2.2　高强韧性齿轮钢

齿轮钢主要用于汽车、工程机械及机械制造业的传动部件，齿轮以其可靠、稳定的传动性能在机械传动中获得了广泛的应用。齿轮表面质量的优劣直接影响整个传动系统的质量和寿命。高强韧性的齿轮钢不但要有良好的强韧性、耐磨性，能很好地承受冲击、弯曲和接触应力，还要求变形小、精度高和噪声低。近年来，随着我国现代机械设备的技术参数不断改进，对齿轮性能提出更高要求，如高速列车传动齿轮、风电齿轮、核电齿轮与大型石油化工装备的齿轮等，为满足齿轮钢轻量化、高性能、长寿命、环保性的发展趋势，使得高强韧性齿轮钢的研发显得极为重要。齿轮钢要求气体含量低、淬透性带窄、批量之间的波动性小，以确保批量生产的齿轮的热处理质量稳定，提高配对啮合性能，延长使用寿命。由于齿轮钢的需求日益增加，因此表面硬化齿轮钢成为合金结构钢中产量较大的代表性钢类。

2.2.1　表面硬化齿轮钢的服役条件与主要性能要求

齿轮是各类机械传动系统的关键部件，广泛应用于汽车、船舶、飞机、火车等的传动装置。齿轮性能的好坏直接影响着传动系统的使用寿命和运行过程中的安全系数。随着科学技术的发展，对齿轮使用性能的要求越来越高，对于高速重载齿轮来说，要求就更高，不但要求齿轮表面要有较高的硬度、耐磨性、接触疲劳强度以及较好的心部韧性，同时还要求表面具有良好的抗回火软化性、较低的摩擦系数和较好的抗腐蚀性。

因此，对于传动齿轮特别是高速重载齿轮，大多选用低、中碳合金钢作为传动齿轮材料最为理想，低、中碳合金结构钢经表面硬化、淬火、低温回火后使用，能够保证齿轮心部在保持足够强度和韧性的条件下，表层具有很高的硬度和耐磨性，以使其能够承受巨大的冲击载荷、接触应力和磨损。随着机械制造技术和材料生产技术的进步，机械传动设备向着高速度、高载重量、低噪声和轻量化的方向发展，这就要求表面硬化齿轮钢具有高强韧性的要求，应满足以下几个方面的性能。

（1）淬透性要求——末端淬透性带窄，离散度小

钢的淬透性系指钢在淬火时获得淬透层深度的能力即表示其接受淬火的能力，它是钢材本身固有的属性。其大小通常用规定条件（指规定尺寸和形状的钢试样，在规定的淬火冷却条件下淬火）下的淬透（硬）层深度来表示。齿轮钢的淬透性决定了齿轮表面硬化淬火的心部强度，而末端淬透性是评价齿轮钢最重要的技术指标。

根据齿轮的不同使用部位，要求表面硬化齿轮钢具有足够的心部淬透性和良好的渗层淬透性，以确保齿轮表面硬化（如渗碳）、淬火时表层和心部不出现过冷奥氏体分解产物，同时较窄的淬透性带能使齿轮热处理后的变形范围小，因此末端淬透性的稳定与否对齿轮热处理后变形的大小影响很大，淬透性带越窄，离散度越小越利于齿轮的加工及提高啮合精度。表面硬化齿轮钢淬透性带宽的控制主要取决于化学成分的精确控制及成分的均匀性，也就是对淬透性影响大的元素如C、Cr、Mn、Mo等元素进行控制。过去齿轮制造厂为减少热处理变形，针对不同有效截面的齿轮，选择不同的合金系列或同一合金系列改变碳含量来保证不同有效截面齿轮对淬透性的不同要求。近年来，采用炉外二次精炼和连铸技术，以完善的淬透性数据库为基础，通过计算机炉前分析与计算，可精确预测钢的淬透性，同时还可预测出钢的全部力学性能。

