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齒輪鋼的市場(chǎng)應(yīng)用、合金種類(lèi)及生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)

來(lái)源：津鈉儀器（上海）有限公司 2025年07月30日 08:00

齒輪產(chǎn)品是機(jī)械工業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，絕大部分機(jī)械成套設(shè)備的主要傳動(dòng)部件都是齒輪傳動(dòng)。近年來(lái)，我國(guó)齒輪產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，齒輪產(chǎn)業(yè)已成為中國(guó)機(jī)械通用零部件基礎(chǔ)件領(lǐng)域的級(jí)行業(yè)，中國(guó)已經(jīng)成為名副其實(shí)的世界齒輪制造大國(guó)。而齒輪行業(yè)的主要上游產(chǎn)業(yè)為鋼鐵產(chǎn)業(yè)，鋼鐵是齒輪產(chǎn)品的主要原材料來(lái)源，因此齒輪鋼的變動(dòng)對(duì)齒輪行業(yè)有著直接的影響。

一、齒輪鋼的應(yīng)用及市場(chǎng)

1、齒輪鋼的應(yīng)用齒輪鋼使用覆蓋面較廣，我國(guó)齒輪產(chǎn)業(yè)由三部分合成：車(chē)列齒輪、工業(yè)齒輪和齒輪裝備。其中，車(chē)列齒輪其達(dá)到60%;工業(yè)齒輪由工業(yè)通用、專(zhuān)用、特種齒輪構(gòu)成，其分別為18%、12%、8%;齒輪裝備占的2%。

車(chē)輛齒輪主要是為汽車(chē)、摩托車(chē)、農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)、農(nóng)機(jī)、工程機(jī)械配套的齒輪，以汽車(chē)齒輪為主。車(chē)輛齒輪中汽車(chē)齒輪占60%、摩托車(chē)3.5%、農(nóng)用運(yùn)輸車(chē)15%、農(nóng)機(jī)12%、工程機(jī)械9.5%。

工業(yè)齒輪是為工業(yè)企業(yè)用各種成套機(jī)械裝備配套的齒輪裝置(如減速機(jī))，約占齒輪總量的40%。

2、齒輪鋼的市場(chǎng)需求2018年我國(guó)齒輪鋼產(chǎn)量達(dá)347萬(wàn)噸，從國(guó)內(nèi)市場(chǎng)供需情況看，國(guó)產(chǎn)齒輪鋼在數(shù)量上基本能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)汽車(chē)及工程機(jī)械齒輪的需求。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長(zhǎng)，機(jī)械制造業(yè)持續(xù)發(fā)展，汽車(chē)等制造業(yè)用高檔齒輪鋼，作為重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵特鋼品種;高強(qiáng)高韌汽車(chē)用鋼、高品質(zhì)軸承鋼、壽命更持久的齒輪需求量日趨增長(zhǎng)，無(wú)疑將對(duì)齒輪鋼市場(chǎng)注入強(qiáng)大的動(dòng)力和活力。

二、我國(guó)齒輪鋼的生產(chǎn)概況

我國(guó)齒輪鋼的生產(chǎn)主要集中在特鋼企業(yè)，大約占總量的35%。

1、生產(chǎn)工藝路線(xiàn)

我國(guó)齒輪鋼的生產(chǎn)工藝路線(xiàn)基本上有兩種類(lèi)型：1)EF(或BOF)+LF(或VAD或RH)精煉→模注成錠→初軋開(kāi)坯(或鍛材)→橫列式軋機(jī)或半連軋軋機(jī)成材→精整→檢驗(yàn)入庫(kù);2)UHP(或EBT)+LF/VD精煉→合金鋼方坯連鑄→(半)連軋軋機(jī)成材→精整→檢驗(yàn)入庫(kù)。

2、主要鋼種

按照合金系列分類(lèi)，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(shí)根據(jù)不同車(chē)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(hào)系列。并且在原有的20CrMnTi的基礎(chǔ)上，一汽與有關(guān)冶金廠開(kāi)發(fā)了16CrMnTiH、18CrMnTiH鋼，用于小紅旗轎車(chē)齒輪生產(chǎn)。

Cr系齒輪鋼：鋼種為SCr420H，與中國(guó)GB/T5216-85標(biāo)準(zhǔn)中20CrH相比較，Mn、Cr含量均有提高，淬透性略高，用于夏利轎車(chē)、東風(fēng)EQ1538t載重卡車(chē)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(dá)、桑塔那及富康轎車(chē)齒輪，依維柯中巴車(chē)及部分引進(jìn)的重型卡車(chē)齒輪。

Cr-Mo系齒輪鋼：鋼種為SCM415H、SCM420H、SCM822H1(H2)、16CD4，20CD4，27CD4，30CD4等牌號(hào)，主要用于標(biāo)致轎車(chē)、五十鈴中巴、153中型卡車(chē)齒輪生產(chǎn)。

