齒輪產品是機械工業的關鍵基礎件,絕大部分機械成套設備的主要傳動部件都是齒輪傳動。近年來,我國齒輪產業快速發展,齒輪產業已成為中國機械通用零部件基礎件領域的領軍級行業,中國已經成為名副其實的世界齒輪制造大國。而齒輪行業的主要上游產業為鋼鐵產業,鋼鐵是齒輪產品的主要原材料來源,因此齒輪鋼的變動對齒輪行業有著直接的影響。
一、齒輪鋼的應用及市場
1、齒輪鋼的應用
齒輪鋼使用覆蓋面較廣,我國齒輪產業由三部分合成:車列齒輪、工業齒輪和齒輪裝備。其中,車列齒輪其市場份額達到60%;工業齒輪由工業通用、專用、特種齒輪構成,其市場份額分別為18%、12%、8%;齒輪裝備占市場份額的2%。
車輛齒輪主要是為汽車、摩托車、農用運輸車、農機、工程機械配套的齒輪,以汽車齒輪為主。車輛齒輪中汽車齒輪占60%、摩托車3.5%、農用運輸車15%、農機12%、工程機械9.5%。
工業齒輪是為工業企業用各種成套機械裝備配套的齒輪裝置(如減速機),約占齒輪總量的40%。
2、齒輪鋼的市場需求
2018年我國齒輪鋼產量達347萬噸,從國內市場供需情況看,國產齒輪鋼在數量上基本能滿足國內汽車及工程機械齒輪的需求。隨著我國經濟的穩步增長,機械制造業持續發展,汽車等制造業用高檔齒輪鋼,作為重點發展的關鍵特鋼品種;高強高韌汽車用鋼、高品質軸承鋼、壽命更持久的齒輪需求量日趨增長,無疑將對齒輪鋼市場注入強大的動力和活力。
二、我國齒輪鋼的生產概況
我國齒輪鋼的生產主要集中在特鋼企業,大約占總量的35%。
1、生產工藝路線
我國齒輪鋼的生產工藝路線基本上有兩種類型:
1)EF(或BOF)+LF(或VAD或RH)精煉→模注成錠→初軋開坯(或鍛材)→橫列式軋機或半連軋軋機成材→精整→檢驗入庫;
2)UHP(或EBT)+LF/VD精煉→合金鋼方坯連鑄→(半)連軋軋機成材→精整→檢驗入庫。
2、主要鋼種
按照合金系列分類,齒輪鋼可分為Cr-Mn-Ti系、Cr系、Mn-Cr系、Cr-Mo系、Cr-Mn-B系以及Cr-Ni-Mo系。
Cr-Mn-Ti系:主要以20CrMnTiH為主,同時根據不同車型、不同齒輪廠的加工工藝,20CrMnTm又可以分為H1,H2、H3等不同淬透性帶寬的子鋼號系列。并且在原有的20CrMnTi的基礎上,一汽與有關冶金廠開發了16CrMnTiH、18CrMnTiH鋼,用于小紅旗轎車齒輪生產。
Cr系齒輪鋼:鋼種為SCr420H,與中國GB/T5216-85標準中20CrH相比較,Mn、Cr含量均有提高,淬透性略高,用于夏利轎車、東風EQ1538t載重卡車變速箱齒輪。
Cr-Mn系齒輪鋼:鋼種為16MnCr5、20MnCr5、25MnCr5、28MnCr5、27MnCr5,主要用于奧迪、捷達、桑塔那及富康轎車齒輪,依維柯中巴車及部分引進的重型卡車齒輪。
Cr-Mo系齒輪鋼:鋼種為SCM415H、SCM420H、SCM822H1(H2)、16CD4,20CD4,27CD4,30CD4等牌號,主要用于標致轎車、五十鈴中巴、153中型卡車齒輪生產。
Cr-Mn-B系齒輪鋼:品種主要是德國的ZF6(16CrMnBH),ZF7(B)(18CrMnBH、20CrMnBH)。ZF鋼是經過B處理的Cr-Mn系齒輪鋼。主要用于斯太爾重型卡車齒輪。B在這類鋼中的作用主要是形成球狀BN,降低鋼中固溶N量,提高鋼的韌性,而傳統的滲碳硼鋼中B主要起提高淬透性的作用。
Cr-Ni-Mo系齒輪鋼:鋼種主要為SAE8620H、SAE8627H、SAE4320H美國鋼號及ZFlA(或17CrNiMo6)德國鋼號,用于切諾基轎車、斯太爾卡車齒輪。