（2）晶粒度要求——晶粒应细小、均匀

奥氏体晶粒度对稳定钢材的淬透性、减小齿轮热处理后的变形量、提高表面硬化钢的脆断抗力具有重要意义，它是衡量齿轮钢质量的另一重要指标。细小均匀的奥氏体晶粒对稳定钢材的末端淬透性，减少齿轮热处理后的变形，提高钢的脆断抗力具有重要意义。例如渗碳齿轮钢中的晶粒粗化使渗层碳浓度相对增高，导致脆性增加，使弯曲强度下降，齿面容易剥离。如果出现混晶，有可能使齿牙之间的热处理变形失去规则而无法配对。我国齿轮钢的晶粒度级别一般要求5～8级，但随着高温真空渗碳等技术的发展，对齿轮钢奥氏体晶粒度的稳定性会有更高的要求。晶粒细化主要通过添加一定量的细化晶粒元素，如Al、Ti、Nb等来达到，而实际产品的晶粒能否细化还要取决于炼钢后的锻、轧、热处理工艺是否合理。

（3）纯净度要求高

齿轮钢的纯净度，主要指钢中氧含量，非金属夹杂物和除硫（有时需保持一定硫含量以改善切削性）以外的其他有害元素（如N、H、O等）。氧化物夹杂总量的高低，直接决定于氧含量的高低。钢中氧含量对齿轮的疲劳寿命有着重大影响，特别是对接触疲劳强度有显著的危害作用，日本对Cr、Cr-Mo、Cr-Ni-Mo齿轮钢的氧含量与疲劳寿命之间的关系做过对比试验，当氧含量从25mg/kg降至11mg/kg时，其接触疲劳强度可提高4倍。通过精炼工艺最大限度地脱除钢中的氧，也同时使钢中氧化物夹杂含量减少，即减少了齿轮的裂纹源。钢中存在的大颗粒夹杂相当于一敏感裂纹源，使钢的延展性降低，即使在很低拉应力作用下，裂纹也极易扩展，造成工件失效。同时，当过量夹杂物聚集在晶界时，易产生沿晶脆断，使钢的延展性降低。我国对SCM420H等引进齿轮钢进行脱气与不脱气的对比试验，证实其疲劳寿命可提高40％左右。降低钢中氧含量的主要方法是真空处理。

（4）加工性和易切削性好

齿轮钢是热加工用钢，要求钢材的表面质量好，无裂纹、结疤等宏观缺陷。同时要求具有良好的机加工切削性能，以适应高速数控机床的需要。

日本已在开发以新的钢包精炼加真空脱气处理为基础的含铅钢精炼技术，在稳定降低含氧量的同时，使铅均匀分布。在法国和德国标准中，有许多钢号对硫有下限要求，其含硫量一般只有0.020％～0.035％，而不是原概念中硫越低越好的思路。通常仅按常规的冶炼方法来提高易切削性仍是比较困难的，需通过合适的冶炼工艺改善硫化物的形状及其分布。另外，通过钢材锻轧后的空冷处理，防止粒状贝氏体的出现，改善金相组织，也是提高切削性的有效途径。

（5）带状组织

对于齿轮钢，除了上述特性要求外，还应减轻或消除带状组织，如在冶炼过程中尽量降低钢中有害元素、气体及杂质的含量，在浇注过程中采用低的浇注温度，提高等轴晶的形成量等，以保证各种性能均匀。

2.2.2　高强韧性齿轮钢在我国的发展

（1）微合金化渗碳齿轮钢及应用

对传统渗碳齿轮钢进行微合金化，优化了高温渗碳齿轮钢、冷锻齿轮钢、细晶强化高强韧性齿轮钢等先进齿轮钢品种。

①高温渗碳齿轮钢　常用渗碳齿轮钢利用残余的0.01％～0.05％Al，使其930℃奥氏体晶粒度细于5级，如将Al含量稳定在0.02％～0.05％，提高N含量至0.010％～0.020％，控制Al/N比，则可将AlN的溶解温度即渗碳钢的奥氏体晶粒粗化温度提高至950℃，从而为高温气体渗碳工艺的应用提供材料支持。950℃气体渗碳材料工艺技术均可在传统的井式渗碳炉、多用渗碳炉和连续式无罐炉上实施，具有良好的应用前景。

