首先重溫一下定義， 鋼材淬透性是指在規(guī)定條件下用試樣淬硬層深度和硬度分布來表征的材料特征,是指鋼材經(jīng)奧氏體化后在一定冷卻條件下淬火后獲得馬氏體層深度的能力,即鋼材接受淬火的能力。

　　鋼材淬透性主要取決于其化學(xué)成分，特別是一些敏感性合金元素，此外還有奧氏體化晶粒度及其穩(wěn)定性。

　　1、齒輪用鋼的淬透性及其控制

　　GB/T 3077 《合金結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件》和GB/T 5216 《保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼》兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，是目前我國包括齒輪用鋼在內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)鋼生產(chǎn)、采購、驗(yàn)收的基本依據(jù)。

　　為了適應(yīng)國內(nèi)齒輪行業(yè)發(fā)展形勢(shì)，為了找尋冶金行業(yè)和齒輪制造業(yè)的技術(shù)契合點(diǎn)，2004年中國齒輪專業(yè)協(xié)會(huì)等組織編制了CGMA001-01:2004《車輛齒輪用鋼技術(shù)條件》，

　　這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求總體上高于GB/T3077，主要特點(diǎn)之一：規(guī)定齒輪鋼材淬透性寬度(上下限差值)不得大于7HRC。

　　2012年產(chǎn)生了修訂版本CGMA001-01:2012《車輛滲碳齒輪鋼技術(shù)條件》，該標(biāo)準(zhǔn)明確了滲碳齒輪鋼材，將淬透性帶寬縮窄到6HRc，同時(shí)將鋼材含氧量由≤20ppm降為≤15ppm。這反映了齒輪制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，也推動(dòng)了鋼材生產(chǎn)(冶金行業(yè))的升級(jí)換代。

　　保證淬透性鋼是以Hardenability字頭作為鋼材牌號(hào)后綴，即H系列鋼，目前在我國規(guī)模齒輪廠家也已經(jīng)普及。實(shí)踐表明，H系列鋼材的推廣應(yīng)用，對(duì)于控制齒輪熱處理變形，穩(wěn)定齒輪產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。株洲齒輪有限責(zé)任公司曾對(duì)比研究過20CrMnTi與20CrMnTiH鋼制內(nèi)花鍵齒輪的變形量，哈爾濱匯隆車箱橋有限公司金榮植高工在重載汽車齒輪方面的試驗(yàn)研究，從不同角度說明了這個(gè)問題。在H鋼基礎(chǔ)上，RH(Restricted Hardenability)系列鋼，即縮窄淬透性(或限制淬透性)鋼材又應(yīng)運(yùn)而生。

　　下圖是一種帶有內(nèi)花鍵的螺旋齒輪，由于其內(nèi)花鍵較長而且結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，采用8620H鋼時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)花鍵變形超差問題，主要是錐度變形。改用8620RH后合格率提高到98%以上。表1是鋼材訂貨技術(shù)協(xié)議中的淬透性要求。

　　圖1、內(nèi)花鍵齒輪

　　表1、內(nèi)花鍵齒輪鋼材淬透性技術(shù)要求

　　圖2是20MnCr5 H淬透性曲線，其中紅線是歐盟標(biāo)準(zhǔn) EN 10084《滲碳淬火鋼交貨技術(shù)條件》規(guī)定的淬透性帶，而某知名公司在此基礎(chǔ)上細(xì)分為高,中,低三檔淬透性，圖中藍(lán)色虛線即為中檔淬透性的曲線。

　　圖2、20MnCr5H鋼淬透性

　　2、關(guān)于淬透性的認(rèn)識(shí)誤區(qū)

　　2.1 誤區(qū)1：淬透性與工件尺寸、熱處理工藝有關(guān)

　　這里摘錄一段話：“實(shí)際生產(chǎn)中，淬透性還和零件的形狀，尺寸有關(guān)，尺寸越大，淬透性越差(尺寸效應(yīng));淬火介質(zhì)冷卻烈度H越大，淬透性越深……”

