馮毅 劉增平 高翔 尹修剛 嚴(yán)超峰 蔡志輝

摘要：面向國內(nèi)某摩托車企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)需求，針對3種牌號的車用齒輪鋼，進(jìn)行了彎沖、接觸疲勞和單齒彎曲疲勞對比檢測，并結(jié)合金相、硬度、斷口表征手段，綜合評價了3種齒輪鋼服役性能優(yōu)劣。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步從零件角度驗證了3種齒輪鋼的應(yīng)用成效性。結(jié)果表明，16MnCr5H的綜合力學(xué)性能、工藝性能、接觸疲勞和彎曲疲勞與20CrMoH相當(dāng)，優(yōu)于20CrMnTiH，因此可代替20CrMoH和20CrMnTiH制造高負(fù)荷的摩托車齒輪，滿足性能提升及應(yīng)用性價比目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：汽車 齒輪鋼 彎沖 接觸疲勞 單齒彎曲疲勞

中圖分類號：TG142.41? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220279

Abstract： To meet the product development requirements of a domestic motorcycle enterprise， the bending impact， contact fatigue and single-tooth bending fatigue of 3 kinds of automobile gear steels were tested and compared. The advantages and disadvantages of service performance of those 3 kinds of gear steel were comprehensively evaluated by means of metallography， hardness and fracture surface. On this basis， the application effectiveness of the 3 kinds of gear steels was further verified from the perspective of parts. The results show that the comprehensive mechanical properties， process properties， contact fatigue and bending fatigue of 16MnCr5H are equivalent to those of 20CrMoH， and better than 20CrMnTiH. Therefore， 16MnCr5H can replace 20CrMoH and 20CrMnTiH to manufacture high-load motorcycle gears and meet the performance improvement and application cost performance targets.

Key words： Automobile， Gear steel， Bending impact， Contact fatigue， Single tooth bending fatigue

作者簡介：馮毅（1980—），男，高級工程師，博士學(xué)位，研究方向為汽車輕量化技術(shù)及測評研究。

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1 前言

隨著政策環(huán)境、社會環(huán)境和產(chǎn)業(yè)環(huán)境的變革，要求汽車制造業(yè)兼顧高性能和節(jié)能環(huán)保，使各類汽車關(guān)鍵零部件產(chǎn)業(yè)向高承載、長壽命、輕量化技術(shù)方向發(fā)展[1-4]。齒輪是汽車工業(yè)、機(jī)械工業(yè)的基礎(chǔ)件、重要件、易損件，世界各國都十分重視這一基礎(chǔ)件的質(zhì)量和用材研發(fā)，尤其自21世紀(jì)以來，隨著汽車產(chǎn)業(yè)逐漸成為我國主要的工業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)，齒輪鋼成為汽車齒輪重要基礎(chǔ)材料。

齒輪作為汽車產(chǎn)品上重要的傳動零件，起到傳遞動力的作用。汽車齒輪服役工況一般較為惡劣，在實(shí)際車輛行駛過程中承受較高且復(fù)雜的載荷，如彎曲疲勞應(yīng)力和摩擦磨損等[5-7]。汽車齒輪典型失效模式有劃痕、擦傷、接觸疲勞點(diǎn)蝕、硬化層下的破碎與剝落、彎曲疲勞斷裂。齒輪服役性能取決于設(shè)計參數(shù)、潤滑特點(diǎn)、工作溫度、使用材料、加工工藝和熱處理工藝因素。通過改進(jìn)齒輪鋼材料的冶金質(zhì)量（純凈度的提升、氧化物冶金技術(shù)應(yīng)用、淬透性帶寬的控制、晶粒度及帶狀組織的控制）、采用合理的成分、合理的滲碳工藝以及先進(jìn)的噴丸強(qiáng)化工藝可以有效提高齒輪的服役性能水平[8-11]。

