滲碳鋼是一類(lèi)重要的合金結構鋼，這類(lèi)鋼的特點(diǎn)是用改變表層化學(xué)成分的方法來(lái)獲得特定的性能，以滿(mǎn)足使用要求。滲碳鋼品種繁多，主要應用于工程機械、商用車(chē)和轎車(chē)等，其中轎車(chē)用滲碳鋼齒輪是技術(shù)質(zhì)量要求最高的。歐洲轎車(chē)企業(yè)如大眾汽車(chē)公司齒輪滲碳鋼為Cr-Mn鋼系，主要牌號為16MnCr5、20MnCr5和28MnCr5。齒輪制造過(guò)程中，其表面需經(jīng)滲碳化學(xué)熱處理，而齒輪滲碳溫度高（930℃）、滲碳時(shí)間長(cháng)（3～6h），該條件下奧氏體晶粒長(cháng)大的傾向明顯，易出現晶粒粗大或混晶現象。若齒輪滲碳淬火后出現嚴重的混晶現象，將導致齒輪淬火變形和開(kāi)裂傾向增大，同時(shí)顯著(zhù)降低齒輪的結構強度，引起應力集中，容易造成齒輪脆性斷裂。
科研工作者研究了在不同的熱處理工藝下，鋁含量、氮含量和鋁氮比對歐標20MnCr5齒輪鋼混晶的影響，從而確定了煉鋼過(guò)程鋁和氮含量的合理控制范圍，達到了大眾汽車(chē)公司等歐洲轎車(chē)企業(yè)對齒輪鋼晶粒度的要求。
試驗用20MnCr5鋼材生產(chǎn)工藝：60t轉爐冶煉→LF精煉→VD真空脫氣→連鑄→步進(jìn)式加熱爐加熱→連軋機組軋制。選取生產(chǎn)中鋁、氮含量不同的20MnCr5鋼材4爐，采用ARL-4460火花直讀光譜儀分析鋼材的化學(xué)成分。采用25-13型自動(dòng)箱式電阻爐進(jìn)行模擬滲碳熱處理，檢測不同鋁、氮含量鋼材在不同保溫時(shí)間的奧氏體晶粒度。
觀(guān)察發(fā)現，如果鋼在某一較低的溫度范圍內晶粒不長(cháng)大，而加熱到一定的溫度后晶粒突然長(cháng)大，這一過(guò)程被稱(chēng)為異常長(cháng)大。奧氏體經(jīng)歷異常長(cháng)大會(huì )導致晶粒粗大和混晶的產(chǎn)生。
眾所周知，鋁是最基本、最有效的細化晶粒元素，在鋼中主要以AlN形式存在。AlN主要分布于晶界，起到釘扎晶界阻止晶粒長(cháng)大的作用。當鋼中鋁含量較高，氮含量較低時(shí)，則不能形成足夠的AlN使其均勻地分布于奧氏體晶界。AlN數量較少必然導致其分布較多的位置釘扎晶界作用明顯，較少的位置則不能釘扎晶界阻止奧氏體晶粒的長(cháng)大，這也是產(chǎn)生混晶，即晶粒局部異常長(cháng)大的主要原因。
研究表明：
?。?）轎車(chē)用20MnCr5滲碳鋼中的鋁含量≥0.020%時(shí)，氮含量偏低是導致其在滲碳溫度發(fā)生混晶的主要原因。
?。?）轎車(chē)用20MnCr5滲碳鋼中的鋁含量≥0.025%且[Al]/[N]≥3時(shí)，能夠保證在930℃保溫6h的熱處理工藝下不發(fā)生混晶現象。