Cr-Mn-B系齒輪鋼：品種主要是德國(guó)的ZF6(16CrMnBH)，ZF7(B)(18CrMnBH、20CrMnBH)。ZF鋼是經(jīng)過(guò)B處理的Cr-Mn系齒輪鋼。主要用于斯太爾重型卡車(chē)齒輪。B在這類(lèi)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(tǒng)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(guó)鋼號(hào)及ZFlA(或17CrNiMo6)德國(guó)鋼號(hào)，用于切諾基轎車(chē)、斯太爾卡車(chē)齒輪。

鑒于各國(guó)資源和生產(chǎn)工藝條件的差異，每個(gè)國(guó)家和地區(qū)應(yīng)用的齒輪鋼合金系列不盡相同，例如：德國(guó)采用Mn-Cr系列和Cr-Mn-B系列(16MnCr5，20MnCr5，25MnCr5，28MnCr5，ZF6，ZF7，ZF7B);日本應(yīng)用Cr系和Cr-Mo3系(SCr420H，SCM415H，SCM420H，SCM822H);美國(guó)采用Cr-Ni-Mo系(SAE8617H，SAE8620H);法國(guó)采用Cr-Ni系(19CN5)和Cr-Mo系(20CD4，27CD4，30CD4)齒輪鋼;中國(guó)大量使用的是20CrMnTi齒輪鋼。

三、齒輪用鋼的冶金質(zhì)量要求

齒輪鋼不但要有良好的強(qiáng)韌性、耐磨性，承受沖擊，彎曲和接觸應(yīng)力，且還要變形小、精度高、噪音低。齒輪的生產(chǎn)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(duì)齒輪鋼的技術(shù)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(shí)滲層和心部不出現(xiàn)過(guò)冷奧氏體分解產(chǎn)物;

(2)齒輪滲碳淬火后變形小，免去或減少磨削加工，降低運(yùn)行噪音;

(3)良好的成形性;

(4)良好的可熱處理性。

高質(zhì)量水平的齒輪鋼主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：即末端淬透性帶窄，離散度小;純潔度高;晶粒細(xì)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(yè)所關(guān)心的重要指標(biāo)。

1、末端淬透性

用末端淬透性來(lái)代替以往的機(jī)械性能檢驗(yàn)是評(píng)價(jià)齒輪鋼質(zhì)量的重大進(jìn)步。末端淬透性的穩(wěn)定與否對(duì)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(guó)現(xiàn)行的GB/T5216-2004《保淬透性結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中的淬透性帶“帶寬”水平與美國(guó)、德國(guó)的H鋼(HH鋼、HL鋼)標(biāo)準(zhǔn)水平基本上是相當(dāng)?shù)摹Ｎ覈?guó)目前對(duì)齒輪的帶寬控制情況是:骨干企業(yè)是兩點(diǎn)控制，J9一般為6～8HRC，J15一般為6～10HRC;一般企業(yè)要求符合GB/T3077-1999或單點(diǎn)控制。國(guó)外對(duì)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(duì)齒輪疲勞壽命的影響已越來(lái)越受到人們的關(guān)注。日本對(duì)Cr、Cr-Mo、Cr-Ni-Mo滲碳合金鋼的氧含量和疲勞壽命之間的關(guān)系曾做過(guò)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)氧含量從25×10E-6降到10×10E-6以下時(shí)，其疲勞壽命可以數(shù)倍的增加，中國(guó)對(duì)SCM420H、20MnCr5等引進(jìn)鋼種也進(jìn)行過(guò)脫氣和不脫氣的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證實(shí)脫氣50多以上。由于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家擁有的技術(shù)裝備和工藝技術(shù)，其齒輪鋼的氧含量普遍較低，1986年開(kāi)始至今我國(guó)分別從日本、德國(guó)、奧地利等國(guó)進(jìn)4口的齒輪鋼其氧含量波動(dòng)在(7～18)×10E-6。中國(guó)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(chǎn)的齒輪鋼氧含量約25×10E-6，經(jīng)VD真空處理后可達(dá)到20×10E-6以下。為了適應(yīng)齒輪鋼的新要求，各鋼廠經(jīng)技術(shù)改造，生產(chǎn)的齒輪鋼純凈度也達(dá)到較高水平，大大縮短了與國(guó)際水平的差距。

