特殊鋼一般是指具有特殊性能或特殊用途的鋼種。其與普通鋼相比具有更高
的強(qiáng)度和韌性、物理性能、化學(xué)性能、生物相容性和工藝性能。因其性能特殊，
決定了它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)及軍事工業(yè)中占有極其重要的地位。因此，在生產(chǎn)制造特
殊鋼時(shí)，就需要采用特殊的工藝裝備技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)特殊的化學(xué)成分、特殊的組織
和性能。
　　特殊鋼的定義在國(guó)際上沒(méi)有明確規(guī)定，各國(guó)特殊鋼的統(tǒng)計(jì)分類(lèi)不完全相同。
我國(guó)特殊鋼定義與日本、歐洲相近，包括優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼、高合金鋼三大類(lèi)，
通常展開(kāi)為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具
鋼、軸承鋼、彈簧鋼（碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼）、耐熱鋼和不銹鋼。由于高溫合
金與精密合金在特殊鋼廠生產(chǎn)，也將這兩種合金納入特殊鋼的行列之中統(tǒng)計(jì)[1]。在
特殊鋼領(lǐng)域，除優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼和碳素彈簧鋼外，其余均為合金鋼，
合金鋼約占特殊鋼的70％。目前，世界上特殊鋼有近2 000個(gè)牌號(hào)、約50 000個(gè)品種
規(guī)格、數(shù)百個(gè)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。
　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)特殊鋼產(chǎn)量及品種的需要日益擴(kuò)大，對(duì)質(zhì)量的要求也越
來(lái)越嚴(yán)格、苛刻。近年來(lái)，圍繞提高特殊鋼性能、質(zhì)量、品種、效率，降低特殊鋼成
本、節(jié)能降耗、環(huán)境友好等方面采用了一系列新技術(shù)、新工藝、新裝備，使得特殊鋼
的潔凈度、均勻度、組織細(xì)化度和尺寸精度等有了很大提高。
　　特殊鋼生產(chǎn)工藝流程主要有3種[2]：1）電爐流程（即短流程）：電爐—二次精煉
—連鑄—軋制。2）轉(zhuǎn)爐流程（長(zhǎng)流程）：高爐—鐵水預(yù)處理—轉(zhuǎn)爐—二次精煉—連鑄
—軋制。3）特種冶金：特種冶煉（如真空感應(yīng)熔煉、冷坩堝熔煉、電渣重熔、真空電
弧重熔、電子束熔煉、等離子熔煉等）—鍛造或軋制。
　　這里要指出的是有些鋼種的生產(chǎn)至今還必須走模鑄—開(kāi)坯—軋制或鍛造的工藝流程。
　　因早期特殊鋼主要采用電弧爐工藝冶煉，習(xí)慣上形成了特殊鋼一定要用電爐冶煉，特
殊鋼廠就是電爐鋼廠。而客觀事實(shí)上也的確存在電爐只有生產(chǎn)特殊鋼才可以有好的經(jīng)濟(jì)效
益，特殊鋼只能由電爐冶煉。這主要是由于早期電爐煉鋼的特點(diǎn)和特殊鋼本身的性質(zhì)所決
定的：1）電爐用廢鋼中有可利用的合金元素；2）電爐煉鋼是靠電弧進(jìn)行加熱的，其溫度
遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)2 000 ℃，且鋼水溫度可長(zhǎng)時(shí)間地精確控制，這樣電爐煉鋼在難熔合金冶煉、合
