常用齒輪材料選擇及其熱處理工藝

1、齒輪材料的選擇及其熱處理工藝1、齒輪材料的選擇原則齒輪材料的種類很多，在選擇時應(yīng)考慮的因素也很多，下述幾點可供選擇材料時參考：1）齒輪材料必須滿足工作條件的要求。例如，用于飛行器上的齒輪，要滿足質(zhì)量小、傳遞功率大和可靠 性高的要求，因此必須選擇機械性能高的合金銀；礦山機械中的齒輪傳動，一般功率很大、工作速度較低、周圍環(huán) 境中粉塵含量極高，因此往往選擇鑄鋼或鑄鐵等材料；家用及辦公用機械的功率很小，但要求傳動平穩(wěn)、低噪聲或 無噪聲、以及能在少潤滑或無潤滑狀態(tài)下正常工作，因此常選用工程塑料作為齒輪材料。總之，工作條件的要求是 選擇齒輪材料時首先應(yīng)考慮的因素。2）應(yīng)考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成型方法及熱

2、處理和制造工藝。大尺寸的齒輪一般采用鑄造毛坯，可選 用鑄鋼或鑄鐵作為齒輪材料。中等或中等以下尺寸要求較高的齒輪常選用鍛造毛坯，可選擇鍛鋼制作。尺寸較小而 又要求不高時，可選用圓鋼作毛坯。齒輪表面硬化的方法有：滲碳、氨化和表面淬火。采用滲碳上藝時，應(yīng)選用低碳鋼或低碳含金鋼作齒輪材 料；氨化鋼和調(diào)質(zhì)鋼能采用氮化工藝；采用表面淬火時，對材料沒有特別的要求。3）正火碳鋼，不論毛坯的制作方法如何，只能用于制作在載荷平穩(wěn)或輕度沖擊下工作的齒輪，不能承受 大的沖擊載荷；調(diào)質(zhì)碳鋼可用于制作在中等沖擊載荷下工作的齒輪。4）合金鋼常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下工作的齒輪。5）飛行器中的齒輪傳動，要求齒輪尺寸盡

3、可能小，應(yīng)采用表面硬化處理的高強度合金鋼。6 ）金屬制的軟齒面齒輪，配對兩輪齒面的硬度差應(yīng)保持為3050HBS或更多。當小齒輪與大齒輪的齒面具有較大的硬度差（如小齒輪齒面為淬火并磨制，大齒輪齒面為?；蛘{(diào)質(zhì)）；且速度又較高時，較硬的小齒輪齒面對 較軟的大齒輪齒面會起較顯著的冷作硬化效應(yīng)，從而提高了大齒輪齒面的疲勞極限。因此，當配對的兩齒輪齒面具 有較大的硬度差時，大齒輪的接觸疲勞許用應(yīng)力可提高約20，但應(yīng)注意硬度高的齒面，粗糙度值也要相應(yīng)地減小。2、齒輪材料的選擇 齒輪齒條是現(xiàn)代機械中應(yīng)用最廣泛的一種機械傳動零件。齒輪傳動通過輪齒互相嚙合來傳遞空間任意兩軸間的運動 和動力，并可以改變運動的形式

4、和速度。齒輪傳動使用范圍廣，傳動比恒定，效率較高，使用壽命。在機械零件產(chǎn) 品的設(shè)計與制造過程中，不僅要考慮材料的性能能夠適應(yīng)零件的工作條件，使零件經(jīng)久耐用，而且要求材料有較好 的加工工藝性能和經(jīng)濟性，以便提高零件的生產(chǎn)率，降低成本，減少消耗。如果齒輪材料選擇不當，則會出現(xiàn)零件 的過早損傷，甚至失效。因此如何合理地選擇和使用金屬材料是一項十分重要的工作。滿足材料的機械性能，材料的機械性能包括強度、硬度、塑性及韌性等，反映材料在使用過程中所表現(xiàn)出來的 特性。齒輪在嚙合時齒面接觸處有接觸應(yīng)力，齒根部有最大彎曲應(yīng)力，可能產(chǎn)生齒面或齒體強度失效。齒面各點都 有相對滑動，會產(chǎn)生磨損。齒輪主要的失效形式有齒