目前齒輪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已將汽車(chē)用齒輪鋼的氧含量規(guī)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(lèi)夾雜對(duì)齒輪的疲勞壽命影響非常大，這兩類(lèi)夾雜物也與氧含量有關(guān)，同時(shí)與非金屬夾雜物的尺寸及分布有很大關(guān)系。目前要求B類(lèi)夾雜不大于2級(jí)，D類(lèi)夾雜不大于l級(jí)。A類(lèi)夾雜對(duì)齒輪鋼的疲勞壽命影響不大，并且隨著易切削齒輪的發(fā)展，鋼中對(duì)硫含量的上、下限都提出了要求，因此齒輪鋼今后對(duì)A類(lèi)夾雜的數(shù)量、形態(tài)及分布提出要求。C類(lèi)夾雜為硅酸鹽類(lèi)夾雜，由于冶煉裝備的變化，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)特鋼廠都可以達(dá)到1級(jí)以下的水平。

3、晶粒度

晶粒尺寸大小是齒輪鋼的又一項(xiàng)重要指標(biāo)，細(xì)小均勻的奧氏體晶粒度對(duì)穩(wěn)定鋼材的末端淬透性，減少齒輪熱處理后的變形量，提高滲碳鋼的脆斷抗力具有重要意義。因?yàn)榇至５木ЯＪ節(jié)B層碳濃度相對(duì)增高，導(dǎo)致脆性增加，使彎曲強(qiáng)度下降，齒面容易剝落。如果出現(xiàn)混晶，有可能使齒牙之間的熱處理變形失去規(guī)則而無(wú)法配對(duì)。晶粒細(xì)化主要通過(guò)添加一定量的細(xì)化晶粒元素如Al、Ti、Nb等來(lái)達(dá)到。

現(xiàn)在比較一致的看法是：控制Al含量為0.020%～0.055%，同時(shí)，配以一定的氮含量0.010%-0.018%，使之形成AIN起釘扎作用，可阻止晶粒長(zhǎng)大。

4、加工性和易切削性

隨著齒輪加工線(xiàn)的自動(dòng)化，為了不斷提高生產(chǎn)效率，許多國(guó)家正在研究使用易切削的齒輪鋼。在法國(guó)和德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中，有許多硫有下限要求的鋼號(hào)，其硫含量一般只0.020%～0.035%，而不是原先概念中硫越低越好的思路。這些鋼比我國(guó)國(guó)標(biāo)GB731-88易切削結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件中的硫含量(*低的S=0.040%～0.080%，*高的S=0.23%～0.33%)低得多。顯然僅按常規(guī)的冶煉方法來(lái)提高易切削性仍是比較困難的，需要通過(guò)合適的冶煉工藝以改善硫化物的形狀及其分布狀態(tài)來(lái)達(dá)到。另外，通過(guò)鋼材鍛軋后的空冷處理，防止粒狀貝氏體的出現(xiàn)，改善金相組織，也是提高切削性能的有效途徑。

5、帶狀組織

鋼在凝固過(guò)程中由于選分結(jié)晶的作用，在鋼坯凝固橫向及縱向上都會(huì)造成成分的不均勻性，在軋制后的冷卻過(guò)程中由于成分偏析會(huì)形成組織(鐵素體與珠光體)的層狀分布即帶狀組織，嚴(yán)重的帶狀組織在齒輪熱處理后不但增加變形，而且齒輪在滲碳處理后使齒高各部位的顯微硬度造成差異，影響齒輪的疲勞壽命。

鋼種的不同，帶狀組織的級(jí)別的嚴(yán)重程度不同，Cr-Mo、Cr-Ni-Mo鋼帶狀組織較其它鋼種嚴(yán)重。由于帶狀組織不易消除，齒輪廠一般要求帶狀組織小于3級(jí)。模鑄材由于等軸晶區(qū)比連鑄材大，其成分的均勻性較連鑄材好，帶狀組織較輕，只要控制好澆注溫度及速度，大部分爐號(hào)能滿(mǎn)足小于3級(jí)的要求。而連鑄材達(dá)到該要求相對(duì)要難的多。解決帶狀組織的根本在于減少成分的偏析，再加上與軋后適當(dāng)?shù)睦渌傧嘟Y(jié)合。

6、表面質(zhì)量

齒輪鋼都是熱頂鍛用鋼，對(duì)鋼材的表面質(zhì)量要求很?chē)?yán)，無(wú)論是GB/T3077-1999，還是新近由中國(guó)齒輪專(zhuān)業(yè)協(xié)會(huì)制定的《車(chē)輛用齒輪鋼技術(shù)條件》，都對(duì)此有較嚴(yán)格要求。我國(guó)齒輪鋼目前的表面質(zhì)量同水平相比，還有很大差距。

7、其它方面

因?yàn)镾i在滲碳層中*易導(dǎo)致內(nèi)氧化形成“黑色網(wǎng)狀組織”缺陷，使疲勞壽命急劇降低。因此滲碳齒輪鋼有降低鋼中[Si]含量的趨勢(shì)(Si≤0.12%)，同時(shí)也加快了齒輪的滲碳速度。Ti在鋼中與N、C生成尖、棱角且非常硬的Ti(C、N)化合物，軋制時(shí)不變形并在其與基體之間造成裂紋。因此對(duì)齒輪的疲勞壽命影響較大，所以齒輪鋼不宜加較多的Ti細(xì)化晶粒或防止混晶，推薦采用A1或加少量Nb細(xì)化晶粒。