金化成分及工藝柔性等方面較轉(zhuǎn)爐煉鋼有無(wú)比的優(yōu)越性；3）不足是煉鋼周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率
低，成本高（廢鋼、電價(jià)昂貴），爐容小，易增碳、吸氮等。
　　恰好特殊鋼產(chǎn)品有合金含量高、多品種、小批量、附加值高等特點(diǎn)，早期用電弧爐煉特
殊鋼達(dá)到了揚(yáng)長(zhǎng)避短的目的。同時(shí)人們也一直認(rèn)為轉(zhuǎn)爐就主要是用來(lái)煉普通鋼。但是，1）
轉(zhuǎn)爐利用純鐵水冶煉特殊鋼更純凈；2）廢鋼中的殘余元素難以去除；3）爐外精煉技術(shù)的進(jìn)
步使轉(zhuǎn)爐冶煉特殊鋼的能力增強(qiáng)。
　　隨著社會(huì)廢鋼資源的積累，直接還原技術(shù)的開(kāi)發(fā)，電力工業(yè)的發(fā)展，電弧爐煉鋼技術(shù)（
大容積電爐、超高功率電爐等）和爐外精煉技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是電爐出鋼時(shí)間的縮短，
能與連鑄時(shí)間良好的匹配，使多爐連澆得以實(shí)現(xiàn)，電爐鋼廠越來(lái)越多地生產(chǎn)普通鋼，而轉(zhuǎn)爐
鋼廠越來(lái)越多地?zé)捥厥怃?。電爐煉鋼、轉(zhuǎn)爐煉鋼兩種方法，無(wú)論是煉特殊鋼還是煉普通鋼，
從質(zhì)量上和經(jīng)濟(jì)上越來(lái)越接近。
　　由于宇航、導(dǎo)彈、火箭、原子能、海洋電子等工業(yè)的發(fā)展，對(duì)所需要的金屬或合金質(zhì)量、
性能、可靠性、穩(wěn)定性等的要求越來(lái)越高，電弧爐，轉(zhuǎn)爐冶煉的鋼質(zhì)量很難滿足這些要求，
所以必須使用特種冶金技術(shù)。特種冶金包括：真空感應(yīng)熔煉、電渣重熔、真空電弧重熔、電
子束熔煉、等離子熔煉等。難熔金屬（鎢、鉬、鈮、鉭）及活潑金屬（鈦及鈦合金，包括鈦、
鋁金屬間化合物等）用真空電弧重熔、電子束熔煉以及冷坩堝感應(yīng)熔煉等方法來(lái)制備；高溫
合金、精密合金以及某些對(duì)質(zhì)量要求很高的合金鋼用真空感應(yīng)熔煉、電渣重熔、真空電弧重
熔等方法來(lái)生產(chǎn)。
　　真空冶金（Vacuum Metallurgy）區(qū)別于大氣下的冶金過(guò)程，廣義包括：真空脫氣、真空
熔煉、真空熔鑄、真空蒸餾、真空分解、真空燒結(jié)、真空熱處理、真空焊接和真空鍍膜等。在
此特指兩種類(lèi)型：一種是將熔煉和成錠的整個(gè)過(guò)程在真空下進(jìn)行，如真空感應(yīng)熔煉（VIM）、真
空電弧熔煉（VAR）、電子束重熔（EBR）等等，即特種冶煉方法之一；一種是把大氣中鋼水進(jìn)
行真空處理，即爐外精煉（二次精煉），如RH法、VOD法等。真空冶金使在普通熔煉操作中進(jìn)行
的物理化學(xué)反應(yīng)條件發(fā)生了變化，體現(xiàn)在氣相壓力的降低上。只要冶金反應(yīng)有氣相參加，當(dāng)反
應(yīng)生成物中氣體摩爾數(shù)大于反應(yīng)物中氣體摩爾數(shù)時(shí)，只要減少系統(tǒng)的壓力，則可使平衡反應(yīng)向
著增加氣態(tài)物質(zhì)的方向移動(dòng)，這就是真空冶金物理化學(xué)反應(yīng)的基本特點(diǎn)。
　　在普通的熔煉操作中，金屬?gòu)拇髿庵形昭鯕?、氮?dú)夂蛷乃謥?lái)的氫氣。在真空熔煉中，