5、面點蝕、齒面膠合、齒面塑性變形和輪齒折斷等。因此要求齒 輪材料有高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，齒面要有足夠的硬度和耐磨性，芯部要有一定的強度和韌性。 例如，在確定大、小齒輪硬度時應(yīng)注意使小齒輪的齒面硬度比大齒輪的齒面硬度高30-50HBS， 是因為小齒輪受載荷次數(shù)比大齒輪多，且小齒輪齒根較薄，強度低于大齒輪。為使兩齒輪的輪齒接近等強度，小齒輪的齒面要比大齒 輪的齒面硬一些。另一方面，根據(jù)材料的使用性能確定了材料牌號后。要明確材料的機械性能或材料硬度，然后我們可以通過不 同的熱處理工藝達到所要求的硬度范圍，從而賦予材料不同的機械性能。如材料為40Cr 合金鋼的齒輪，當 840-860C油淬，5

6、40-620C回火時，調(diào)質(zhì)硬度可達 28-32HRC,可改善組織、提高綜合機械性能；當860-880C油淬，240280C回火時，硬度可達 46-51HRC,則鋼的表面耐磨性能好，芯部韌性好，變形?。划?00- 560C氮化處理，氮化層0.15-0.6mm時，硬度可達52-54HRC,則鋼具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲勞強度，較高的抗蝕性和 抗膠合性能且變形極小；當通過電鍍或表面合金化處里后，則可改善齒輪工作表面摩擦性能，提高抗腐蝕性能3、齒輪常用材料齒輪常用材料摘要：齒輪依靠結(jié)構(gòu)尺寸材料強度承受載荷要求材料具有強度韌性耐磨性齒輪形狀復雜齒輪精度要求要求材料工藝常用材料鍛鋼鑄鋼鑄鐵鍛鋼硬

7、度分為大類HB稱為軟齒稱為硬度HB工藝過程鍛造毛坯正火粗車調(diào)質(zhì)加工常用材料 SiMnCr 液體動靜壓軸承常用軸殼配軸承軸承的密封類型精密軸承工序間防銹新工藝軸承壽命強化 實驗偏心軸的一種加工詳解并聯(lián)機床的設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)無油軸承帶動模具行業(yè)革命我國軸承壽命強化實驗方興 未艾（一） 我國軸承壽命強化實驗方興未艾（二）齒輪是依靠本身的結(jié)構(gòu)尺寸和材料強度來承受外載荷的，這就要求材料具有較高強度韌性和耐磨性；由于齒輪形狀 復雜，齒輪精度要求高，還要求材料工藝性好。常用材料為鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵。一、鍛鋼根據(jù)齒面硬度分為兩大類HB 350時，稱為硬齒面1 齒面硬度 HB 350采用中碳鋼時：工藝過程：鍛造

8、毛坯-常化-粗切-調(diào)質(zhì)-精切-高、中頻淬火-低溫回火-珩齒或研磨劑跑合、電火花跑合。常用材料： 45、 40Cr、40CrNi 。特點：齒面硬度高HRC= 48-55，接觸強度高，耐磨性好。齒芯保持調(diào)質(zhì)后的韌性，耐沖擊能力好，承載能力較高。精度下降半數(shù)，可達 7 級精度。 適用于大量生產(chǎn)，如：汽車、機床等中速中載變速箱齒輪。 采用低碳鋼時：鍛造毛坯-常化-粗切-調(diào)質(zhì)-精切-滲碳淬火-低溫回火-磨齒。達6 級、 7 級。常用材料； 20Cr、 20CrMnTi、 20MnB、 20CrMnTo 。特點：齒面硬度，承載能力強。芯部韌性好，耐沖擊 。適合于高速、重載、過載傳動或結(jié)構(gòu)要求緊湊的場合，機