當(dāng)前，隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，車企對齒輪件及其用鋼的質(zhì)量要求日益提升，承載能力、壽命、工藝性是車企高度關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)。建立從材料性能到零件功能完整的性能測試評價體系是實(shí)現(xiàn)車用齒輪件產(chǎn)品正向開發(fā)，指導(dǎo)車企正確選材、用材的基礎(chǔ)。當(dāng)前，齒輪的質(zhì)量可以通過材料接觸疲勞、單齒彎曲疲勞試驗進(jìn)行評價[12-15]，在積累大量試驗數(shù)據(jù)后可以利用彎沖試驗進(jìn)行評價。本文面向國內(nèi)某摩托車企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)需求，針對3種牌號車用齒輪鋼進(jìn)行了彎沖、接觸疲勞和單齒彎曲疲勞對比檢測，結(jié)合金相、硬度、斷口表征手段，綜合評價了3種齒輪鋼服役性能優(yōu)劣，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步從零件角度驗證了3種齒輪鋼的應(yīng)用成效性。

2 目標(biāo)齒輪及其擬選齒輪鋼

圖1所示為某摩托車企業(yè)所用的齒輪件，為高負(fù)荷齒輪，對材料和工藝要求高。原采用某鋼企的齒輪鋼20CrMnTiH。在齒輪臺架試驗及裝車后均不同程度出現(xiàn)了諸如接觸疲勞剝落、彎曲疲勞斷齒產(chǎn)品質(zhì)量問題，如圖2所示。

針對該齒輪件，從提升齒輪服役水平并兼顧鋼材成本綜合角度考慮，擬針對3種牌號的齒輪鋼進(jìn)行對比，分別為20CrMnTiH（與擬替換鋼直接對比），由鋼材應(yīng)用廠家直接提供；擬替換鋼1∶20CrMoH（SCM420），為日本齒輪鋼鋼號，含Mo，價格較高但性能尤其是滲層的韌性好；擬替換鋼2∶16MnCr5H，為德國鋼號，不含Mo，價格較低，綜合性能較好。2種擬替換齒輪鋼由鋼企方面提供。2種齒輪生產(chǎn)流程為：高爐、超高功率電弧爐（熱裝鐵水）、鋼包精煉爐（Ladle Furnace，LF）/真空脫氣（Vacuum Degassing，VD）、連鑄、連軋。3種牌號齒輪鋼的化學(xué)成分如表1所示，其中16MnCr5H除了常規(guī)添加元素外還添加了微量的Nb元素。

此外，本文涉及的3個鋼種均來自于該摩托車企業(yè)對應(yīng)的同一上游鋼企，且為了突出可比性3種鋼均來自于同一冶煉爐。基于目標(biāo)齒輪件使用要求，對齒輪鋼的關(guān)鍵質(zhì)量要求如下：淬透性應(yīng)滿足J9、J15≤6 HRC；氧含量≤15×10-6；帶狀組織≤2.5級；（淬火）晶粒度≥6.0級；非金夾雜A≤2.0級、B≤2.0級、C≤1.0級、D≤1.0級。

3 材料-零件服役性能測評方法

基于行業(yè)多年來車輛服役工況特性分析，對齒輪鋼的服役性能要求總結(jié)如下[16]：高的耐磨性（在低負(fù)荷高速和高負(fù)荷低速的使用狀況下）；高的抗擦傷、抗劃痕和抗膠合的能力；高的抗彎強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度；高的壓潰抗力和抗點(diǎn)蝕剝落能力；良好的耐沖擊能力和彎沖抗力；合適的淬透性以使表層具有高硬度和合理的硬化層深度及心部硬度；良好的工藝性能（表面滲層性能和硬化性能）和切削加工性能；變形和尺寸穩(wěn)定性。

基于上述分析，針對本文3種牌號齒輪鋼，建立材料-零件級測評（齒輪隨總成進(jìn)行臺架試驗，驗證零件功能可靠性）體系，材料級測評項目如下：基本力學(xué)性能；淬透性和滲層淬透性；滲碳處理后的晶粒度；滲碳處理后的力學(xué)性能；疲勞性能；接觸疲勞性能；布魯格（Brugger）彎曲沖擊性能；工藝性能。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 供貨態(tài)質(zhì)量