就可以避免這些氣體的來(lái)源。這些氣體對(duì)于鋼和金屬的性能都有相當(dāng)嚴(yán)重的危害。不僅如此，
在真空感應(yīng)熔煉過(guò)程中，原來(lái)存在于原料中的或者已經(jīng)進(jìn)入鋼水中的氣體，還可以被去除，產(chǎn)
生脫氣作用，從而提高合金鋼的加工使用性能。另外，在高真空下熔煉，液態(tài)金屬中某些易揮
發(fā)性元素，也和氣體一樣可以不同程度地被排除。這些元素中有許多是有害的，如鉛（Pb）、
錫（Sn）、砷（As）、銻（Sb）、鉍（Bi）；有些則有時(shí)有害，有時(shí)卻是有用的成分，如鎂（Mg）、
錳（Mn）、銅（Cu）等。有害元素的揮發(fā)能提高合金的性能，有用元素的揮發(fā)則應(yīng)采取相應(yīng)措施
加以防止。其次，在真空條件下，碳具有很強(qiáng)的脫氧能力，其脫氧產(chǎn)物CO不斷被排除至熔煉系統(tǒng)
之外，克服了采用金屬脫氧劑的脫氧產(chǎn)物污染金屬的傾向。
　　電渣冶金經(jīng)過(guò)了60余年的不斷發(fā)展（1940年問(wèn)世），包括電渣重熔、電渣熔鑄、電渣澆鑄、
電渣轉(zhuǎn)鑄、電渣熱風(fēng)頂、電渣自熔模、電渣離心澆鑄、電渣直接還原、電渣焊等。重熔精煉成熟
工藝有4種：電渣重熔、真空電弧重熔、電子束重熔和等離子重熔。就目前生產(chǎn)應(yīng)用而言，電渣重
熔金屬材料產(chǎn)量居首位，年產(chǎn)量超過(guò)其它三種重熔方法產(chǎn)量的總和（2003年世界電渣鋼生產(chǎn)能力
超過(guò)120萬(wàn)t/a）。
　　等離子弧熔煉是利用等離子弧作為熱源來(lái)熔融、精煉和重熔金屬的一種新型冶煉方法。等離子
弧也是一種電弧，不過(guò)電離度更高，其特點(diǎn)是能量更集中，溫度高，流速快，弧的電壓和電流又相
當(dāng)穩(wěn)定。等離子弧熔煉經(jīng)過(guò)40余年的發(fā)展（1962年創(chuàng)始），在爐型結(jié)構(gòu)，冶金特點(diǎn)等方面，大致可
分為四大類(lèi)：等離子電弧爐（PAF）；等離子感應(yīng)爐（PIF）；等離子電弧重熔（PAR）；等離子電子
束重熔（PEB）。
　　總之特種冶金之真空冶金、電渣冶金、等離子熔煉技術(shù)，在難熔金屬、活潑金屬、高溫合金、
特殊鋼鍛件生產(chǎn)方面占據(jù)重要的地位。但是，近年來(lái)隨著二次冶煉技術(shù)的發(fā)展，用二次精煉方法生
產(chǎn)的特殊鋼，在純潔度方面已可達(dá)到甚至超過(guò)特種冶煉的產(chǎn)品，使得過(guò)去要靠特種冶煉方法才能生
產(chǎn)的品種現(xiàn)在改用二次精煉方法來(lái)生產(chǎn)，例如，過(guò)去用真空電弧重熔或電渣重熔的軸承鋼，現(xiàn)在可
用LF+RH或LF+VD來(lái)生產(chǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，用二次精煉方法獲得的超純軸承鋼與真空電弧重熔的相比，
二者具有相同的壽命。二次精煉技術(shù)的發(fā)展，使得特種冶金產(chǎn)品失去一部分市場(chǎng)。
　　下面重點(diǎn)介紹合金結(jié)構(gòu)鋼、汽車(chē)用齒輪鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、軸承鋼、彈簧鋼和不銹
鋼的性能及生產(chǎn)工藝技術(shù)。
　　1 合金結(jié)構(gòu)鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)