9、車主傳動齒輪、航空齒輪。二、鑄鋼當齒輪直徑d400mm結(jié)構(gòu)復雜，鍛造有困難時，可采用鑄鋼 。材料ZG45.ZG55正火處理。常化，調(diào)質(zhì)。三、鑄鐵抗膠合及抗點蝕能力強，但抗沖擊耐磨性差。適合工作平穩(wěn)，功率不大低速或尺寸較大形狀復雜時用。能在缺油條件下工作，適于開式傳動。四、非金屬材料布質(zhì)、木質(zhì)、塑料、尼龍、適于高速輕載。選取材料時應(yīng)考慮齒輪的工作條件不同，輪齒的破壞形式不同，是確定齒輪強度計算準則和選擇材料和熱處理的根據(jù)。1 對于受沖擊載荷時，輪齒容易折斷應(yīng)選用韌性較好的材料，可選用低碳鋼滲碳淬火。2 對于高速閉式傳動，齒面易點蝕，應(yīng)選用齒面硬度較好的材料，可選用中碳鋼表面淬火。3對于低速中載，

10、輪齒折斷，點蝕，磨損均可發(fā)生時，應(yīng)選取機械強度，齒面硬度等綜合機械性能好的材料，可 選中碳鋼調(diào)質(zhì)精切。4力求材料品種少，便于管理，考慮資源和供應(yīng)情況。5當結(jié)構(gòu)尺寸要求緊湊，耐磨性高時，要采用合金鋼。6 制造單位的設(shè)備及技術(shù)情況4、齒輪材料的選擇基本要求：齒面要硬，齒心要韌表：常用材料及機械性能材料牌號熱處理方法強度極限b b（MPa屈服極限b s（ MPa硬度（HBS齒芯部齒面HT250250HT300300HT350350QT500-5500QT600-2600ZG310-570?；?80320ZG340-64065035045580290ZG340-6407003804565036030C

11、rMnSi調(diào)質(zhì)110090035SiMn75045038SiMnMo70055040Cr70050045調(diào)質(zhì)后表面淬火4 50JIRC40Cr48 55HRC20Cr65040030020CrMnTi滲碳后淬火110085058 60IIGC12Cr2Ni4110085032020Cr2Ni41200110035035CrAIA調(diào)質(zhì)后氮化（氮化層厚950750255 32185038CrMoALAb 0.30.5mm)1000850夾布膠帶10025351注：40Cr 鋼可用 40MnVB替代；20Cr、20CrMnTi 鋼可用 20Mn2B或 20MnVB替代51、鍛鋼鋼材的韌性好，耐沖擊，

12、還可以通過熱處理或化學熱處理改善其力學性能及提高齒面硬度，故最適應(yīng)于用來制 造齒輪。除尺寸過大（da 400600mm或者是結(jié)構(gòu)形狀復雜只宜鑄造者外，一般都用鍛鋼制造齒輪，常用的是含 碳量在（0.150.6）%的碳鋼或合金鋼。制造齒輪的鍛鋼可分為：軟齒面（硬度w 350HBS :經(jīng)熱處理后切齒的齒輪所用的鍛鋼對于強度、速度及精度都要求不高的齒輪，應(yīng)采用以便于切齒，并使刀具不致迅速磨損變鈍。因此，應(yīng)將齒輪毛坯經(jīng)過正火（正火）或調(diào)質(zhì)處理后切齒。切制后 即為成品。其精度一般為 8 級，精切時可達 7 級。這類齒輪制造簡便、經(jīng)濟、生產(chǎn)效率高。硬齒面（硬度350HBS :需進行精加工的齒輪所用的鍛鋼高速

13、、重載及精密機器（如精密機床、航空發(fā)動機）所用的主要齒輪傳動，除要求材料性能優(yōu)良，輪齒具有高強度及齒面具有高硬度（如5865HRC夕卜，還應(yīng)進行磨齒等精加工。需精加工的齒輪目前多是先切齒，再做表面硬化處理，最后進行精加工，精度可達5級或 4級。這類齒輪精度高，價格較貴，所以熱處理方法有表面淬火、滲碳、氮化、軟氮化及氰化等。所以材料視具體要求及 熱處理方法而定。合金鋼根據(jù)所含金屬的成分及性能，可分別使材料的韌性、耐沖擊、耐磨及抗膠合的性能等獲得提高，也可通 過熱處理或化學熱處理改善材料的力學性能及提高齒面的硬度。所以對于既是高速、重載又要求尺寸小、質(zhì)量小的 航空用齒輪，就都用性能優(yōu)良的合金鋼（如

