對穩(wěn)定鋼材的淬透性、減少齒輪熱處理后變形量、提高滲碳鋼的脆斷抗力十分有利。有人研 究，當晶粒度＜ 5 級時，滲碳鋼的脆斷抗力顯著降低并使齒輪剝落的脆化因素增加。例如模數(shù)為 4 的滲碳齒輪模擬試樣的試驗結果， 20Cr2Ni4A 鋼的晶粒度由 8 級變?yōu)?5 級時，抗彎強度從 3 000 MPa 降到 2 330 MPa，破斷功從 580 J 降到 460 J。晶粒細化可提高對裂紋傳播的抗力，增加滲碳層的強韌性。 生產(chǎn)工藝 汽車齒輪鋼質量是隨著汽車制造業(yè)對材料要求的不斷提高及冶金工藝裝備水平的提高而不斷提高的，鋼材的質量性能高級化、高純潔度、超細組織、高精度是當前的主要發(fā)展趨勢 [6]。性能高級化是指：鋼材 的化學成分波動小，通過微調(diào)成分，使材料的使用性能均勻，強韌性配合適宜，保證由其制作的部件使用性能可靠。齒輪鋼窄淬透性帶的控制是提高齒輪精度和壽命的手段之一。對齒輪鋼而言，高純潔度主要是指鋼中的氧含量[O]≤1510 6，從而使一系列齒輪鋼材料的塑韌性問題得到解決。組織的超細化也可以提高強度、改善韌性。齒輪鋼的生產(chǎn)工藝就是圍繞著上述內(nèi)容展開的。目前主導的齒輪鋼電弧爐生產(chǎn)工藝路線見圖 2。 我國某著名特殊鋼廠 MnCr5 系列齒輪鋼電弧爐生產(chǎn)工藝： 50 t/UHP— 60 t/LF— 60 t/VD— 大方坯連鑄或 3 t 錠 /模鑄（接 Φ850 mm 初軋機） — 成品軋機或鍛機 — 精正、熱處理 — 成品 Φ12 ～ 130 mm （熱軋或緩冷或退火狀態(tài)交貨）。 由于齒輪鋼品種較多，質量要求差別也較大，因此目前工業(yè)生產(chǎn)中的各種冶煉方法幾乎都在應用。 今后齒輪鋼要做的工作仍然是窄的淬透性帶、高的純潔度、細小的晶粒、良好的加工性能（如易切屑、冷擠壓、鍛造等）。 3 合金工具鋼生產(chǎn)工藝技術 前言 合金工具鋼是制造模具、量具和刃具的原材料，是在碳工鋼成分的基礎上，加上鉻、鉬、釩、鎢等合金元素，提高淬透性、韌性、耐磨性和 熱硬性等。 我國合金工具鋼牌號較多， GB129985 標準中包括 33 個。按加工方法分為壓力加工用鋼和切削加工用鋼。按用途分為量具刃具用鋼（ 9SiCr 等 6 個鋼號）、耐沖擊工具用鋼（ 4CrW2Si等 3個鋼號）、冷作模具鋼（ Cr1 Cr12Mo1V1等 10個鋼號）、熱作模具鋼（ 5CrMnMo、4Cr5MnSiV 等 12 個鋼號）、無磁模具鋼（ 7Mn15Cr2AI3C2WMo）、塑料模具鋼（ 3Cr2Mo）。 性能 刃具鋼要求具有高溫硬度、耐磨性、高韌性和適當?shù)膹姸取Ａ烤咪搼哂休^高的硬度和耐磨性以 及一定的強度和韌性，以減少磨損和破壞，同時還應具有較高的組織穩(wěn)定性，以免發(fā)生時效或其它相變而變形影響尺寸穩(wěn)定性。冷作模具鋼必須具有高強度、高硬度、高耐磨性和足夠的韌性。熱作模具鋼還必須具有良好的抗熱疲勞性、耐磨性及沖擊韌性?？梢姾辖鸸ぞ咪撚?3 種最主要的性能，即鋼的耐磨性、韌性和高溫硬度。鋼中加入鉻、鉬、鎢、釩等合金元素，就可以改善和提高上述性能。