　　1.1 前言
　　結(jié)構(gòu)鋼包括碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，用于制造金屬結(jié)構(gòu)及機(jī)器設(shè)備。一般具有高的強(qiáng)度、好的
韌性和良好的加工性。合金結(jié)構(gòu)鋼約含5％以下的合金元素和0.6％以下的碳。近30年來(lái)，高強(qiáng)度低合
金鋼（HSLA或微合金化鋼）性能和產(chǎn)量得到了很大的發(fā)展，代替結(jié)構(gòu)鋼用于焊接、鉚接和螺栓結(jié)構(gòu)上，
還用來(lái)做調(diào)質(zhì)和非調(diào)質(zhì)機(jī)器零件。美國(guó)將高強(qiáng)度低合金鋼列入合金結(jié)構(gòu)鋼。
　　合金結(jié)構(gòu)鋼是合金鋼總產(chǎn)量最高、牌號(hào)最多的鋼類(lèi)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3077—1999。根據(jù)其熱處理工
藝特點(diǎn)和使用性能，將合金結(jié)構(gòu)鋼分成[3]：調(diào)質(zhì)鋼、低溫回火鋼、非調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、氮化鋼、易切
鋼、超高強(qiáng)度鋼、彈簧鋼和軸承鋼。由于后兩者具有各自的獨(dú)特的性能，通常作為獨(dú)立鋼類(lèi)，而將前7
類(lèi)鋼稱(chēng)為合金結(jié)構(gòu)鋼。近年來(lái)，用以制造齒輪的結(jié)構(gòu)鋼被特殊冠名為齒輪鋼（特別是合金結(jié)構(gòu)鋼，如
Cr-Mo系列、Mn-Cr系列、Cr-Ni-Mo系列等鋼種），常在鋼種統(tǒng)計(jì)中并列出現(xiàn)合金結(jié)構(gòu)鋼、齒輪鋼。按
化學(xué)成分特點(diǎn)分類(lèi)，合金結(jié)構(gòu)鋼包括：錳鋼、鉻鉬鋼、錳鉻鋼、鎳鉻鋼、鉻錳硅鋼等。
　　目前世界較認(rèn)同的分法是按碳含量多少將合金結(jié)構(gòu)鋼分成三大類(lèi)：1）碳含量＜0.20％的HSLA鋼，
合金元素在2％以下且在熱軋狀態(tài)下使用；2）碳含量0.15％～0.25％，含合金元素在5％以下的表面硬
化－滲碳鋼；3）碳含量＞0.20％經(jīng)淬火回火處理的調(diào)質(zhì)鋼。
　　1.2 性能
　　力學(xué)性能包括強(qiáng)度、塑性和韌性等。其中強(qiáng)度是第一位的，是工件設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)，可以
通過(guò)工作應(yīng)力下的允許殘留塑性變形量而計(jì)算確定。而塑性和韌性目前仍處于經(jīng)驗(yàn)確定階段。
　　提高強(qiáng)度的主要方法有：位錯(cuò)強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶粒強(qiáng)化、馬氏體強(qiáng)化和馬氏體時(shí)效
強(qiáng)化。但是隨著強(qiáng)度的提高，一般要影響鋼的脆性破壞傾向。晶界強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化相結(jié)合的強(qiáng)化方法對(duì)
低碳低合金鋼十分有利，這就是現(xiàn)代控軋微合金化（Nb、V等）相結(jié)合的方法。