为减小或防止内氧化对齿轮渗层强韧性的影响，更高温度的渗碳需采用低压真空渗碳技术，高温低压真空渗碳齿轮钢的渗碳温度高达970～1050℃，此时单纯利用Al、N的微合金化不能阻止奥氏体晶粒粗化，需添加固溶温度更高的氮化物如Ti、Nb等元素。Ti、Al、N复合微合金化齿轮钢20CrMnTiH在保温时间6h情况下，其970℃和1050℃加热奥氏体晶粒度可分别达8.0级和6.5级。在其中添加0.02％Nb，其1000℃晶粒度可达9.0级。

通过对Ti-Nb微合金化渗碳齿轮钢的研究，例如对比研究20CrMnTi及添加0.048％Nb的20CrMnTiNb齿轮钢的奥氏体晶粒长大规律，探讨其在高温渗碳工艺中的适应性。采用热模拟渗碳方法研究了Ti和Ti-Nb微合金化的20CrMnTi和20CrMnTiNb渗碳齿轮钢在930～1200℃的奥氏体晶粒长大规律。结果表明，添加0.038％（质量分数，下同）Ti和0.048％Nb的20CrMnTiNb钢中含有Nb和Ti的析出相，其粒子间距0.361μm；而含0.054％ Ti的20CrMnTi钢中仅含有较大尺寸的TiN析出相，粒子间距0.471μm，前者奥氏体晶粒粗化倾向明显低于后者。20CrMnTiNb钢经1000℃奥氏体化10h后奥氏体晶粒长大不明显，且无混晶现象，适合高温渗碳工艺。

②冷锻齿轮钢　冷锻齿轮钢同时融合了微合金化和TMCP技术，添加Ti、Al、N或Ti、Nb、Al、N微合金化，以细化热轧态晶粒，阻止冷锻齿轮在后续加热过程中的晶粒异常长大。TMCP技术的目的在于细化热轧交货状态晶粒度，通过应变诱发铁素体析出，增加铁素体含量，降低交货状态硬度。以上两种技术的复合，使冷锻齿轮钢的塑性增强，临界压缩率达80％，无需球化退火就能满足冷锻工艺要求；冷锻成型后，可省略再结晶退火，直接进行渗碳；渗碳后无需二次加热淬火，就能达晶粒度要求，达到节能降耗、简化工艺、提高效率的目的。

③细晶强化高强韧性齿轮钢　齿轮钢疲劳强度与奥氏体晶粒尺寸近似存在Hall-Petch关系，细化奥氏体晶粒可提高疲劳强度。细化奥氏体晶粒度的方法包括低温渗碳、渗碳后二次淬火及添加Nb、Ti、V微合金化。20CrMoH和经Ti、Nb复合微合金化的20CrMoH，经930℃气体渗碳7h+扩散0.5h后，有效硬化层深度分别为1.0mm和1.2mm，渗层晶粒度分别为7.2级和10.5级，而旋转弯曲疲劳强度分别为995MPa和1230MPa，Ti、Nb微合金细晶强化使得20CrMoH疲劳强度提高了23.6％。

（2）新型贝氏体钢

西北工业大学研发的新型贝氏体钢，在强韧性上较传统贝氏体钢而言具备更大的优越性，被深入运用于重载齿轮，汽车齿轮等产品的生产中。新型贝氏体具有强度高、成本低、韧性强、易焊接、易钢合金化的特点，可广泛取代同类进口产品、普通钢种和含有昂贵的Cr-Ni合金的钢种。新型贝氏体钢的投入使用能降低钢铁耗费，提升钢材性能与市场竞争力。这一钢种淬透性较强，在轧制、锻造或模锻后只需经空冷便能够形成新的贝氏体组织。新型贝氏体钢的力学性能容易达到，不回火、低温回火操作均可较轻易实现，同时它的工艺也相对简单，实际生产过程中的热成型、热处理操作可合二为一，新型贝氏体钢的热处理变形应力一般，不易发生淬火裂纹现象。常规钢铁制造厂通过已有设备便能完成对新型贝氏体钢的生产。