表2所示為對應(yīng)3種鋼的低倍組織參量檢測結(jié)果，從基本冶金質(zhì)量看3種鋼差異性并不大。氧含量、非金夾雜和帶狀組織級別均滿足用戶技術(shù)要求。

4.2 基本力學(xué)性能

針對3種齒輪鋼，在供貨態(tài)、偽滲碳2種狀態(tài)下進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗和沖擊試驗，試驗結(jié)果如表3、表4所示?？梢钥闯?，3種鋼的基本強(qiáng)塑性指標(biāo)相近，但相比之下16MnCr5H鋼材的沖擊性能優(yōu)于其他2種鋼材。當(dāng)然，對于齒輪鋼供貨狀態(tài)性能優(yōu)劣并無意義，需要進(jìn)一步從其他角度予以評價對比。

4.3 淬透性及晶粒度

針對3種齒輪鋼，進(jìn)行了淬透性和晶粒度測試。其中，淬透性測試參照GB/T 225—2006 《鋼 淬透性的末端淬火試驗方法（Jominy 試驗）》要求執(zhí)行，試樣為Φ25 mm× 100 mm圓棒，熱處理淬火規(guī)范如圖3所示。

針對齒輪鋼的晶粒度測試，當(dāng)前國內(nèi)外齒輪行業(yè)的發(fā)展趨勢是盡量在與齒輪加工工藝相近工況下進(jìn)行晶粒度檢測，而現(xiàn)行國內(nèi)YB/T 5148-93《金屬平均晶粒度測定法》中的評價方法與齒輪鋼滲碳工藝的實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。基于此，針對晶粒度檢測參照用戶企業(yè)規(guī)范執(zhí)行，具體為520 ℃×68 min脫脂、870 ℃×85 min保溫、880 ℃×65 min保溫、860 ℃×60 min保溫、830 ℃×42 min保溫、油淬、180 ℃×120 min回火。

表5所示為3種齒輪鋼的淬透性、晶粒度檢測結(jié)果。可以看出，從淬透性來看，16MnCr5H與20CrMoH的J9、J15淬透帶寬相近，均優(yōu)于20CrMnTiH。3種鋼的J9、J15淬透性帶寬值均顯著低于≤6 HRC，總體表現(xiàn)優(yōu)異。在相同的熱處理工況下，16MnCr5H晶粒度依舊保持7.5級，優(yōu)于其余2種鋼（同樣滿足用戶技術(shù)要求），這是由于該鋼種添加一定的Nb，對熱處理高溫狀態(tài)的奧氏體產(chǎn)生了一定細(xì)化作用，具有更高的組織穩(wěn)定性。

4.4 工藝性能

針對3種齒輪鋼，按照廠家目標(biāo)齒輪件的技術(shù)要求，進(jìn)行了模擬滲碳熱處理（920 ℃+5 h滲碳淬火、150 ℃+1.5 h低溫回火），隨后進(jìn)行相關(guān)服役性能的測評對比。3種材質(zhì)齒輪鋼牌號經(jīng)熱處理后基體的組織性能信息如表6所示。

經(jīng)相同熱工藝處理后，3種牌號齒輪鋼基體性能對比如表7和表8?？梢钥闯鲈谙嗤瑵B碳淬火工藝處理條件下，16MnCr5H的強(qiáng)塑性、韌性均優(yōu)于其余2種鋼。如前所述，通過Nb微合金化處理，有效的抑制了高溫滲碳淬火過程中基體組織的長大，起到了細(xì)晶增強(qiáng)增韌的作用。

4.5 接觸疲勞性能

針對3種牌號齒輪鋼，在熱處理條件下首先進(jìn)行了接觸疲勞試驗，本文基于美國SAE標(biāo)準(zhǔn)自制的專用齒輪接觸疲勞試驗機(jī)上完成，設(shè)備外觀、試樣尺寸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