　　表1所示為淬火和回火合金結(jié)構(gòu)鋼等強(qiáng)度下的塑韌性變化[3]?？梢?jiàn)，隨著強(qiáng)度的增加，鋼的塑、韌
性降低，且表現(xiàn)較大波動(dòng)性。這種波動(dòng)性的產(chǎn)生是多因素作用的結(jié)果，除了鋼的成分因素外，冶金質(zhì)量
的變化是重要原因，它反映在鋼的純度、組織結(jié)構(gòu)、晶粒度和內(nèi)應(yīng)力等方面的變化上。
　　強(qiáng)度和塑韌性是一對(duì)矛盾。對(duì)結(jié)構(gòu)鋼而言，材料科學(xué)和工程的主要任務(wù)之一就是不斷解決這對(duì)矛盾。
　　結(jié)構(gòu)鋼屬亞共析鋼范疇，其中碳含量大多數(shù)在0.5％以下，而建筑結(jié)構(gòu)用鋼多在0.2％以下，機(jī)器設(shè)備
等用鋼多在0.2％～0.5％之間。碳是決定強(qiáng)度的最主要而又最經(jīng)濟(jì)的元素，只是伴有對(duì)鋼塑韌性的不利影
響以及對(duì)焊接性等的嚴(yán)重不利作用，其用量受到綜合性能要求的制約。合金元素的主要作用有：提高淬
透性，調(diào)節(jié)強(qiáng)度—塑性、韌性配合，滿足某些特殊性能要求，改善工藝性能。它們的相應(yīng)作用是通過(guò)鋼
的顯微組織結(jié)構(gòu)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此顯微組織結(jié)構(gòu)決定了鋼的性能。熱處理是引起鋼顯微組織變化的
核心，實(shí)際上決定了成分、組織和性能三者之間的關(guān)系。
　　1.3 生產(chǎn)工藝
　　合金結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)量是隨著機(jī)械制造業(yè)對(duì)材料要求的不斷提高及冶金工藝裝備水平的提高而不斷提高的，
鋼材的質(zhì)量性能高級(jí)化、高純潔度、超細(xì)組織、高精度是當(dāng)前的主要發(fā)展趨勢(shì)。
　　性能高級(jí)化是指鋼材的化學(xué)成分波動(dòng)小，通過(guò)微調(diào)成分，使材料的使用性能均勻，強(qiáng)韌性配合適
宜，保證由其制作的部件使用性能可靠。
　　對(duì)合金結(jié)構(gòu)鋼而言，高純潔度主要是指鋼中的氧、硫、磷、氫、氮等含量≤100×10-6[2]。（[H]
≤1×10-6、[O]≤15×10-6、[S]≤10×10-6、[N]≤（15～30）×10-6、[P]＜10×10-6），從而使一系
列高強(qiáng)和超高強(qiáng)材料的塑韌性問(wèn)題得到解決。組織的超細(xì)化可以提高強(qiáng)度、改善韌性。
　　目前對(duì)于工業(yè)化商業(yè)性生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，合金結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)水平：[O]≤15×10-6、[S]≤10×10-6、[N]
≤20×10-6、[P]＜20×10-6。日本生產(chǎn)清潔鋼的工藝流程如圖1所示[4]。電爐短流程合金結(jié)構(gòu)鋼長(zhǎng)型
材生產(chǎn)工藝流程
　　汽車(chē)齒輪是汽車(chē)的重要零部件之一，起著傳遞動(dòng)力的作用。當(dāng)下人們對(duì)汽車(chē)高速、安全、舒適、
節(jié)能、環(huán)保等性能要求的日趨嚴(yán)格，傳動(dòng)系統(tǒng)向小型化、輕量化、高功率化的趨勢(shì)發(fā)展，要求提高齒