（3）空冷贝氏体于准贝氏体钢

空冷贝氏体钢，属于非调质钢中的一类。由于其空冷淬透性好，可免去淬火工序，不仅节省能源、降低成本，也避免了由于淬火引起的变形、开裂及脱碳等缺陷。且冷热加工性能良好，同时具有优良的强韧度配合，故可提高齿轮的质量及寿命。天津盛昌齿轮有限公司和天津热处理研究所联合对低碳贝氏体钢及其渗碳工艺在轿车齿轮上的应用进行了深入研究。与20CrMnTi钢的对比试验表明：低碳贝氏体钢不但渗碳工艺性能良好、力学性能优良，而且可采用渗碳气冷淬火而减少小轿车齿轮渗碳淬火变形量，从而可较经济地提高其制造精度和性能，对轿车变速器齿轮、后桥齿轮等零件具有重要推广应用价值。

准贝氏体钢组织是由贝氏体、铁素体和残留奥氏体组成的无碳化物形成或非典型贝氏体组织，具有良好的强韧性配合且渗碳特性和空冷淬硬性优越，是一种新型汽车齿轮钢。西北工业大学研制成功的系列准贝氏体钢，具有高强高韧、工艺简单、成本低廉等优点，已得到广泛应用。为了将其用于渗碳零件，又设计出准贝氏体渗碳钢BZ18Q，将其用于某汽车输出轴五挡齿轮，渗碳油冷后根据汽车齿轮相关标准，对随炉试样进行评定检测，结果符合有关技术要求。将准贝氏体渗碳钢齿轮装车路试，检验结果表明：齿轮跨球距在跑车前后基本无变化，啮合齿面光滑无麻点。这为准贝氏体钢用于制造汽车齿轮，替代一些含镍较多的优质合金渗碳钢提供了理论依据。

（4）喷丸表面强化齿轮钢

喷丸表面强化是指通过机械手段（即在加工过程中，球形弹丸高速撞击表面）在金属零件表面产生压缩变形，使表面形成形变硬化层（此形变硬化层的深度可达0.5～1.5mm），从而使零件表面硬度、疲劳强度提高，是金属材料表面强化的有效方法。

随着科技的迅猛发展，人们开发了高能喷丸、微粒喷丸、超声喷丸和激光喷丸等多种喷丸强化技术，每种喷丸技术各有其优点。

在高能喷丸中，弹丸从各方向以高频率撞击已被固定的材料表面，能够细化晶粒，达到纳米量级，从而实现材料表面的纳米化，进而实现表面的强化作用。但由于弹丸的直径较大，强化后表面粗糙度值较大，在精度要求较高的情况下需要后续加工。

微粒喷丸采用的弹丸直径小，冲击速度快，经过微粒冲击处理后工件表面硬度增加的幅度大，粗糙度值小，但是残余应力层较浅，耐磨性相对较差，对于精度要求较高的齿轮还需进行精加工。

超声喷丸强化是一种使丸粒在振动工具头的冲击下以一定速度向工件运动，同时丸粒之间发生相互撞击，使丸粒的运动方向和速度随机分布，从而使工件表面获得均匀处理的方法。经过超声喷丸强化处理的工件表面残余应力值、粗糙度值都优于传统喷丸；另外，超声喷丸还具设备体积小、耗能低等优点，齿轮超声喷丸强化原理示意如图2-14所示。在喷丸过程中，由于丸粒的运动方向和速度是随机、不可控的，这就导致齿轮表面的粗糙度值较大，因此，对于精度要求较高的齿轮还要进行磨削加工。