　　可見，把淬透性和淬火效果混為一談，尤其令人遺憾的是，這段話并非出自冷加工人士，而是源于某熱處理專業(yè)手冊(cè)。由此看來，再次強(qiáng)調(diào)、厘清淬透性概念，是非常必要的。

　　本文開頭已經(jīng)表明, 淬透性是鋼材淬火時(shí)得到淬硬層深度的能力，是材料的固有屬性，只與其化學(xué)成分(合金元素種類及含量)以及晶粒度等有關(guān),而與外部因素?zé)o關(guān)。

　　同樣一種材料 ,無論是做成齒輪 ，還是打成菜刀，淬透性就在那里，不會(huì)再高再低;

　　同樣一種產(chǎn)品，無論是拿來淬火，還是拿來退火，淬透性就在那里，也不會(huì)再增再減;

　　放在倉庫里的某種鋼材，即使一輩子都不去熱處理，也照樣有自己的淬透性。

　　鋼材淬透性就像人的DNA一樣，由于后天生存環(huán)境、營養(yǎng)水平等原因，身高有差異，壽命有長短，那完全是另外一回事兒。

　　對(duì)于鋼材來說，淬透性是必要條件，不是充分條件;

　　對(duì)于產(chǎn)品來說，它只提供可能性，不代表結(jié)局性;

　　把優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為勝勢(shì)，將適宜的材料淬透性轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的高性能，還有許多事情要做。

　　2.2、誤區(qū)之二：淬透性越高越好

　　對(duì)于一些小模數(shù)齒輪，本來可以選擇低淬透性鋼材即可滿足要求，而有時(shí)則不恰當(dāng)?shù)剡x擇了諸如18CrNiMo7-6(17CrNiMo6)等高淬透性鋼材。這種“鋼材高消費(fèi)”未必是好事，甚至?xí)屡c愿違。

　　下圖是汽車變速箱某齒輪軸(空心結(jié)構(gòu)，齒部模數(shù)1.8)，先后采用過兩種鋼材，結(jié)果有明顯區(qū)別，如表所示。采用TL4521(相當(dāng)于國產(chǎn)20CrNi2Mo鋼)時(shí)，由于心部硬度偏高而使校直困難，通過調(diào)整熱處理工藝參數(shù)，在技術(shù)要求范圍內(nèi)適當(dāng)減小硬化層深度，降低心部硬度來間接解決。

　　圖3、汽車變速箱輸出軸

　表2、輸出軸兩種材料的差別

　　3、值得注意的兩個(gè)問題

　　3.1 鋼材淬透性的完整表達(dá)

　　在工作中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，有的產(chǎn)品圖紙(技術(shù)要求)或訂貨技術(shù)協(xié)議中只給出一點(diǎn)(尤其是近距離點(diǎn))端淬值要求，這是不夠全面，甚至是不合適的;例如表2中的兩種材料，如果只比較J9和J10位置，還看不出什么太大的差異，但如果再比較J15的位置，就會(huì)發(fā)現(xiàn)二者淬透性相去甚遠(yuǎn)。

　　基本常識(shí)告訴我們，即使是直線，也要由兩點(diǎn)來決定;因此，要評(píng)價(jià)淬透性曲線的位置和走向，建議至少給出兩個(gè)J距離的硬度范圍。至于選擇水冷端的近距離點(diǎn)還是遠(yuǎn)距離點(diǎn)，要視材料淬透性及數(shù)據(jù)可比性而定，高淬透性材料應(yīng)至少選擇一處遠(yuǎn)距離點(diǎn)。