輪壽命、傳動(dòng)精度和降低齒輪成本。因此，使得汽車(chē)齒輪承受的負(fù)荷越來(lái)越大，對(duì)汽車(chē)齒輪鋼質(zhì)量的
要求也越來(lái)越高。
　　隨著社會(huì)汽車(chē)保有量及生產(chǎn)量的不斷擴(kuò)大，汽車(chē)齒輪鋼用量也在增加。中國(guó)汽車(chē)保有量2010年約
達(dá)到900～1 000萬(wàn)輛。按年產(chǎn)汽車(chē)600萬(wàn)輛，其中轎車(chē)300萬(wàn)輛、客車(chē)140萬(wàn)輛、載重車(chē)160萬(wàn)輛，每輛
轎車(chē)、載重車(chē)、客車(chē)用齒輪鋼量為38、100、180 kg估算，年新產(chǎn)汽車(chē)用齒輪鋼量約54.2萬(wàn)t，2010年
約達(dá)到90～100萬(wàn)t。齒輪鋼代表鋼號(hào)： 20CrMnTiH、20CrMoH、SCM822H（日本牌號(hào)Cr-Mo系列鋼種）、
20Cr、40Cr 、28MnCr5（德國(guó)牌號(hào)Mn-Cr系列鋼種）、SAE8620H（美國(guó)牌號(hào)Cr-Ni-Mo系列鋼種）。中國(guó)
標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB/T3077-1999、GB/T5216-85。
　　我國(guó)車(chē)輛齒輪用鋼采購(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已出臺(tái)。齒輪鋼材貿(mào)易與質(zhì)量監(jiān)控協(xié)作網(wǎng)對(duì)齒輪鋼材采購(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
（協(xié)議）提出下列必須滿足的6項(xiàng)條件：1）末端淬透性：淬透性帶寬（上限減下限）不能超過(guò)7HRC。2）
氧含量≤0.003 0％。3）非金屬夾雜物：A類(lèi)細(xì)系、粗系≤2.5級(jí)；B類(lèi)細(xì)系、粗系≤2.5級(jí)；C類(lèi)細(xì)系、
粗系≤2.0級(jí)；D類(lèi)細(xì)系、粗系≤2.5級(jí)。4）奧氏體晶粒度細(xì)于或等于5級(jí)。5）表面質(zhì)量符合GB/T3077-1999
《合金結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定。6）尺寸符合GB/T702-1986《熱軋圓鋼和方鋼尺寸、外型、重量及允許偏差》
的規(guī)定。
　　2.2 齒輪鋼質(zhì)量水平主要指標(biāo)
　　汽車(chē)齒輪鋼屬結(jié)構(gòu)鋼，其中以合金結(jié)構(gòu)鋼為主，滲碳齒輪鋼比例在不斷擴(kuò)大，盡管開(kāi)發(fā)和引進(jìn)了各
種類(lèi)型的齒輪鋼，但20CrMnTiH仍被廣泛應(yīng)用。
　　有些機(jī)器零件如汽車(chē)齒輪，工作時(shí)受到周期性變載荷（扭轉(zhuǎn)或彎曲力）及沖擊載荷的作用，且零件
與零件表面之間還有相對(duì)的摩擦，并有高的接觸應(yīng)力。這些零件對(duì)材料的機(jī)械性能要求：1）材料具有高
的屈服強(qiáng)度和高的彎曲疲勞性能；2）材料表面具有高的接觸疲勞強(qiáng)度和高的耐磨性。
　　含碳量為0.4％及以上的結(jié)構(gòu)鋼不能滿足要求，因其經(jīng)熱處理后盡管硬度很高，但韌性太低，達(dá)不到