激光喷丸是将高功率的短脉冲强激光透过透明约束层照射在金属板材表面的吸收层上，吸收层吸收激光脉冲能量气化，气化后的蒸气急剧吸收激光脉冲的能量形成等离子体，爆炸产生强激光冲击波使材料发生塑性变形的一种技术，因其原理与喷丸相似故称激光喷丸。激光喷丸强化原理如图2-15所示，它可对狭小的空间进行喷丸，参数可精确控制。经激光喷丸强化后，材料塑变深度及形成的压应力深度明显大于其他大多数表面处理，从而大幅改进了疲劳性能、断裂韧度及应力腐蚀抗力，但冷作硬化程度小于1％，仅为传统喷丸技术的50％。

总之，喷丸强化技术能显著改善零件疲劳性能，提高应力腐蚀开裂能力，因而被广泛应用在长期处于交变应力集中载荷作用下的传动齿轮上。

（5）激光加热表面淬火齿轮钢

激光加热表面淬火是利用高能激光脉冲驱动一束高振幅的激光波冲击材料表面，迅速将材料表面加热到相变点以上，随着材料自身冷却，奥氏体转变为马氏体，从而使材料表面硬化的淬火技术。激光齿面淬火原理如图2-16所示，激光淬火时，为避免相邻轮齿对激光束造成干涉，激光束起始位置的确定十分重要。图2-16中，α为分齿角度，е为激光偏置量，r为齿轮分度圆半径。激光加热表面淬火是一种加热温度高、速度快，通过基体的导热快速冷却而实现淬火的方法，故齿轮激光淬火后能获得细化的马氏体晶粒，而且齿轮变形极小，可实现无磨削或极少量精磨；另外与渗氮、渗碳强化工艺不易获得沿齿廓均匀分布的硬化层相比，经激光淬火后，淬硬层分布更趋均匀，硬度更高。由于硬化层晶粒的细化可有效防止裂纹萌生和扩展，从而改善了淬火齿轮的接触疲劳性能，同时，硬化层硬度的“月牙形”分布，即分度圆处较厚，齿顶、齿根处略薄，符合齿轮受载的需求，因此，激光淬火可为大模数、高精度的齿轮齿面强化提供一种有效的途径。另外，齿轮激光淬火不受齿轮模数大小的局限，实际应用具有明显优势。

激光淬火的主要缺点是设备昂贵，保养费用高，对操作人员要求高。

（6）复合表面硬化齿轮钢

随着科技的发展，人们对各种传动部件的使用要求越来越高。例如高速列车（350km/h）要求传动齿轮，具有高疲劳强度、高弯曲强度、低磨损和摩擦以及高的承载能力。单一表面强化技术不易满足综合性能要求高的工件的使用要求，而将两种或多种表面强化技术进行复合处理，将显著提高工件的综合性能，满足了更加复杂的使用要求。

①渗碳+氮碳共渗的齿轮表面复合强化技术　对于低碳和低合金钢，对其表面进行渗C可显著提高表面硬度，然后进行低温N-C共渗（低于530℃），可使心部保持较好韧性，表面形成一层氮化层，具有极好抗腐蚀性能，表面硬度基本保持不变。最后进行等离子渗S，表层形成由FeS相组成的硫化物层。由于N-C共渗层具有很好的支撑作用，从而摩擦时硫化物层不易剥落。硫化物层疏松多孔，具有良好的自润滑性能，且FeS相有效降低摩擦系数，但表面硬度略有下降。例如美国第二代航空齿轮钢M50NiL，其碳含量低且添加了Ni元素，使之适合渗碳。N-C共渗后，表面形成的氮化物层提高了齿轮表面的接触疲劳强度，同时基本保持了渗碳时高的硬度，心部断裂韧性也较高。渗S工艺中的S元素降低了表面摩擦系数，而N的渗入与Ni的合金化相结合，使残余奥氏体量增多，渗层的硬度显著提高。该工艺已成功运用于航空齿轮的表面强化，使齿轮具有较好的综合性能，延长了使用寿命。