14、 20CrMnTi ， 20Cr2Ni4A 等 來制造。2、鑄鋼 鑄鋼的耐磨性及強度均較好，但應(yīng)經(jīng)退火及正火處理，必要時也可進行調(diào)質(zhì)。鑄鋼常用于尺寸較大的齒輪。3鑄鐵 灰鑄鐵性質(zhì)較脆，抗沖擊及耐磨性都較差，但抗膠合及抗點蝕的能力較好。灰鑄鐵齒輪常用于工作平穩(wěn)、速度 較低、功率不大的場合。4非金屬材料對高速輕載及精度不高的齒輪傳動，為了降低噪聲，常用非金屬材料（如夾布膠木、尼龍等 做小齒輪，大齒 輪仍用鋼或鑄鐵制造。為使大齒輪具有足夠的抗磨損及抗點蝕的能力，齒面的硬度應(yīng)為250350HBS6、齒輪的材料及毛坯是什么 1高精齒輪的材料及熱處理高精齒輪的材料及熱處理對高精齒輪的使用性能和壽命有很大的

15、影響，選擇時主要考慮高精齒輪的工作條件、 結(jié)構(gòu)尺寸、失效形式 （如折斷、磨損或點蝕等 ），使其具有良好的力學性能。常用的高精齒輪材料及其熱處理方法 有:（1）中碳鋼 （如 45鋼）進行調(diào)質(zhì)或表面淬火，綜合力學性能較好，用于低速、輕載或中載的一些不重要的齒輪。（2）合金調(diào)質(zhì)鋼 （ 如 40Cr） 進行調(diào)質(zhì)或表面淬火，綜合力學性能更好，且熱處理變形小，適用于中速、中載及精度要 求較高的高精齒輪。（3）合金滲碳鋼（如20Cr，20CrMnTi）進行滲碳淬火或液體碳氮共滲，齒面硬度可達58HRC且心部有較高韌性，適用于高速、重載和或有沖擊載荷的高精齒輪。（4）鑄鐵及其他非金屬材料 （ 如尼龍、夾布膠木

16、等 ） 。這些材料強度低、易加工，適用于一些輕載的齒輪。 2高精齒輪毛坯高精齒輪毛坯的選擇取決于高精齒輪的材料、結(jié)構(gòu)形式與尺寸、使用條件及生產(chǎn)批量等因素。常用的高精齒輪 毛坯有:（1）下料件用于一些不重要，受力不大且尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡單的齒輪。（2）鍛件用于重要而受力較大的高精齒輪。（3）鑄鋼件用于直徑大或結(jié)構(gòu)形狀復雜，不宜鍛造的齒輪。（4）鑄鐵件用于受力小，無沖擊的開式傳動的齒輪。制造齒輪可采用各種類型的材料；通常被選用的材料取決于齒輪的制造方法及齒輪將來的實際用途。齒輪可采 用鑄造、切削或擠壓等方法制造。制作齒輪的典型材料有鑄鐵、鑄鋼、普通碳素鋼、合金鋼、鋁、磷青銅、酚醛塑 料和尼龍等。直齒

17、圓柱齒輪是最簡單且成本最低的一類齒輪；此夕，有關(guān)直齒齒輪的一些定義通常也適合用于其它類型的齒 輪。理解下列各項定義十分重要，因為在齒輪裝置的設(shè)計工作中它們都是關(guān)鍵的因素。齒輪能以恒定的傳動比將旋轉(zhuǎn)運動從一根軸傳遞到另一根軸。若軸之間互相平行，則可采用直齒、斜齒或人字 形齒中的任一種來傳遞運動。螺旋齒輪可用于連接即不平行又不相交的兩根軸。蝸桿蝸輪應(yīng)用于傳動比大且兩軸不 相交但相互垂直的場合。若兩根軸互相垂直且它們中心線的延長線相交，則通常采用圓錐齒輪，然而有些圓錐齒輪的軸線并非互相垂直。螺旋圓錐齒輪的使用場合與直齒圓錐齒輪相同，但運用螺旋圓錐齒輪轉(zhuǎn)速更高且工作更平 穩(wěn)。準雙曲面齒輪與螺旋圓錐齒輪

