渗碳钢是一类重要的合金结构钢，这类钢的特点是用改变表层化学成分的方法来获得特定的性能，以满足使用要求。渗碳钢品种繁多，主要应用于工程机械、商用车和轿车等，其中轿车用渗碳钢齿轮是技术质量要求最高的。欧洲轿车企业如大众汽车公司齿轮渗碳钢为Cr-Mn钢系，主要牌号为16MnCr5、20MnCr5和28MnCr5。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。

河北钢铁集团石钢公司的技术人员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齿轮钢混晶的影响，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。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。

观察发现，如果钢在某一较低的温度范围内晶粒不长大，而加热到一定的温度后晶粒突然长大，这一过程被称为异常长大。奥氏体经历异常长大会导致晶粒粗大和混晶的产生。

众所周知，铝是最基本、最有效的细化晶粒元素，在钢中主要以AlN形式存在。AlN主要分布于晶界，起到钉扎晶界阻止晶粒长大的作用。当钢中铝含量较高，氮含量较低时，则不能形成足够的AlN使其均匀地分布于奥氏体晶界。AlN数量较少必然导致其分布较多的位置钉扎晶界作用明显，较少的位置则不能钉扎晶界阻止奥氏体晶粒的长大，这也是产生混晶，即晶粒局部异常长大的主要原因。

研究表明：

（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/≥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。（余冶）