日本大同特殊钢公司开发出环保型渗碳钢

　　近年来，从地球环保的观点出发，要求汽车等运送工具不仅要减少运行过程中CO2的排放量，降低燃耗，而且要减少生产时CO2的排放量。齿轮等渗碳零部件的制作工艺已向冷锻和真空渗碳等环境污染小的工艺转变。为此，日本大同特殊钢公司已开发出许多适用于这种环境污染小的制作工艺的齿轮用钢。下面就真空渗碳用钢、防止晶粒粗化钢和冷锻用钢的特性进行介绍。

　　1 抑制边部过渗碳钢（DEG）

　　与以往的气体渗碳相比，真空渗碳在操作过程中的CO2排放量小，是一种普遍采用的制作工艺。但是，众所周知真空渗碳的特征是碳浓度要受到表面形状的影响，边部顶端的碳浓度比平面部的高。例如，假设齿轮的齿面部的碳浓度为最佳，齿尖边部则呈比最佳碳浓度高的所谓过剩渗碳状态。由于残留奥氏体的生成过剩和网状碳化物向晶界的析出会生成不完全的淬火组织等，因此无法获得充分的硬度，边部的强度会下降，这是真空渗碳普及的瓶颈。

　　大同特殊钢公司开发了能够抑制这种边部过渗碳的真空渗碳用钢“DEG系列”。表1示出DEG系列的构成。DEG系列是根据大同特殊钢公司独自研发的真空渗碳机理，通过控制状态图来减少真空渗碳中碳化物的生成量，由此抑制边部的过剩渗碳。

表1  DEG系列钢的构成

※    表示950℃时的渗碳·平面部的表面碳浓度为0.75mass%时没有碳化物析出的角度。

　　图1示出用大同特殊钢公司制造的真空渗碳炉“Modul Therm”处理的SCM420和DEG30-M的组织。SCM420的平面部组织为没有碳化物的健全组织，边部出现过剩渗碳，晶界有粗大碳化物生成。但是，DEG30-M的平面部和边部组织都是没有碳化物的健全组织。

　　另外，采用图2的4点弯曲试验对具有这种组织的边部进行了测定，结果可知虽然SCM420边部为150°时的强度比气体渗碳材的高，但随着边部的锐角化，强度会急剧下降，在边部为60°时的强度只有150°时的40%。例如，采用SCM420制作齿轮时，在真空渗碳情况下，虽然平面部的齿中附近强度会提高，但构成边缘形状的齿尖的强度会下降，担心会从齿尖部发生破坏。DEG30-M可以抑制边部的过剩渗碳，并可用锐角来维持平面的强度，因此齿轮的齿尖强度不会下降，能提高整个零部件的强度。由此可知，采用DEG系列，即使零部件带有边部，也能避免真空渗碳的缺点，充分发挥真空渗碳的优势。

　　2 防止晶粒粗化钢-ATOM

　　渗碳是一种需要很长处理时间的工艺，因此不仅对节能的要求很高，而且对缩短渗碳处理时间的要求也很高。温度越高，碳的扩散速度越快。例如，在1020℃时碳的扩散速度是920℃时的3倍，因此提高温度可以缩短渗碳时间。另外，气体渗碳炉由热水池构成，而真空渗碳是由冷水池构成，可以提高耐用性，因此伴随着真空渗碳的普及，高温快速渗碳变得容易起来。

　　但是，随着温度的提高会加快晶粒的生长，晶粒容易粗化。一般说来，当晶粒变粗时，疲劳强度和韧性会下降，因此必须采取防止高温渗碳时晶粒粗化的措施。渗碳用钢一般是添加N和Al，可以利用AlN析出物能够约束晶界的作用来抑制晶粒的生长。

　　但是，由于AlN在高温下容易固溶，无法维持约束作用，因此仅靠AlN进行高温渗碳是不够的。与AlN相比，由于Nb的碳氮化物比AlN稳定，因此即使在高温渗碳下也能抑制晶粒的生长。利用这种原理进行渗碳处理的钢就是防止晶粒粗化钢-ATOM钢。表2示出ATOM钢的成分。研究SCr420和ATOM晶粒生长特性发现，JIS SCr420在1000℃以上时晶粒会快速粗化，而ATOM钢即使在1050℃时也不会发生晶粒粗化。因此可以说ATOM钢作为高温快速渗碳用钢是一种有助于节能的渗碳用钢。 

 表2  ATOM、ALFA和Super-ALFA钢的成分               %

　　3 冷锻用齿轮钢-ALFA、Super-ALFA

　　与热锻相比，冷锻不仅不需要加热能源，而且加工精度高，钢材收得率高，因此它是一种对环境影响非常小的加工工艺。但是，由于齿轮部件大多形状复杂，要求坯料变形阻力小、变形能高，因此冷锻坯料一般要进行球化退火。球化退火是在Al相变点上保持数小时后进行缓冷处理的工艺，由于处理时间长，因此会使冷加工具有的降低环境负荷的效果减半。为能省略或简化球化退火，必须在钢材的供给阶段使钢材的硬度降低。轧制状态下的硬度受钢材成分的影响大，尤其是作为铁素体强化元素的Si和Mn的影响大。但是，如果单纯减少这些元素，钢材的淬火性会不足，因此可以利用对钢材硬度影响小，有助于提高淬火性的B来维持淬火性。ALFA钢是利用轧制技术来保证低硬度的钢材。表2示出ALFA钢的主要成分。另外，在对这种ALFA钢进行球化退火时，能使钢材的硬度比普通钢降低很多，因此它可用于齿形锻造等变形量大、加工精度要求高的冷锻，并有助于提高加工精度和延长模具寿命。

　　另外，还开发了防止晶粒粗化功能的Super-ALFA钢，它可以省略冷加工后的退火进行渗碳。这些钢都可用于制作汽车用齿轮和传动轴。

　　ALFA钢和Super-ALFA钢的强度特性与作为基准钢的强度相同，但抗冲击强度有大幅度提高。这是由于B可以抑制P在晶间的偏析，由此提高晶界强度所致。

　　4 结束语

　　本文介绍的开发钢种已应用于汽车用齿轮的制作，为节能做出了贡献。近年来，对机械零部件的高强度化和低成本化的要求越来越高，其目的是要减轻对环境的影响，齿轮可以说是其代表品种。因此，渗碳齿轮用钢的开发一般是应用了先进的材料技术和制造技术，并领先于特殊钢的开发。大同特殊钢公司今后仍将继续开发采用新技术的钢材和工艺，为提高齿轮及众多机械零部件的竞争力做出贡献。 

信息来源：《世界金属导报》