18、相似，但它們中心線的延長線并不相交。常用齒輪材料的選擇及其熱處理工藝李玉平1 前言 齒輪是機械傳動中應(yīng)用最廣泛的零件之一，它的功用是按規(guī)定的速比傳遞動力和運動。在工作中，它的受力情 況比較復雜，齒輪的齒根部受交變彎曲應(yīng)力，齒面承受大的接觸應(yīng)力并產(chǎn)生強烈的摩擦，在換擋、啟動和嚙合不良 時，齒輪還承受一定的沖擊載荷。齒輪的主要失效形式是疲勞斷齒、疲勞點蝕以及齒面的過量磨損。根據(jù)齒輪的受 力情況和失效分析可知，齒輪一般都需經(jīng)過適當?shù)臒崽幚?，以提高承載能力和延長使用壽命，齒輪在熱處理后應(yīng)滿 足下列性能要求：1) 高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度 ( 抗疲勞點蝕 )。2) 齒面具有較高的硬度和耐磨性。3)

19、 齒輪心部具有足夠的強度和韌性。 齒輪的材料及熱處理對齒輪的內(nèi)在質(zhì)量和使用性能都有很大的影響。鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵、有色金屬及非金屬材 料都可用來制造齒輪，各種熱處理方法，如滲碳、滲氮、碳氮共滲、表面淬火、調(diào)質(zhì)和正火等，在齒輪制造中都被 應(yīng)用，因此，齒輪的選材和熱處理方法的選用較其它零件復雜。這就需要設(shè)計人員根據(jù)齒輪承載能力的不同，合理 選擇材料和毛坯及熱處理工藝，并制定相應(yīng)的工藝路線，用最經(jīng)濟的辦法最大限度地發(fā)揮材料的潛能，做到“物盡 其用”。2 常用齒輪材料及熱處理工藝的選擇21 鍛鋼鍛鋼應(yīng)用最廣泛，通常重要用途的齒輪大多采用鍛鋼制作。根據(jù)承載能力的大小不同，選擇的材料及熱處理工 藝又有所不同

20、。(1) 高承載能力的重要齒輪 這類齒輪有汽車、拖拉機、摩托車、礦山機械及航空發(fā)動機等齒輪。1) 汽車、拖拉機等齒輪主要分裝在變速箱和差速器中。在變速箱中，通過它來改變發(fā)動機、曲軸和主軸齒輪的 轉(zhuǎn)速；在差速器中，通過齒輪來增加扭轉(zhuǎn)力矩，且調(diào)節(jié)左右兩車輪的轉(zhuǎn)速，并將發(fā)動機動力傳給主動輪，推動汽 車、拖拉機運行，所以傳遞功率、沖擊力及摩擦壓力都很大，工作條件比較惡劣。因此在耐磨性、疲勞強度、心部 強度和沖擊韌性等方面的要求均比較高。實踐證明，選用滲碳鋼經(jīng)滲碳、淬火及低溫回火后使用最為合適。滲碳齒 輪一般采用合金滲碳鋼，而不采用碳素鋼，因為碳素鋼滲碳后淬火時要用水作淬火劑，變形量大。小模數(shù)齒輪一般

21、采用20Cr和20CrMnTi，而較大模數(shù)齒輪采用30CrMnTi鋼。其工藝路線一般為：備料鍛造正火機械粗加工、半精加工滲碳+淬火 +低溫回火噴丸校正精加工該工藝中正火的目的是為了均勻和細化組織，消除鍛造應(yīng)力，改善切削加工性；滲碳后表面含碳量提高，保證淬火后得到高的硬度(58 62HRC),提高耐磨性和接觸疲勞強度心部硬度可達3045HRC并具有足夠的強度和韌性；噴丸可增大滲碳表層的壓應(yīng)力，提高疲勞強度，并可清除氧化皮。2) 航空發(fā)動機齒輪承受高速和重載，比汽車、拖拉機齒輪的工作條件更為惡劣，除要求高的耐疲勞性外，還要 求齒輪的心部具有高的強度和韌性，一般多采用12CrNi3A、12Cr2Ni