鑒于各國資源和生產工藝條件的差異,每個國家和地區應用的齒輪鋼合金系列不盡相同,例如:德國采用Mn-Cr系列和Cr-Mn-B系列(16MnCr5,20MnCr5,25MnCr5,28MnCr5,ZF6,ZF7,ZF7B);日本應用Cr系和Cr-Mo3系(SCr420H,SCM415H,SCM420H,SCM822H);美國采用Cr-Ni-Mo系(SAE8617H,SAE8620H);法國采用Cr-Ni系(19CN5)和Cr-Mo系(20CD4,27CD4,30CD4)齒輪鋼;中國大量使用的是20CrMnTi齒輪鋼。
三、齒輪用鋼的冶金質量要求
齒輪鋼不但要有良好的強韌性、耐磨性,承受沖擊,彎曲和接觸應力,且還要變形小、精度高、噪音低。齒輪的生產和加工工藝,除了一般的淬火、回火熱處理外,還采用滲碳淬火、氮化處理、高頻淬火等多種表面硬化處理。通常,齒輪制造對齒輪鋼的技術要求主要有:
(1)足夠的心部淬透性和良好的深層淬透性,確保齒輪滲碳淬火時滲層和心部不出現過冷奧氏體分解產物;
(2)齒輪滲碳淬火后變形小,免去或減少磨削加工,降低運行噪音;
(3)良好的成形性;
(4)良好的可熱處理性。
高質量水平的齒輪鋼主要表現在三個方面:即末端淬透性帶窄,離散度小;純潔度高;晶粒細小均勻。此外,良好的加工性能(包括冷、熱加工性和易切削性)也是齒輪行業所關心的重要指標。
1、末端淬透性
用末端淬透性來代替以往的機械性能檢驗是評價齒輪鋼質量的重大進步。末端淬透性的穩定與否對齒輪熱處理后變形量的影響很大,淬透性帶寬度愈窄,離散度愈小,愈有利于齒輪的加工及提高其嚙合精度。我國現行的GB/T5216-2004《保淬透性結構鋼》標準中的淬透性帶“帶寬”水平與美國、德國的H鋼(HH鋼、HL鋼)標準水平基本上是相當的。我國目前對齒輪的帶寬控制情況是:骨干企業是兩點控制,J9一般為6~8HRC,J15一般為6~10HRC;一般企業要求符合GB/T3077-1999或單點控制。國外對齒輪鋼淬透帶寬的控制一般是全帶控制在4~7HRC。
2、鋼中氧含量及夾雜物的要求
氧含量對齒輪疲勞壽命的影響已越來越受到人們的關注。日本對Cr、Cr-Mo、Cr-Ni-Mo滲碳合金鋼的氧含量和疲勞壽命之間的關系曾做過實驗,當氧含量從25×10E-6降到10×10E-6以下時,其疲勞壽命可以數倍的增加,中國對SCM420H、20MnCr5等引進鋼種也進行過脫氣和不脫氣的對比實驗,證實脫氣50多以上。由于工業發達國家擁有先進的技術裝備和工藝技術,其齒輪鋼的氧含量普遍較低,1986年開始至今我國分別從日本、德國、奧地利等國進4口的齒輪鋼其氧含量波動在(7~18)×10E-6。中國電爐單煉的20CrMnTi氧含量水平約(30~40)×10E-6,電爐+LF爐雙煉法生產的齒輪鋼氧含量約25×10E-6,經VD真空處理后可達到20×10E-6以下。為了適應齒輪鋼的新要求,各鋼廠經技術改造,生產的齒輪鋼純凈度也達到較高水平,大大縮短了與國際水平的差距。
目前齒輪行業標準已將汽車用齒輪鋼的氧含量規定為≤20×10E-6,而很多采用LF+VD或LF+RH精煉處理的特殊鋼廠家,已可以將齒輪鋼的氧含量控制在15×10E-6以下。非金屬夾雜物中B、D類夾雜對齒輪的疲勞壽命影響非常大,這兩類夾雜物也與氧含量有關,同時與非金屬夾雜物的尺寸及分布有很大關系。目前要求B類夾雜不大于2級,D類夾雜不大于l級。A類夾雜對齒輪鋼的疲勞壽命影響不大,并且隨著易切削齒輪的發展,鋼中對硫含量的上、下限都提出了要求,因此齒輪鋼今后對A類夾雜的數量、形態及分布提出要求。C類夾雜為硅酸鹽類夾雜,由于冶煉裝備的變化,目前國內大多數特鋼廠都可以達到1級以下的水平。