內(nèi)韌外硬的要求，故用低碳結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行滲碳，使零件從表面到中心具有從高碳（0.8％～1.1％）到低碳（
0.10％～0.25％）連續(xù)過(guò)渡的化學(xué)成分。使零件表面層具有高強(qiáng)度、高耐磨性，零件心部具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度
和較好的韌性，使零件滿足其在機(jī)械性能上的要求。對(duì)于一般零件，滲碳層的含碳量限制為0.8％～1.1％；
滲碳層的深度控制在0.6～2.0 mm之內(nèi)。
　　齒輪傳動(dòng)裝置按密封形式可分為開(kāi)式、半開(kāi)式及閉式3種；按使用工況可分為低速、高速及輕載、中
載、重載；按齒輪齒面硬度的不同，又分為硬齒面齒輪（齒面硬度HRC＞55，如經(jīng)整體或滲碳淬火、表面
淬火或氮化處理）、中硬齒面齒輪（齒面硬度55＞HRC＞38，HB＞350，如齒輪經(jīng)過(guò)整體淬火或表面淬火）、
軟齒面齒輪（齒面硬度HB＜350，如經(jīng)調(diào)質(zhì)、?；凝X輪）。
　　齒輪傳動(dòng)的失效形式主要為齒面的疲勞點(diǎn)蝕、膠合、磨損、塑性變形和輪齒的疲勞斷裂以及沖擊折斷
等。特別是隨著汽車(chē)高功率化和輕量化的進(jìn)展，提高齒輪鋼強(qiáng)度的要求越來(lái)越迫切。由于齒輪齒根承受循
環(huán)彎曲應(yīng)力、齒面承受接觸應(yīng)力、同時(shí)齒輪還承受沖擊載荷。因此，要求齒輪鋼具有高的彎曲疲勞強(qiáng)度、
接觸疲勞強(qiáng)度、良好的耐磨性，而且還必須具有充分的韌性。目前，汽車(chē)齒輪大都進(jìn)行滲碳淬火處理。齒
輪在進(jìn)行滲碳淬火熱處理時(shí)，其熱應(yīng)力和組織應(yīng)力使齒輪產(chǎn)生變形。齒輪的滲碳淬火變形可以從變形的分
散度和變形量?jī)煞矫鎭?lái)考慮。為了減小熱處理變形－降低齒輪變形的分散度和減小變形量，要求不同批次
熱處理的齒輪都具有同等程度的淬透性，并在熱處理過(guò)程中保證各部位得到同等程度的淬火。為此，鋼材
冶煉時(shí)必須抑制淬透性的變化，滲碳淬火時(shí)必須控制奧氏體晶粒度。
　　國(guó)際上通常認(rèn)為：衡量齒輪鋼質(zhì)量水平的主要指標(biāo)有3項(xiàng)[6]，即窄的淬透性帶；高的純潔度；細(xì)小的
晶粒度。這三項(xiàng)主要指標(biāo)按質(zhì)量水平分了兩個(gè)層次，即高水平和次高水平：高質(zhì)量水平：淬透性帶≤4 HRC；
純潔度[O]≤15×10-6；晶粒度≥6級(jí)。次高質(zhì)量水平：淬透性帶≤6 HRC；純潔度[O]≤20×10-6；晶粒度
≥5級(jí)。
　　通過(guò)大量工作，特別是經(jīng)過(guò)近15 a來(lái)的努力，國(guó)產(chǎn)齒輪鋼質(zhì)量水平有了較大提高，已經(jīng)超過(guò)了“次高
質(zhì)量水平”，接近了“高質(zhì)量水平”，但淬透性指標(biāo)尚需進(jìn)一步穩(wěn)定提高。我國(guó)某著名特殊鋼廠齒輪鋼實(shí)
物質(zhì)量水平達(dá)到：晶粒度≥6級(jí)、淬透性帶≤6 HRC（淬透性帶≤5 HRC產(chǎn)品比例較高）、純潔度[O]≤20×
10-6（均值[O]≤15.6×10-6）。
　　2.2.1 淬透性 是指鋼在一定奧氏體化條件下淬成全部或部分馬氏體的能力。淬透性對(duì)鋼的組織性能
影響很大，淬透性高的鋼其力學(xué)性能沿截面均勻分布，即表面與心部力學(xué)性能差距小或一致。鋼材淬透性