　　3.2 淬透性與化學(xué)成分

　　可以說，化學(xué)成分和淬透性是鋼材特性的兩種描述。淬透性曲線有帶寬，正是源于化學(xué)成分有波動(dòng)范圍。

　　我們有時(shí)會(huì)根據(jù)材料的化驗(yàn)結(jié)果估測(cè)淬透性高低，直至熱處理結(jié)果，當(dāng)那些主要元素(C、Mn、Ni、Cr等)含量較高時(shí)，往往會(huì)得到較高的淬透性。

　　但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)意料之外的情況，如某齒輪廠的產(chǎn)品性能出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，費(fèi)盡周折從已有的化驗(yàn)結(jié)果中也找不出什么原因，最終補(bǔ)充分析硼(B)元素含量的細(xì)小差異，才找到了問題的根源。

　　因此，鋼材中某些微量元素同樣會(huì)對(duì)淬透性產(chǎn)生影響，B元素的微小變化就有可能導(dǎo)致顛覆性的結(jié)果，所以B元素有“鋼材味精”之稱。表3是某公司41B30合金鋼的化學(xué)成分及淬透性要求。

　　表3、 41B30合金鋼的化學(xué)成分及淬透性要求

　　早在上世紀(jì)八十年代，ZF公司就在DIN標(biāo)準(zhǔn)20MnCr5、16MnCr5基礎(chǔ)上加入B元素(ppm量級(jí))，形成了價(jià)廉物美的Cr-Mn-B系鋼材ZF7、ZF6，其中B元素起到了畫龍點(diǎn)睛的作用，

　　ZF公司用這類鋼材制造出高強(qiáng)度、高精度的世界名牌產(chǎn)品—ZF汽車變速器齒輪。ZF公司于2013年與中信泰富特鋼集團(tuán)(轄有興澄特鋼、湖北新冶鋼等主流鋼廠)締結(jié)戰(zhàn)略合作關(guān)系，對(duì)合作雙方是具有里程碑意義的大事件，也開啟了國內(nèi)齒輪行業(yè)選用ZF系列鋼材的窗口。

　　4、鋼材淬透性工程意義

　　4.1 鋼材淬透性對(duì)變形及疲勞強(qiáng)度的影響

　　淬透性越高，淬火時(shí)參與相變的體量也越大。當(dāng)工件完全淬透整體均呈馬氏體時(shí)，淬火前后的體積差達(dá)到最大，含碳量1%的鋼材體積變化約為 1%; 如果只淬透一半，即一半體積相變?yōu)轳R氏體，則體積差將比前者小一倍，因此，淬透性愈小，淬火變形量也就愈小,反之齒輪變形量就越大。

　　鋼材淬透性與熱處理變形的關(guān)系可以用以下經(jīng)驗(yàn)公式來描述：

　　D = (430℃—M_s)×(10—N_G)×J_H

　　其中：D 為熱處理變形因子;

　　M_s 為馬氏體相變開始溫度;

　　N_G 為鋼材晶粒度;

　　J_H 為淬透性因子。

　　在許多滲碳齒輪中，為了解決變形問題常常采用降低心部硬度的辦法，然而，從齒輪強(qiáng)度來考慮，心部硬度又不能過低，因?yàn)楹芏帻X輪疲勞失效的一個(gè)重要的原因就是心部硬度偏低(ISO6336-5以及GB/T8539中ML、MQ和ME三檔齒輪的重要界定指標(biāo)之一就是心部硬度)，所以，這便成為齒輪生產(chǎn)中的一大矛盾。為了兼顧齒輪強(qiáng)度與熱處理變形，必須合理限制鋼材的淬透性。

　　4.2 確定齒輪鋼材的基本原則

　　根據(jù)齒輪結(jié)構(gòu)、模數(shù)，選擇適宜淬透性鋼材，獲得理想強(qiáng)度和精度;

　　根據(jù)材料淬透性，制訂合理的熱處理工藝，包括適宜的淬火介質(zhì)(類型、溫度及攪拌強(qiáng)度)，獲得理想的硬化層分布和心部硬度。