为提高齿轮的抗冲击能力，确定对齿轮冲击性能的核心影响因素，进行小样基础技术研究验证。文章主要通过夏比摆锤冲击试验方法，验证20CrMnTiH、22CrMoH和18CrNiMo7-6三种常见齿轮钢材料的渗碳处理和碳氮共渗处理两种热处理工艺。
通过组合验证，对比了冲击功、冲击宏观断口和微观断口形貌，最终确定Mo、Ni合金含量元素越高，其冲击功数值越高、宏观及微观形貌越致密的特点。最终得出渗碳淬火和碳氮共渗两种热处理工艺的抗冲击性能差异不明显的结论，为汽车齿轮材料和热处理选用提供理论支撑。
汽车齿轮在高负荷、变工况下易受冲击载荷作用，导致齿根断裂或表面剥落等问题。据统计，约30%的变速箱故障由齿轮冲击失效引发。因此，提高齿轮钢的耐冲击和弯冲抗力比较迫切。抗冲击能力研究需综合考虑材料性能、热处理工艺、加工工艺、动力学行为及润滑条件等多因素耦合作用。本文从齿轮原材料及热处理工艺两方面进行技术研究。
试验背景
国内外相关研究多采用弯曲冲击值来评价齿轮渗碳淬火后综合性能，该指标是德国采埃孚齿轮钢的五大技术指标之一，是独立于齿轮钢的标准技术条件之外的一个重要指标。但目前国内仅个别钢厂具有该弯冲设备，钢厂多检测的是未渗碳状态下的冲击韧性，未引入热处理的影响。与齿轮在渗碳淬火状态下的实际性能存在明显差异，这是渗碳齿轮钢常规试验评价方法的一个严重不足。为有效评价我公司齿轮钢渗碳淬火后的抗冲击性能，本文采用《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》(GB/T 229-2020)，其工作原理是采 用摆锤单次冲击的方式使试样破断，试样的缺口按照U型形状，并位于试样中心，试验在常温下进行，测定齿轮钢材料冲击韧性。冲击吸收功越大，表明材料的冲击韧性越好，抵抗破坏的能力越强。夏比试验操作简便、结果直观，在材料研发、生产质量控制以及工程应用中广泛采用，为材料的选择和设计提供重要设计依据。
试验方案设计
本文选用汽车齿轮最为常用的20CrMnTiH、22CrMoH、18CrNiMo7-6三种齿轮钢材，热处理方式选用渗碳淬火和碳氮共渗两种工艺，分别组合验证。齿轮钢均采用国内某钢厂直径为120mm的圆钢，三种钢材均为国内同一钢厂，20CrMnTiH和22CrMoH圆钢为热轧状态，18CrNiMo7-6圆钢为退火状态，后经等温正火(940±10)℃保温150min，冷却至(640±10)℃，保温180min。等温正火促进了合金元素的扩散，金相组织达到平衡组织(铁素体+珠光体)，原始带状组织得到有效控制(技术要求2级及以下)。按照图1方式选择取样位置， 选取该方式是为了避免受钢材偏析组织的影响。
图 1 钢材取样位置
验证样件的加工方式为铣削和磨削，在样件中央采用拉刀开U型缺口，完成后进行渗碳淬火/碳氮共渗处理，最终进行磨削处理，保证满足如图2所示的尺寸要求。每种状态样本量为5个。
图2 冲击样件尺寸规格
验证样件的目标技术要求：20CrMnTiH和22CrMoH化学成分满足GBT5216-2014标准要求；18CrNiMo7-6满足EN10084-2008标准成分要求。有效硬化层深为0.8～1.2mm；表面硬度为58～62HRC，心部硬度为33～44HRC；非马层深≤0.020mm；马氏体、残余奥氏体和心部组织的评级分别为1～4 级、1～2级和1～2级。
齿轮钢原材料化学成分及原始性能如表1和表2所示。可以看出3种钢的基本强塑性指标相近，但相比之下，18CrNiMo7-6和20CrMnTiH钢材的冲击性能优于22CrMoH，18CrNiMo7-6的端淬值较高，但对比齿轮钢供货状态性能意义不是很大，需要进一步从其他角度予以评价对比。
表 1 齿轮原材料化学成分分析结果 单位：%
表 2 三种齿轮钢钢材性能检测结果
注：J9表示在端淬试验中，距淬火末端9mm处的硬度值；J15表示距淬火末端15mm处的硬度值。
下一步对加工好的冲击试样进行热处理，热处理所用设备为郝菲斯Mes-150箱式多用炉，电阻加热，油冷，样件摆放方式为铁丝固定垂向淬火，淬火液采用好富顿MT355等温淬火油，渗碳淬火渗碳剂采用甲醇，碳氮共渗渗碳剂为甲醇添加含氮渗剂，在强渗阶段添加。渗碳淬火和碳氮共渗及其回火工艺曲线如图3所示，图中Cp为碳势。
图 3 热处理工艺曲线对比