各個合金元素在合工鋼中的作用，以及彼此作用大小的順序如下 [2]，提高耐磨性： V、 W、 Mo、 Cr、 Mn；提高淬透性： Mn、 Mo、Cr、 Si、 Ni、 V（固溶于奧氏體后） ；減小淬火變形：與 Cr 同時存在的 Mo、 Cr、 Mn；細化晶粒、提高韌性： V、 W、 Mo、 Cr；增大熱硬性： W、 Mo、 Co（和 W 或 Mo 同時存在）。 除合金元素外，鋼的凝固條件也是很重要的，因為鋼液凝固時產(chǎn)生結晶偏析，同時形成碳化物網(wǎng)，這類碳化物的存在對鋼的韌性不利，而且會降低耐磨性。另外，工具鋼尤其是模具鋼的關鍵部位或部件大部分是多向受力，因此，提高材料的等向性能，改善橫向的韌性和塑性，可以大幅度提高工模具的使用壽命。近年來，國外各主要特殊鋼廠均致力于開發(fā)高等向性能的模具鋼，如奧地利伯樂鋼廠、日本日立金屬公司 安來工廠。這些高等向性能模具鋼的塑性、韌性值相當于縱向值 80％ ~90％（一般模具鋼為 40％～ 60％），可提高模具壽命 1～ 3 倍。 1999 年由國家冶金工業(yè)局主持，撫順特殊鋼（集團）有限責任公司與北京鋼鐵研究總院承擔的《高質量高性能模具鋼開發(fā)、應用及市場一體化創(chuàng)新工程》國家技術創(chuàng)新項目研究方向是：模具鋼的高淬透性、高耐磨性、高耐熱疲勞性、高耐蝕性、優(yōu)良退磁性等。 提高合金工具鋼的純凈度，如降低 4Cr5MoSiV1 鋼的磷含量（從 ％降至 ％），可使淬回火后的沖擊值提高 1 倍。將鋼中的氧含量降低，也可以 顯著改善鋼的韌性，國外有的特殊鋼廠已將模具鋼的氧含量規(guī)定為 ≤1510 6。 生產(chǎn)工藝 合金工具鋼的冶煉水平是保證鋼的化學成分和基本性能的先決條件，尤其是對保證鋼的等向性、純潔度和碳化物均勻性起到關鍵作用。目前主導的冶煉工藝是電爐 —— 二次精煉（噴粉精煉、鋼包精煉、真空處理等方法），對于更高要求的鋼種，則采用電渣或真空電弧重熔工藝。 由于合金工具鋼的特殊性，目前鑄鋼仍以模鑄為主，為保證鋼錠質量，廣泛采用了保護氣體澆鑄、真空澆鑄、保護渣等防止二次氧化技術。為了提高鋼材的收得率，國外有些特殊鋼 廠已經(jīng)采用連鑄工藝生產(chǎn)中、低合金工具鋼，對高合金萊氏體模具鋼正在開展連鑄工藝試驗。常選用大截面連鑄機，多半選擇大彎曲半徑或立式、水平連鑄機。在連鑄生產(chǎn)中一般都采用保護澆鑄、液面控制和多極電磁攪拌技術，以確保鑄坯質量。 凝固形成的顯微偏析，只有在高溫下各元素的擴散作用才能得到改善，因此在一些高合金模具鋼的大型鋼錠或枝晶嚴重的鋼錠，以及要求具有良好的等向性的鋼，都進行擴散退火，也稱均勻化退火。如奧地利伯樂鋼廠對 H13 進行試驗，對 4～ 6 t 鋼錠加熱到 1 280～1 300℃ ，保溫 24～ 30 h 退火后快冷到 800 ℃ ，然后轉入保溫爐使其完成相變，再升溫進行鍛造加熱，經(jīng)均勻化后 Mo 在鋼中的偏析度可以從 下降到 ，可使橫向性能與縱向性能比較接近，在提高橫向性能（即提高等向性）的同時，還可以減少熱處理變形，提高熱作模具鋼的抗冷熱疲勞性能，從而使模具壽命得到提高。 鍛造使鑄態(tài)組織中的孔洞焊合，改善鋼的致密性，隨著鍛比加大，鍛件的