②离子渗氮+类金刚石膜（DLC）的齿轮表面复合强化技术　工件经等离子渗氮和类金刚石膜（DLC）复合处理后，表面硬度、膜/基结合强度、耐磨性能等均优于未氮化镀类金刚石涂层的工件。由于氮化后的钢表面有较深的硬化层，具有一定硬度、耐磨性和残余压应力，构成了类金刚石膜（DLC）的理想支撑体，其承载能力远远超过未氮化基材。由于硬化层硬度增加，形成了从DLC表面到钢基体之间的硬度梯度，使材料表面的耐腐蚀性、耐磨性、接触疲劳强度和涂层的附着能力都显著提高。DLC膜因具良好的耐磨性和很低的摩擦系数，抗磨损性能大幅度提高。该复合处理工艺在齿轮的应用上有着很好的前景，它可改善齿轮的表面组织及性能，提高齿轮表面的耐磨性。

③表面离子渗氮+沉积TiN涂层的齿轮表面复合强化技术　TiN涂层因具很高硬度、低摩擦系数、抗蚀性好而广泛应用于工件表面，但由于单一涂层与基体的结合力较弱，所以承受的载荷不高。然而，齿轮工件表面在500℃左右经过离子渗氮后，形成了细小均匀分布的氮化物，提高了表面硬度，也为沉积TiN涂层提供了强有力的机械支撑，膜/基结合力增强。因此复合渗层的疲劳强度很高，同时具有抗塑变能力。该复合强化技术可应用于高速重载齿轮，抗冲击力强且具优异的耐磨性。

总之，复合处理的类型多种多样，其强化效果，将1+1>2，必将获得更为广泛的应用。

2.2.3　高强韧性齿轮钢应用例解

（1）重型机械传动齿轮——8622H钢

8622H钢属于Cr-Ni-Mo系渗碳和碳氮共渗钢，多被用来生产重型汽车、重型挖掘机、重型吊车、重型机床等重型机械的传动齿轮和齿轮轴，也常见于大扭矩小型齿轮和齿轮轴的制作。通过电炉-炉外精炼-真空处理-连铸工艺，南钢已顺利实现了8622H齿轮钢产品的理论研发和大规模生产。试验结果表明，在工艺设计科学，技术采用合理情况下，8622H保淬透性圆钢可彻底满足各类技术需求。一般，这类型钢材只要化学成分和窄范围把控合理，其淬透性就会符合标准规范，钢材的淬透性带宽可被确保控制在4（HRC）范围内。如同时配合使用连铸坯热送热装等工艺技术，8622H钢的生产效率、金属收得率都将发生显著提升，缩减生产投入。

（2）重型汽车驱动桥齿轮——17CrNiMo6H钢

17CrNiMo6H钢由大冶、长城和抚顺钢厂先后实现了的自产。产出的17CrNiMo6H钢淬透性能指标在J10=42（HRC），J15=41（HRC）。晶粒度保持在7～8级，力学性能：Rm=1290MPa，ReL=945MPa，A=15％，Z=60％，AK=112J。该钢冲击功112J，在该性能上较22CrMoH钢更好，已部分使用于国内某些重型汽车驱动桥齿轮的生产。

（3）重型汽车驱动桥圆锥齿轮钢——17Cr2Mn2TiH

17Cr2Mn2TiH钢由湖北黄石特钢冶金新材料公司研制，已被证实可用于取代17CrNiMo6H和20CrNi3H、22CrMoH等钢种投入使用。试验结果表明，采用该钢热处理工艺简单，以其生产的重型汽车驱动桥圆锥齿轮，能够符合相关技术规范要求。它的使用，极大地降低了钢材成本及重型汽车驱动桥锥齿轮的制造成本。17Cr2Mn2TiH钢的研发与使用代表了国内重型汽车驱动桥齿轮行业对于降低产品生产成本的一种尝试与改变。自2005年起，国内已有多家公司先后采用17Cr2Mn2TiH钢进行重型汽车驱动桥齿轮的台架寿命试验及商品齿轮的制造。