切取热处理后的试验样块进行抛光，然后用4%的硝酸酒精腐蚀后在500倍的光学显微镜下进行金相组织观察，金相检测选用蔡司显微镜Axio Vert.A1，按照《钢件渗碳淬火回火金相检验》(GB/T 25744-2010)进行渗碳淬火回火金相检验，最终检测结果均满足目标技术要求(见表3)。
表 3 三种齿轮钢成品样件理化检测结果
理化检测结果如表3所示，碳氮共渗的马氏体和残余奥氏体级别较高，氮元素的加入使过冷奥氏体转变为马氏体的起始点与终了温度下降，增加了转变不完全性，故而残余奥氏体较多。碳氮共渗的渗碳层深较渗碳淬火略深，其他个别指标有一定的离散性，主要受材料显微组织、晶粒度及淬透性热处理差异影响，但检验结果已保证在技术要求范围内，其带来的差异不予细究。
验证结果及讨论
采用美特斯ZBC2152-BE摆锤式冲击试验机进行试验，试验结果见表4。结果表明在渗碳淬火处理工艺下，18CrNiMo7-6较20CrMnTiH性能提升39.1%，22CrMoH较20CrMnTiH性能提升25.7%。在碳氮共渗处理工艺下，18CrNiMo7-6较20CrMnTiH性能提升40.1%，22CrMoH较20CrMnTiH性能提升51%。
对比两种热处理工艺，20CrMnTiH的抗冲击能力最差，通过查阅相关资料，20CrMnTiH依赖Ti元素细化晶粒，但过量Ti会形成TiC，另外Ti元素的加入会增加回火脆性，导致韧性下降。18CrNiMo7-6通过Ni元素的固溶强化和Mo元素的晶界钉扎作用，Mo元素抑制碳化物聚集，提高韧性。两者协同作用显著改善抗冲击性能。实现更均匀的细晶组织、抗冲击性能更稳定。
表 4 三种齿轮钢冲击功检测结果 单位：J
对完成冲击试验的断口分析宏观及微观形貌分析，具体见图4和图5。冲击宏观断口整体比较粗糙，硬化层区域断口较为细腻，颜色呈“灰白色”；心部断口略为粗糙，颜色呈“灰色”。三种材质对比显示18CrNiMo7-6的宏观断口较为致密。22CrMoH和20CrMnTiH宏观断口相似，宏观存在冲击断裂导致撕裂唇口基本一致，撕裂唇观呈黑灰色。
图 4 三种齿轮钢渗碳淬火断口宏观及微观形貌
图 5 三种齿轮钢碳氮共渗处理断口宏观及微观形貌
对渗碳淬火微观断口进行分析，对硬化层分析可得18CrNiMo7-6硬化层较为细腻，放大至5000倍韧窝特征不是很明显，主要为细小的韧窝断口，22CrMoH材质硬化层韧窝较为明显，20CrMnTiH硬化层存在沿晶断口和韧窝混合断口。可以判断18CrNiMo7-6晶粒较小，22CrMoH次之，20CrMnTiH晶粒较粗。
对碳氮共渗微观断口进行分析可知18CrNiMo7-6宏观断口较为细腻，20CrMnTiH次之，22CrMoH断口最为粗糙。微观形貌对比，18CrNiMo7-6和22CrMoH的硬化层均较为细腻，为弥散细小的韧窝形貌，20CrMnTiH的硬化层为沿晶和韧窝混合形貌。
综合分析，对于渗碳淬火工艺，采用18CrNiMo7-6的冲击韧性最好。渗碳层组织更为均匀细小，碳化物弥散度更高，具有更高的强度和韧性配合，使材料在承受冲击载荷和交变应力时性能更优，更适合于制造承受重载且要求高可靠性的零件。不过18CrNiMo7-6的价格较高，生产工艺也更复杂，在实际生产中需根据具体齿轮的工作条件、性能要求和成本等因素综合考虑选择合适的齿轮钢材料。
实际生产应用中，渗碳处理技术体系成熟，自动化控制程度高，碳氮共渗处理工艺参数精准控制难度大，容易出现内氧化和黑色组织缺陷、炉内气氛均匀性差和残余奥氏体过量问题；另外 因带氨渗剂或高纯氨气带来的成本、环境问题，市场应用较少，需多学科协同创新才能实现突破。
结 论
通过夏比摆锤冲击试验，对比冲击功和材料组织形貌得出以下结论：
1）渗碳淬火热处理工艺下，相较于20CrMnTiH，18CrNiMo7-6冲击性能提升39.1%，22CrMoH冲击性能提升25.7%；碳氮共渗热处理情况下，相较20CrMnTiH，18CrNiMo7-6冲击性能提升40.1%， 22CrMoH冲击性能提升 51%。
2）在实际生产过程中，为提高齿轮的抗冲击性能，相较20CrMnTiH和22CrMoH，建议采用18CrNiMo7-6渗碳淬火工艺，如企业对成本比较敏感，可结合齿轮应用工况差异，对不同齿轮材料选用作以区分，以实现企业效益最大化。
参考文献：略。
作者简介：田婧（1992－），女，工程师，研究方向为齿轮材料及表面处理、失效分析等技术研究与改进。
来源：汽车实用技术