滲碳鋼是一類重要的合金結(jié)構(gòu)鋼，這類鋼的特點是用改變表層化學(xué)成分的方法來獲得特定的性能，以滿足使用要求。滲碳鋼品種繁多，主要應(yīng)用于工程機械、商用車和轎車等，其中轎車用滲碳鋼齒輪是技術(shù)質(zhì)量要求最高的。歐洲轎車企業(yè)如大眾汽車公司齒輪滲碳鋼為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℃）、滲碳時間長（3～6h），該條件下奧氏體晶粒長大的傾向明顯，易出現(xiàn)晶粒粗大或混晶現(xiàn)象。若齒輪滲碳淬火后出現(xiàn)嚴重的混晶現(xiàn)象，將導(dǎo)致齒輪淬火變形和開裂傾向增大，同時顯著降低齒輪的結(jié)構(gòu)強度，引起應(yīng)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，從而確定了煉鋼過程鋁和氮含量的合理控制范圍，達到了大眾汽車公司等歐洲轎車企業(yè)對齒輪鋼晶粒度的要求。
試驗用20MnCr5鋼材生產(chǎn)工藝：60t轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→VD真空脫氣→連鑄→步進式加熱爐加熱→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型自動箱式電阻爐進行模擬滲碳熱處理，檢測不同鋁、氮含量鋼材在不同保溫時間的奧氏體晶粒度。
觀察發(fā)現(xiàn)，如果鋼在某一較低的溫度范圍內(nèi)晶粒不長大，而加熱到一定的溫度后晶粒突然長大，這一過程被稱為異常長大。奧氏體經(jīng)歷異常長大會導(dǎo)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大的作用。當鋼中鋁含量較高，氮含量較低時，則不能形成足夠的AlN使其均勻地分布于奧氏體晶界。AlN數(shù)量較少必然導(dǎo)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大，這也是產(chǎn)生混晶，即晶粒局部異常長大的主要原因。
研究表明：
?。?）轎車用20MnCr5滲碳鋼中的鋁含量≥0.020%時，氮含量偏低是導(dǎo)致其在滲碳溫度發(fā)生混晶的主要原因。
?。?）轎車用20MnCr5滲碳鋼中的鋁含量≥0.025%且[Al]/[N]≥3時，能夠保證在930℃保溫6h的熱處理工藝下不發(fā)生混晶現(xiàn)象。