（4）推土机变速器传动齿轮——22CrNi2MoNbH，S48C-V钢

22CrNi2MoNbH钢用来制作工程机械中的推土机变速器传动齿轮零件，为减小零件尺寸，提高传动效率，齿轮的精度应达到较高的标准，其材料的含氧量应<10-5，能够提高齿轮的抗疲劳强度和使用寿命，降低渗碳及淬火过程中的变形。而推土机二级齿轮、挖掘机回转支承使用的S48C-V中碳结构钢也要求进行脱气处理，对含碳波动范围进行限制，确保其热处理的稳定性，使其性能达到图纸和标准的有关要求。这两种齿轮钢的具体要求见表2-21和表2-22。

2.2.4　齿轮钢的发展趋势

随着机械设备的高性能化和轻型化，齿轮钢的研发必须满足高性能、长寿命、经济性和生产性等要求。尽管各国资源和生产工艺等条件存在差异，齿轮钢合金系列也不尽相同，但新型齿轮钢的发展趋势主要有以下几种。

（1）大力研发窄淬透性带齿轮钢

批量生产的窄淬透性带齿轮经热处理后质量稳定，齿轮的变形量小、修磨量小，配对啮合精度提高，使用寿命延长。化学成分是影响淬透性的主要因素，而冶炼窄淬透性带齿轮钢的关键在于对化学成分波动范围的严格控制和成分的均匀性控制。建立化学成分与淬透性相关的方法，通过计算机辅助预报和补加成分，得到精确计算及对完整生产线和工艺手段进行控制。各钢厂在冶炼时，必须优化成分微调工艺，开展喂丝技术和齿轮钢连铸工艺研究，用连铸代替模注，减少成分偏析，满足不同层次的需求。

（2）开发超低氧含量齿轮钢

通过降低齿轮钢中氧含量，提高钢的纯度，会使齿轮钢的疲劳寿命大幅度提高。大量研究表明，这是因为随着钢中氧含量的降低，氧化物夹杂随之减少，从而抑制或减轻夹杂物对疲劳寿命的不利影响。通过钢包精炼加真空脱气后，模铸钢材氧含量可≤15×10-6，日本通过双真空处理把氧含量控制在（10～5）×10-6超低氧水平以下。

（3）低晶界氧化层渗碳钢

晶界氧化层对渗碳淬火钢的接触疲劳性能影响较大。因此在钢种设计时，应降低渗碳层表面氧化倾向大的合金元素含量，添加氧化倾向小的合金元素。实践证明，硅促进晶界氧化的能力是锰和铬的10倍，故尽可能把Si降至最小，Mn、Cr也应偏少并适当提高Ni和Mo的加入量，提高韧性，S、P含量必须严格控制，以减少晶界偏析。日本开发了低硅抗晶界氧化渗碳钢系列，可使晶界氧化层降至≤5μm，而SCM420H等Cr-Mo钢通常为15～20μm，从而使接触疲劳性能提高1倍以上。

（4）开发可提高高温硬度和高温抗软化渗碳钢

齿轮工作时接触而温度的升高会导致接触疲劳剥落（点蚀），主要原因是由于钢材的抗软化能力不足。为此应增加Si、Cr含量以提高软化抗力。高Cr、Si含量（例如0.2％C-0.55％Si-0.3％Mn-2.5％Cr）齿轮钢的点蚀寿命约为普通钢的3倍，已应用在齿面工作状态非常苛刻的自动变速器行星齿轮上。另外还开发了一种添加V的钢种，它与碳氮共渗并用，一方面借助VC的弥散提高高温硬度；另一方面使残余奥氏体量提高到30％左右，在工作应力下发生马氏体相变，使硬度上升，从而弥补在工作温度下硬度的下降。

（5）开发渗层高韧性齿轮钢

要求增加重载齿轮的负荷，同时也要提高钢承受冲击的强度，为抑制齿轮形体的大型化，在基体具有高的强度和韧性前提下，抑制的关键在于防止渗层裂纹的形成以达到提高渗层韧性的目的。具体方法：主要应采用降低Si、P元素并同时添加Ni、Mo元素的方法；更为有效的措施是选用氧含量不超过10-5的超低氧钢。

