无锡国劲长期经营20MnCr5、34CrNiMo6、17CrNiMo6、17Cr2Ni2Mo、18Cr2Ni2Mo、18CrNiMo7-6、40CrNiMoA、20CrNiMoA、8620H、16MnCr5、15CrMn、20CrMn、20CrNi2Mo、30Cr2Ni2Mo、20CrMnMo、40CrMnMo、12CrNi2、12CrNi3、20CrNi3、34CrNi3MoA、45CrNiMoVA、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A、35CrMnSiA、30CrMnSiA、18CrNi3Mo、25Cr2Mo1V等材质锻圆、锻方等材质。

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  在重载齿轮钢17CrNiMo6的基础上,添加微合金化元素Nb、V,得到试验钢G1（0.06Nb+0.13V）、G2（0.04Nb）和G3（0.08Nb）,并通过旋转弯曲疲劳试验和接触疲劳试验,研究微合金化重载齿轮钢渗碳后的疲劳性能及疲劳破坏机理。晶粒长大动力学试验表明,在Nb微合金化重载齿轮钢中,Nb（C,N）颗粒可以钉扎晶界,阻碍晶界迁移,从而阻止奥氏体晶粒长大。在试验范围内（≤0.08%Nb）,添加的Nb含量越高,试验钢中Nb（C,N）颗粒越多,晶粒长大激活能就越大。在相同的奥氏体化条件下,高Nb含量试验钢晶粒细化的效果更明显,并且在较高的奥氏体化温度或较长的保温时间时这种作用更加明显。试验钢的微观组织观察及力学性能试验表明,微合金化后试验钢仍保持较高的强韧性和淬透性,而且韧性有所提高,渗碳层组织和心部组织也有所细化。17CrNiMo6钢、G2钢和G3钢旋转弯曲疲劳试样表面的渗碳层硬度随着Nb含量的增加而增大,Nb/V微合金化的试验钢G1近表面渗碳层的最高硬度也高于17CrNiMo6钢。

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   微合金化后,试验钢的旋转弯曲疲劳性能得到提高。17CrNiMo6钢、G2钢和G3钢三种试验钢中Nb含量依次增多,旋转弯曲疲劳极限也依次提高。添加Nb元素,生成的Nb（C,N）颗粒能够有效的钉扎晶界,细化晶粒,晶界面积增大可以阻碍疲劳裂纹的扩展,最终显著改善试验钢的旋转弯曲疲劳性能。G1钢的旋转疲劳极限相对17CrNiMo6钢提高8.5%,但低于G2钢。Nb和V元素同时加入能够提高试验钢的旋转弯曲疲劳极限,但效果不如单独加入Nb元素。接触疲劳试验结果表明,17CrNiMo6钢和Nb/V微合金化后G1钢的额定疲劳寿命L10相当。

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 在交变应力作用下,脆性的氧化夹杂物处造成应力集中,成为接触疲劳裂纹源,最终导致剥落。氧化夹杂物是影响接触疲劳性能的重要因素之一。G1钢的氧含量和氧化夹杂物数量明显比17CrNiMo6钢高,较多的脆性氧化夹杂物降低了试验钢的接触疲劳寿命,故降低氧含量即控制氧化夹杂物数量能够提高试验钢的接触疲劳性能。国内外汽车用渗碳齿轮钢的现状,分析了渗碳齿轮钢发展的主要特点,论述了国内汽车渗碳齿轮钢的发展方向及Cr-Mo钢、Cr-Mo-B钢、Ni-Cr-Mo钢在国内汽车工业中的应用前景。

   作为经济性钢种,Mn-Cr钢、Mn-Cr-B钢将来有可能替代20CrMnTiH而成为国内汽车主要的渗碳齿轮用钢。 重载齿轮钢应具有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。20Cr2Ni4A是一种常用重载齿轮用钢,但其疲劳性能已不能满足重载齿轮高强度化的要求,因此近年来开发了高强度重载齿轮钢18Cr2Ni2MoVNb。利用旋转弯曲疲劳试验和接触疲劳试验方法,对比研究了20Cr2Ni4A钢和18Cr2Ni2MoVNb钢渗碳后的疲劳性能,并初步探索了冷处理对渗碳后18Cr2Ni2MoVNb钢旋转弯曲疲劳性能的影响。

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  晶粒长大动力学试验表明,Nb、V微合金化的18Cr2Ni2MoVNb试验钢中的碳氮化物颗粒可以钉扎晶界,从而阻止奥氏体晶粒长大。在880～940℃奥氏体化10h试验条件下,18Cr2Ni2MoVNb钢的奥氏体晶粒度比20Cr2Ni4A钢高1～2级,其晶粒长大倾向显著低于20Cr2Ni4A钢。18Cr2Ni2MoVNb钢渗碳后的晶粒尺寸也显著细于20Cr2Ni4A钢。

  试验钢的力学性能试验表明,20Cr2Ni4A和18Cr2Ni2MoVNb钢都具有较高的强韧性：抗拉强度在1300MPa以上,夏比U型缺口试样室温冲击吸收能量在100J以上与20Cr2Ni4A钢相比,18Cr2Ni2MoVNb钢因碳含量低其抗拉强度稍低,但由于晶粒细化其冲击韧性稍高。试验钢渗碳试样的旋转弯曲疲劳试验结果发现,当渗碳层深度为1.5mm时,18Cr2Ni2MoVNb钢的旋转弯曲疲劳极限σ-1=1025MPa,明显高于20Cr2Ni4A钢的σ-1=865MPa。弯曲疲劳试样断口观察发现,在渗碳层中疲劳裂纹沿原奥氏体晶界扩展,18Cr2Ni2MoVNb钢渗碳层晶粒细小,疲劳裂纹扩展阻力大,因而其疲劳极限高。

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  试验钢渗碳试样的接触疲劳试验结果发现,当渗碳层深度为1.5mm时,18Cr2Ni2MoVNb钢的中值接触疲劳强度为3725MPa,明显高于20Cr2Ni4A的3575MPa。接触疲劳试样断口观察发现,18Cr2Ni2MoVNb钢中氧含量较低,氧化物夹杂数量少、尺寸小,接触疲劳裂纹起裂较难,因而其接触疲劳性能优于20Cr2Ni4A钢。-80℃冷处理后18Cr2Ni2MoVNb试验钢弯曲疲劳试样表层残余奥氏体由16%下降到6%,显微硬度提高约HV50,残余压应力增加了30MPa,但弯曲疲劳极限降低60MPa。

  研究发现,残余奥氏体含量的降低是导致冷处理后疲劳性能下降的主要原因。通过滚动接触疲劳试验方法,研究了两种渗碳齿轮钢的接触疲劳性能。结果发现,渗碳齿轮钢接触疲劳试样失效方式主要为渗碳层的点蚀和剥落。氧含量较低的Nb微合金化齿轮钢(含0.04%的Nb)中氧化物夹杂数量少、尺寸小,接触疲劳裂纹起裂较难;同时,Nb微合金化齿轮钢渗碳层晶粒尺寸小、硬度高,提高了疲劳裂纹萌生及扩展阻力,导致Nb微合金化后,齿轮钢的接触疲劳寿命大幅度提高。