齿轮通常会通过渗碳工艺来强化表面,以获得高强度和高硬度。传统的渗碳温度约为900℃,渗碳时间可长达十几个小时。如果渗碳过程出现问题,不仅会造成资源和能源的浪费,之前的努力也可能会付之一炬。近年来,随着碳中和、碳达峰政策的推广,高温渗碳工艺应运而生。这种工艺通过提高渗碳温度,大幅缩短渗碳时间,显著节约能耗并减少排放。2021年工信部将高温渗碳齿轮钢列入38种重点发展的先进钢铁材料之一,“十四五”发展行业规划也指出仍需深入开展高温渗碳工艺研发。然而,目前常用的齿轮钢在高温渗碳过程中容易出现晶粒粗化和混晶的问题,影响齿轮的强韧性和服役寿命,这也是实现高温渗碳面临的瓶颈。本文研究了一种高端齿轮钢20MnCr5,主要应用于高档轿车和重载卡车上。国内企业生产该钢种时常会遇到晶粒不均匀或晶粒粗大的问题。为了实现该类钢种的高温渗碳,满足高端应用需求和绿色节能发展,采用了 Nb和Nb+B复合微合金化的方法,通过工业化大生产条件下的系统研究,探究微合金元素在齿轮钢“加热-形变-渗碳”过程中对晶粒演变的作用机理以及力学冶金行为的影响机制。重点阐述了微合金化齿轮钢在高温渗碳过程中的行为和性能演变规律。论文的主要研究内容和结果如下:研究了不同加热温度和保温时间下的晶粒演变规律和第二相固溶析出行为。不含Nb钢和含Nb+B钢（0.024%Nb+0.0022%B）在1025℃加热1h的条件下,均出现了尺寸120μm以上的混晶晶粒,在930℃～1000℃保温0.5h～10h的部分温度和保温时间下也都出现了不同程度的混晶,而在相同的条件下含0.021%Nb钢的晶粒都细小均匀。含Nb+B钢中B元素通过与Nb（C,N）复合析出引发Nb（C,N）颗粒粗化,并使Nb（C,N）和AlN过早溶解失去弥散钉扎作用,导致了局部晶粒异常粗化。研究了 Nb、B微合金化齿轮钢的高温力学冶金行为。变形温度850℃～1150℃,变形量60%,应变速率0.1s-1-10s-1的条件下,Nb元素抑制20MnCr5钢的动态再结晶并细化了再结晶晶粒,在此基础上添加B元素虽然进一步抑制动态再结晶,但会使晶粒发生粗化。变形温度800℃～1150℃,应变速率为1s-1的条件下,Nb和Nb+B微合金化均降低了 20MnCr5钢的热塑性。其原因是含Nb析出相在高温拉伸过程发生动态析出强化;Nb和B元素与MnS的复合析出,导致MnS的变形能力降低;Nb和B元素对动态再结晶的抑制作用。通过工业渗碳实验将渗碳温度从900℃提高至950℃,渗碳时间从8h缩短至5h,对比研究了各实验钢的渗碳行为。采用高温渗碳工艺后,各实验钢表面碳含量的平均值从1.09%增加至1.26%,有效硬化层深度的平均值从1.67mm增加至2.36mm,碳浓度梯度斜率参数的平均值从0.41降低至0.37。添加微合金元素Nb和B对表面碳含量、有效硬化层深度和碳浓度梯度的斜率参数影响不大。同时研究了各实验钢的渗层组织和晶粒形貌,采用高温渗碳工艺使外表面的过剩碳化物明显减少,显著提高了渗碳效率;添加微合金元素Nb也可以减少表面的过剩碳化物,而添加微合金元素B会使过剩碳化物增加。此外不含Nb钢和含Nb+B钢在高温渗碳后均出现了晶粒不均匀或混晶现象,即采用Nb微合金化能有效抑制高温渗碳时的混晶和晶粒粗化,在此基础上添加B元素对晶粒尺寸的控制不利。研究了各实验钢的渗碳后的力学性能,采用高温渗碳工艺时,不含Nb钢的渗层冲击功为46J,含0.021%Nb钢的冲击功提高至63J,含Nb+B钢渗层的冲击功为57J。Nb微合金化后渗层的针状马氏体、残余奥氏体和原奥氏体晶粒均被明显细化,降低了微裂纹的形成倾向,断裂沿细小的马氏体针扩展而消耗了更多的能量,有效提高渗层的韧性。B元素由于晶粒粗化效应对韧性不利,但显著提高淬透性,使心部抗拉强度由不含Nb钢和含0.021%Nb钢的1250MPa左右提高至含Nb+B钢的1307MPa。研究了各实验钢渗碳后的耐磨性和耐腐蚀性,在干滑动摩擦条件下,采用Nb微合金化、Nb+B微合金化和高温渗碳工艺,均能提高齿轮渗碳后的耐磨性。在NaHSO3溶液电化学腐蚀条件下,Nb微合金化和高温渗碳工艺均提高了渗碳后耐腐蚀性能,而Nb+B微合金化对渗碳后的耐腐蚀性不利。确定了高温渗碳20MnCr5齿轮钢采用Nb微合金化的设计,使渗碳温度在原有基础上提高了 50℃,渗碳时间缩短了 37.5%,实现了晶粒细化、均匀化,且韧性、耐磨性和耐腐蚀性有所提升,为齿轮钢高温渗碳工艺的推广应用提供理论依据和应用基础,并在东风商用车有限公司等企业实现工业化应用。