（6）开发易切削齿轮钢

由于传动齿轮用量很大，齿轮生产厂在装备了高速数控机床后，把原多道工序合并在一组刀具上，通过计算机进行程序控制，因为组合刀具比较昂贵，刀具消耗量和磨削次数的多少，直接影响生产成本和效率。因此对齿轮钢的切削性能提出了越来越高的要求。

改善钢的易切削性能，可向钢中添加一定量Pb或S。由于含Pb钢的生产和管理难度大，工艺技术尚不成熟并存有毒气体污染等问题，已很少被采用。而主要是用S来改善切削性能，常用的做法是在传统的低S含量范围内通过适当提高S含量（S=0.020％～0.040％），并通过合适的冶炼工艺来改善硫化物的形态及分布状态以提高切削性能。易切削齿轮钢在国外发展很快，一般钢种做到易切削并不难，而易切削齿轮钢的技术难点在于如何达到易切削性和力学性能，尤其是横向冲击性能不降低之间的统一。为做到真正的易切削，必须考虑硫化物的形态控制、坚硬质点的消除或改性及适宜的金相组织。日本等国正在研制开发无Pb含Bi、Mg、Ca等易切削齿轮钢。

目前，硫易切削钢、铅易切削钢、钙易切削钢和复合易切削钢被广泛地应用于各工业领域，但随着切削加工自动化程度的增大，对材料的可切削加工性能及人们对环保的要求日趋提高，开发低硫和控制硫化物形态的多元易切削钢是未来的重要发展方向。

（7）冷锻齿轮钢的开发

冷锻可实现齿形的近成型，节省大量的切削加工工序。通过使用直接成形的精密锻造和冷挤压技术，能较有成效地减少材料切削加工的费用投入，进一步提高产品的生产效率和材料利用率。它要求钢材的变形阻力小、变形能力强、渗碳时晶粒不易粗大。为此，需开发特殊用途的齿轮钢，并使其合金化、纯洁度、尺寸公差等标准符合工艺规范要求。这种高质量、低成本的齿轮生产方式已经在差速器齿轮、齿套等零件上成功应用。但是，冷锻技术的推广离不开材料技术的进步。

首先，用于齿轮的钢材必须具有优良的冷塑性加工性能，以保证在加工过程中材料能充满模具的各个部分，为此必须降低钢中的C、Si和Mn；其次，钢材必须确保淬透性以保证齿轮具有足够的强度，为此须补充起固溶强化作用之外的合金元素。如添加少量B就能明显提高淬透性。开发的冷锻用含B渗碳钢在轧制状态下硬度在75（HRB）以下，疲劳强度和冲击强度与通用渗碳钢等同或更高。另外，冷锻时的强烈塑性变形易使齿轮在随后的渗碳温度下发生奥氏体晶粒长大，不仅使齿轮的热处理变形加大，而且降低强度和韧性，因此钢材必须保证冷锻后渗碳淬火时不发生晶粒粗大。为此开发了防止晶粒长大钢，主要措施是适量添加Al、Nb、Ti和N等元素，利用这些元素的细微碳化物和氮化物析出阻止晶粒的长大。特别是为了确保渗碳B钢的有效B含量，往往用Ti来固定N。在渗碳时很难用AlN来控制晶粒长大，为避免晶粒粗大，应添加比一般B钢更多的Ti或Nb，利用细微的TiC来防止晶粒长大。细微分散的TiC还有防止位错活动，抑制裂纹扩展的作用。成分为0.18％C-0.10％Si-0.50％ Mn-（1％～2％）Cr-0.0015％B-Nb（Ti）的钢种是冷锻用渗碳钢之一。

（8）开发轻量化齿轮钢

轻量化齿轮钢的开发可通过使用高强度钢、多元合金、碳复合材料、复合塑性材料、玻璃纤维增强材料以及采用新的成形工艺和新型材料结合的方法来具体实现。例如颗粒增强金属基复合材料和碳纤维增强金属基复合材料都已经在齿轮制造行业中有一定程度的研究与应用。