穩(wěn)定與否對(duì)齒輪熱處理后變形影響很大，淬透性帶寬度越窄、離散度越小，則越有利于齒輪加工、提高齒
輪壽命及嚙合精度。影響淬透性的主要因素是鋼的化學(xué)成分[7]，如果將化學(xué)成分穩(wěn)定控制在一個(gè)水平，則
得到的淬透性帶也相對(duì)穩(wěn)定在一個(gè)水平?？赏ㄟ^(guò)鋼的化學(xué)成分對(duì)淬透性影響的回歸分析，制定化學(xué)成分控
制目標(biāo)值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)淬透性窄帶控制。
　　2.2.2 純潔度 齒輪鋼高純潔度主要是指鋼中的氧、硫、磷、氫而言，但更重視鋼中的氧含量，因?yàn)?br />鋼中氧含量的降低，氧化物夾雜也隨之減少。有人做過(guò)滲碳鉻－鉬鋼氧含量對(duì)齒輪疲勞壽命影響的試驗(yàn)，
當(dāng)氧含量從25×10-6降低到11×10-6時(shí)，其接觸疲勞強(qiáng)度可提高4倍。目前齒輪鋼中的氧含量一般控制在20
×10-6以下，大部分在15×10-6以下，這樣可有效地減少夾雜物含量，提高鋼的韌性、耐磨性。今后滲碳
鋼對(duì)氧含量的限制并不遜于軸承鋼，齒輪鋼脫氣精煉將成為必然。
　　2.2.3 晶粒度 細(xì)小均勻的奧氏體晶粒度對(duì)穩(wěn)定鋼材的淬透性、減少齒輪熱處理后變形量、提高滲碳
鋼的脆斷抗力十分有利。有人研究，當(dāng)晶粒度＜5級(jí)時(shí)，滲碳鋼的脆斷抗力顯著降低并使齒輪剝落的脆化因
素增加。例如模數(shù)為4的滲碳齒輪模擬試樣的試驗(yàn)結(jié)果，20Cr2Ni4A鋼的晶粒度由8級(jí)變?yōu)?級(jí)時(shí)，抗彎強(qiáng)度
從3 000 MPa降到2 330 MPa，破斷功從580 J降到460 J。晶粒細(xì)化可提高對(duì)裂紋傳播的抗力，增加滲碳層
的強(qiáng)韌性。
　　2.3 生產(chǎn)工藝
　　汽車(chē)齒輪鋼質(zhì)量是隨著汽車(chē)制造業(yè)對(duì)材料要求的不斷提高及冶金工藝裝備水平的提高而不斷提高的，
鋼材的質(zhì)量性能高級(jí)化、高純潔度、超細(xì)組織、高精度是當(dāng)前的主要發(fā)展趨勢(shì)[6]。性能高級(jí)化是指：鋼材
的化學(xué)成分波動(dòng)小，通過(guò)微調(diào)成分，使材料的使用性能均勻，強(qiáng)韌性配合適宜，保證由其制作的部件使用
性能可靠。齒輪鋼窄淬透性帶的控制是提高齒輪精度和壽命的手段之一。對(duì)齒輪鋼而言，高純潔度主要是
指鋼中的氧含量[O]≤15×10-6，從而使一系列齒輪鋼材料的塑韌性問(wèn)題得到解決。組織的超細(xì)化也可以提
高強(qiáng)度、改善韌性。齒輪鋼的生產(chǎn)工藝就是圍繞著上述內(nèi)容展開(kāi)的。目前主導(dǎo)的齒輪鋼電弧爐生產(chǎn)工藝路線
　　我國(guó)某著名特殊鋼廠Mn-Cr5系列齒輪鋼電弧爐生產(chǎn)工藝：50 t/UHP—60 t/LF—60 t/VD—大方坯連鑄或
3 t錠/模鑄（接Φ850 mm初軋機(jī)）—成品軋機(jī)或鍛機(jī)—精正、熱處理—成品Φ12～130 mm （熱軋或緩冷或
退火狀態(tài)交貨）。
　　由于齒輪鋼品種較多，質(zhì)量要求差別也較大，因此目前工業(yè)生產(chǎn)中的各種冶煉方法幾乎都在應(yīng)用。
　　今后齒輪鋼要做的工作仍然是窄的淬透性帶、高的純潔度、細(xì)小的晶粒、良好的加工性能（如易切屑、
冷擠壓、鍛造等）。