試驗結(jié)果如圖5、表9所示?？梢钥闯?，微合金化的16MnCr5H的接觸疲勞極限高于20CrMoH和20CrMnTiH。

4.6 彎沖性能

彎曲沖擊值簡稱彎沖值，是評價齒輪滲碳后綜合性能的重要指標(biāo)，是德國采埃孚（ZF Friedrichshafen AG，ZF）齒輪鋼的5大技術(shù)指標(biāo)之一，是獨(dú)立于齒輪鋼的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)條件之外的一個重要指標(biāo)和ZF齒輪的基本評價指標(biāo)，是齒輪材料評價方法和參數(shù)研究中的重要進(jìn)展[17]。按滲碳齒輪鋼的常規(guī)試驗方法測得的材料在未滲碳狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性，與齒輪在滲碳淬火狀態(tài)下的實(shí)際性能間存在明顯差異，這正是滲碳齒輪鋼常規(guī)試驗評價方法的一個嚴(yán)重不足。

在布魯格（Brugger）滲碳淬火試樣上所做的沖擊彎曲試驗中，試樣的測試部分相似于齒輪的一個齒，試樣的熱處理狀態(tài)與齒輪相同，沖擊時試樣的軸與沖擊方向成30°角，試樣和齒輪單齒的承載類似，接近齒輪實(shí)際工況。

此外，沖擊試驗中測定的沖擊功總功不僅包括試樣彈性變性、塑性變形、破斷所需要的功，還包括試樣破裂后飛出及擺錘彈性變形所需的功。試驗已經(jīng)證明，沖擊功的分散性比最大沖擊力要大得多。因此，彎沖試驗測得的最大沖擊力比沖擊總功更準(zhǔn)確且更具可比性。

彎沖試驗測得的最大斷裂抗力值，實(shí)際上是彎沖試樣根部的最大彎曲斷裂應(yīng)力值；彎沖試樣的彎曲應(yīng)力計算與齒輪根應(yīng)力計算一致，如圖6所示。

因此，二者之間存在一定對應(yīng)關(guān)系，這種對應(yīng)關(guān)系就是彎沖試驗得以評價滲碳齒輪鋼性能的依據(jù)。齒輪根彎曲應(yīng)力σv計算公式如下[18]：

式中，b為齒寬；PN為齒部法向力；ɑk、hq、Sq定義參見圖6。

根據(jù)公式（1）及圖6，可獲得彎件試樣的試樣根部彎曲應(yīng)力σv1計算公式如下：

式中，P為沖斷試樣過程中的最大力，即彎沖值；h、S定義參見圖6

經(jīng)計算，σv1=0.046P。

由式（1）、式（2）可知，為保證齒輪不斷齒，P必須滿足公式（3）。

式中，K為考慮各種因素的安全系數(shù)。

根據(jù)Brugger的大量試驗和多年實(shí)踐，德國ZF公司率先提出了不同ZF鋼的彎沖值指標(biāo)[19]。在我國，特別是摩托車齒輪行業(yè)，用彎沖值作為評價齒輪鋼的重要參數(shù)，相關(guān)報道較少。因此，評價摩托車齒輪鋼彎沖值的指標(biāo)系統(tǒng)還未建立，但用彎沖值作為一個綜合參數(shù)對不同鋼號、不同工藝下的摩托車齒輪用鋼進(jìn)行比較評價是可行和可靠的。

彎沖試驗中同時記錄沖擊總功、載荷-位移曲線、載荷-時間曲線及相關(guān)的特征參數(shù)。每種鋼做不少于3件試樣，得到6個數(shù)據(jù)（每個試樣2個數(shù)據(jù)），取其平均值作為該鋼的彎沖值指標(biāo)[19]。彎沖試驗結(jié)果如表10、表11所示。

由表10、表11可知：16MnCr5H、20CrMoH、20CrMnTiH 3個鋼種中，16MnCr5H彎沖值最大，20CrMoH次之，20CrMnTiH最低。當(dāng)前，20CrMoH齒輪鋼用于制造摩托車高速、大載荷齒輪，20CrMnTiH用于制造摩托車低速，小載荷齒輪，因此，以彎沖值作為評價指標(biāo)，16MnCr5H鋼所制造的摩托車齒輪的使用性能至少與20CrMoH所制齒輪相當(dāng)。所以16MnCr5H鋼代替20CrMoH鋼制造摩托車齒輪是完全可能、可行和可靠的。