22、4A或18Cr2Ni4WA等高級滲碳鋼制造，為了節(jié)約鎳，可用15CrMn2SiMoA弋替18Cr2Ni4WA這兩種鋼的切削加工性能較差。其工藝路線一般為：備料鍛造調(diào)質(zhì)處理機械粗加工、半精加工滲碳高溫回火機械加 工淬火 +低溫回火機械精加工檢驗在此工藝中，由于12CrNi3A、12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA等高級滲碳鋼的淬透性較高，退火困難，一般采用調(diào)質(zhì) 處理，使硬度降低到35HR(以下，改善切削加工性能。由于不滲碳表面未經(jīng)鍍銅防滲，因此滲碳后進行高溫回火， 降低硬度，便于切去不滲碳表面的滲碳層。作者簡介：李玉平 （1965 一） ，女，江西豐城人，副教授，主要從事機械制造的研究。（2

23、） 中等承載能力的齒輪 這類齒輪的代表是金屬切削機床齒輪。機床齒輪大多用于齒輪箱，主要用于傳遞動力，改變運動速度和方向， 工作條件較好，載荷不大，工作平穩(wěn)無強烈沖擊，轉(zhuǎn)速也不高，屬工作條件較好的齒輪。因此，要求綜合力學性能 好，一般選用調(diào)質(zhì)鋼制造，如 40鋼、45鋼、40Cr、42SiMn等。一般40鋼、45鋼用于中小載荷機床齒輪，如床頭箱、 溜板箱齒輪等，40Cr、42SiMn等用于高速、高載的機床的走刀箱、變速箱齒輪。其工藝路線一般為：備料鍛造正火機械粗加 l ：調(diào)質(zhì)機械半精加工高頻感應(yīng)淬火+低溫回火磨削該工藝路線中熱處理上序的作用：正火處理的目的是消除鍛造應(yīng)力，均勻組織，使同批坯料硬度相

24、同，利于切 削加工，改善齒輪表面加工質(zhì)量；調(diào)質(zhì)的目的是為了提高齒輪心部的綜合力學性能，以承受交變彎曲應(yīng)力和沖擊載 荷，還可減少高頻淬火變形；高頻感應(yīng)淬火及低溫回火是決定齒輪表面性能的關(guān)鍵工序，高頻感應(yīng)淬火可提高齒輪 表面的硬度和耐磨性，并使齒輪表面具有殘余壓應(yīng)力，從而提高抗疲勞點蝕的能力。低溫回火是為了消除淬火應(yīng) 力，防止產(chǎn)生磨削裂紋和提高抗沖擊能力。對于中等承載能力的高精度齒輪，也可選用38CrMnA1等專用滲氮鋼，進行滲氮處理。（3）較低承載能力的齒輪較低承載能力的齒輪一般選用中碳鋼（40、45）或低合金中碳鋼（40Cr、40Mn 40Mn等）制造，進行凋質(zhì)處理，凋質(zhì)后硬度約為200300

25、HB相互配對使用的小齒輪硬度稍高 （相差大約在70120HB），對齒輪的使用壽命有利。其工藝路線一般為：備料鍛造正火機械粗加工調(diào)質(zhì)機械精加工 由于調(diào)質(zhì)齒輪表面硬度低，而且也不存在表面壓應(yīng)力，故其承載能力和疲勞強度都比較低，但因調(diào)質(zhì)齒輪切削 加工后不再進行熱處理，能保證齒輪的制造精度，故對大型齒輪特別適宜，減少了淬火引起的變形（一般認為350mm下為小齒輪， 350mtml000m為大型齒輪， IO00mm上為特大囟輪）。在該工藝過程中，正火處理的目 的也是消除鍛造應(yīng)力，均勻組織，使同批坯料硬度相同，利于切削加工，改善齒輪表面加工質(zhì)量。大型齒輪也常用 正火作為最終熱處理，正火齒輪的力學性能不如調(diào)質(zhì)齒輪，故僅用于制造不重要的大型齒輪，材料多用優(yōu)質(zhì)中碳鋼 （