四、目前齒輪鋼的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)

1、各國(guó)汽車(chē)用鋼的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量要求

汽車(chē)用齒輪鋼都為保淬透性結(jié)構(gòu)鋼，目前中國(guó)的保淬性用鋼標(biāo)準(zhǔn)與ISO、DIN標(biāo)準(zhǔn)相近，都有寬帶與窄帶之分，中國(guó)的保淬透性用鋼標(biāo)準(zhǔn)還略嚴(yán)于其它國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)。下表統(tǒng)計(jì)了部分代表性的齒輪鋼標(biāo)準(zhǔn)。

表1.典型汽車(chē)廠齒輪鋼的內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)及用途

2、汽車(chē)齒輪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)內(nèi)外主要齒輪企業(yè)要求齒輪鋼的標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量要求

GB/T5216及國(guó)外的保淬透性用鋼等基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鋼中氧含量不要求且淬透性帶較寬，不能較好的滿(mǎn)足齒輪行業(yè)對(duì)齒輪加工的要求，2004年齒輪行業(yè)協(xié)會(huì)公布了CGMA001-1：2004《車(chē)輛齒輪用鋼技術(shù)條件》和CGMA00-2：2004《車(chē)輛齒輪用鋼市場(chǎng)準(zhǔn)入條件》，在這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，明確了汽車(chē)齒輪鋼的氧含量應(yīng)≤20ppm，鋼中非金屬夾雜物應(yīng)滿(mǎn)足：A類(lèi)細(xì)系≤2.5級(jí)，粗系：≤2.5級(jí);B類(lèi)細(xì)系≤2.5級(jí)，粗系：≤2.5級(jí)：C類(lèi)細(xì)系：≤2.0級(jí)，粗系≤2.0級(jí);D類(lèi)細(xì)系：≤2.5級(jí)，粗系：≤2.5級(jí)。晶粒度應(yīng)≤5級(jí)。中國(guó)目前齒輪鋼的生產(chǎn)水平已達(dá)到的水平，但比起日本、德國(guó)、美國(guó)生產(chǎn)的齒輪鋼還有一些差距特別是在帶狀組織的控制上。

五、我國(guó)齒輪鋼的發(fā)展趨勢(shì)

由于引進(jìn)車(chē)型增多，目前我國(guó)汽車(chē)齒輪鋼已發(fā)展成Cr-Mn-Ti及Cr-Mo、Cr-Ni-Mo、Mn-Cr、Cr-Mn-B并存的狀態(tài)，質(zhì)量要求也與國(guó)外汽車(chē)廠基本相同，隨著國(guó)內(nèi)特鋼精煉、真空脫氣、連鑄水平的提高，汽車(chē)用齒輪鋼在淬透8帶的控制、氧含量、晶粒度、非金屬夾雜物、帶狀組織等方面已基本達(dá)到水平。

有些特鋼企業(yè)為進(jìn)一步鞏固齒輪鋼的市場(chǎng)**和優(yōu)勢(shì)地位，全面推進(jìn)齒輪鋼升級(jí)工作，促進(jìn)高精尖新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品向市場(chǎng)的快速拓展，很多齒輪鋼新產(chǎn)品走上行業(yè)用戶(hù)的產(chǎn)品使用序列。如20CrMnTiSH3應(yīng)用于轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，該特鋼企業(yè)還重點(diǎn)開(kāi)發(fā)低鈦、Mn-Cr系列齒輪鋼等升級(jí)換代產(chǎn)品，加大高附加值齒輪鋼的工藝技術(shù)改進(jìn)和質(zhì)量升級(jí)，提升產(chǎn)品規(guī)模化效益。該產(chǎn)品已經(jīng)打入中國(guó)一汽、二汽、重汽和天津天海同步器等國(guó)內(nèi)大型企業(yè)，產(chǎn)品領(lǐng)域不斷拓寬。

由此，齒輪鋼的技術(shù)發(fā)展方向應(yīng)是：降低滲碳層表面氧化傾向大的合金元素含量，添加氧化傾向小的合金元素;控制齒輪鋼中的殘余奧氏體量;減少晶界偏析元素的含量;開(kāi)發(fā)和應(yīng)用噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)，增加表面的殘余應(yīng)力;研究和開(kāi)發(fā)的新型齒輪鋼必須滿(mǎn)足高強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性、生產(chǎn)性等多種要求;由于制造齒輪時(shí)需進(jìn)行大量的切削加工，還需要開(kāi)發(fā)易切削齒輪鋼。

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