圖7、圖8為16MnCr5H、20CrMoH 2種齒輪鋼彎沖后斷口檢測結(jié)果。16MnCr5H沖擊斷口呈圓弧形，20CrMoH則較平坦；掃描電鏡（Scanning Electronic Microscopy，SEM）斷口觀察表明：16MnCr5H的斷口起裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、最后斷裂區(qū)中的延展性斷裂的比例均優(yōu)于20CrMoH，這與該鋼種的彎沖力較高、宏觀斷口起伏大的結(jié)果是一致的。

4.7 單齒彎曲疲勞性能

按照GB/T 14230—2021《齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗方法》要求，進(jìn)行3種齒輪鋼的單齒彎曲疲勞性能測評。單齒彎曲試驗樣品的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)為：模數(shù)M=1.75 mm；齒數(shù)Z=32；齒寬b=9 mm；螺旋角β=0；分度圓壓力角αn=20°；齒頂高系數(shù)ha=1。如圖9所示，16MnCr5H的單齒彎曲中值（50%存活率）疲勞極限為292.6 MPa，高于20CrMoH的285.5 MPa和20CrMnTiH的261.1 MPa。

4.8 零件性能驗證

經(jīng)200 h目標(biāo)發(fā)動機(jī)五擋齒輪強(qiáng)化試驗后對3種齒輪件的磨損情況進(jìn)行了評價。針對磨損程度的檢測，采用傳統(tǒng)常用的幾何尺寸法，定義磨損前后齒輪不同部位厚度變化的最大值h為磨損量的表征參數(shù)[20]。16MnCr5H臺架試驗齒輪磨損量h=0.2 μm，磨損十分輕微，個別地方有輕微麻點(diǎn)，臺架試驗初始和試驗接近200 h發(fā)動機(jī)功率變化不大。20CrMoH和20CrMnTiH齒輪組臺架試驗后的磨損量h均大于2 mm，且磨損和疲勞剝落十分嚴(yán)重。綜上所述，16MnCr5H齒輪件的抗磨損和抗疲勞剝落性能遠(yuǎn)優(yōu)于20CrMnTiH和20CrMoH材質(zhì)齒輪件，從最終產(chǎn)品服役可靠性層面進(jìn)一步驗證了其應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢。此外，相比下選用16MnCr5H在性價比方面比20CrMoH更有優(yōu)勢，更加適應(yīng)于替換原用的20CrMnTiH制造目標(biāo)高負(fù)荷齒輪件，解決其失效問題。

5 結(jié)論

a. 通過Nb微合金化處理，在熱處理過程中有效地起到了細(xì)晶強(qiáng)韌性化效應(yīng)，這是16MnCr5H齒輪鋼在使用狀態(tài)下的綜合服役性能優(yōu)于20CrMoH和20CrMnTiH的重要原因。

b. Brugger彎沖試驗結(jié)果表明16MnCr5H其彎沖擊力高于20CrMoH和20CrMnTiH。從斷口形貌看16MnCr5H沖擊斷口呈圓弧形，20CrMoH則較平坦。此外，16MnCr5H的斷口起裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和斷裂區(qū)中的延展性斷裂比例均優(yōu)于20CrMoH，因此16MnCr5H具有最優(yōu)的彎沖性能。

c. 16MnCr5H的接觸疲勞極限顯著高于20CrMnTiH，略高于20CrMoH。臺架試驗結(jié)果表明16MnCr5H齒輪件的抗磨損和抗疲勞剝落性能也優(yōu)于20CrMnTiH和20CrMoH材質(zhì)齒輪件。

d. 基于目標(biāo)齒輪件的高負(fù)荷工況特性考慮選用16MnCr5H該鋼種替代原用的20CrMnTiH能有效地兼顧性能提升及性價比。

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