渗碳钢品种繁多，主要应用于工程机械、商用车和轿车等，其中轿车用渗碳齿轮是技术质量要求最高的。齿轮制造过程中，其表面需经渗碳化学热处理，而齿轮渗碳温度高（930℃）、渗碳时间长（3～6h），该条件下奥氏体晶粒长大的倾向明显，易出现晶粒粗大或混晶现象。若齿轮渗碳淬火后出现严重的混晶现象，将导致齿轮淬火变形和开裂倾向增大，同时显著降低齿轮的结构强度，引起应力集中，容易造成齿轮脆性断裂。为此，专门研究了在不同的热处理工艺下，铝含量、氮含量和铝氮比对欧标20MnCr5齿轮钢混晶影响，从而确定了炼钢过程铝和氮含量的合理控制范围，达到了大众汽车公司等欧洲轿车企业对齿轮钢晶粒度的要求。

　　试验用20MnCr5钢材生产工艺：60t转炉冶炼→LF精炼→VD真空脱气→连铸→步进式加热炉加热→连轧机组轧制。选取生产中铝、氮含量不同的20MnCr5钢材4炉。采用ARL-4460火花直读光谱仪分析钢材的化学成分，结果如表1所示，其化学成分（wt%）符合20MnCr5齿轮钢的技术要求：C0.17～0.22，Si0.15～0.40，Mn1.10～1.40，Cr1.00～1.30，P≤0.020，S0.015～0.035，Al0.020～0.045。

　　表1  20MnCr5钢的化学成分（wt %）

试样
 

C
 

Si
 

Mn
 

P
 

S
 

Cr
 

Ni
 

Cu
 

Al
 

Mo
 

N

1#
 

0.18
 

0.24
 

1.26
 

0.012
 

0.020
 

1.14
 

0.01
 

0.02
 

0.029
 

0.008
 

0.0036

2#
 

0.18
 

0.24
 

1.25
 

0.012
 

0.020
 

1.14
 

0.01
 

0.02
 

0.021
 

0.002
 

0.0035

3#
 

0.18
 

0.23
 

1.31
 

0.014
 

0.023
 

1.17
 

0.02
 

0.03
 

0.025
 

0.005
 

0.0102

4#
 

0.19
 

0.26
 

1.23
 

0.014
 

0.016
 

1.16
 

0.01
 

0.02
 

0.030
 

0.003
 

0.0100
　　　

　　采用25-13型自动箱式电阻炉进行模拟渗碳热处理，检测不同铝、氮含量钢材在不同保温时间的奥氏体晶粒度。试样经预磨、抛光后，采用饱和苦味酸水溶液腐蚀以显示奥氏体晶粒度，采用OLYMPUS PMG3金相显微镜依据GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》评定其奥氏体晶粒度。结果表明：

　　（1）轿车用20MnCr5渗碳钢中的铝含量≥0.020%时，氮含量偏低是导致其在渗碳温度发生混晶的主要原因。

　　（2）轿车用20MnCr5渗碳钢中的铝含量≥0.025%且[Al]/[N]≥3时，能够保证在930℃保温6h的热处理工艺下不发生混晶现象。