齒輪常用材料的選擇及其熱處理工藝分析

齒輪常用材料的選擇及其熱處理工藝分析介紹了齒輪常用材料及典型齒輪的熱處理工藝，結合常用齒輪材料的性能特點，總結了齒輪材料選用原則及熱處理工藝與提高其承載能力以及延長使用壽命之間的關系，旨在通過理論來指導實踐。標簽：齒輪材料；熱處理；性能；承載能力引言齒輪作為傳動系統(tǒng)中應用非常廣泛的零件，在工作時，所受應力往往是非常復雜的，一是需要承受齒輪齒根部的循環(huán)往復的彎曲應力，二還要考慮接觸應力以及齒面之間的相互接觸所帶來的不良影響，同時具有較強的摩擦齒面，齒輪嚙合時，它會吸收一定量的沖擊載荷。齒輪使用過程應避免齒面磨損太多，甚至以斷齒、疲勞點蝕形式失效。合適的熱處理工藝能提高齒輪的耐磨性、承載能力和使用壽命，熱處理后的齒輪具有高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度（抗疲勞點蝕），齒面具有較高的硬度和耐磨性，齒輪心部具有足夠的強度和韌性[1]。齒輪材料的選擇以及相關的熱處理工藝無論是對于齒輪的質量，又或者是齒輪的使用性能都會產生很大的影響。比較常用的熱處理工藝包括：表面淬火、碳氮共滲、滲碳、滲氮、回火、正火等。而對于齒輪材料的選擇，鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵、有色金屬、非金屬材料等都是非常理想的選擇。1齒輪材料及熱處理工藝1.1鍛鋼根據(jù)齒面的軟硬程度，鋼制齒輪包括軟齒面齒輪和硬齒面齒輪，它們之間的分界線是布氏硬度為350HBS的時候，大于350HBS為硬齒面，反之則是軟齒面。1.1.1軟齒面齒輪軟尺面齒輪，工藝路線：鍛造毛坯→正火→粗車→調質、精加工。常用材料；45#、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB等。軟齒面齒輪的特點：性能優(yōu)良，齒面本身的硬度、強度都理想，齒心的韌性好；熱處理后切齒精度可達8級；制造簡單、經濟、生產率高，對精度要求不高。1.1.2硬齒面齒輪（1）采用中碳鋼時的加工工藝過程為：鍛造毛坯→常化→粗切→調質→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。硬齒面齒輪的特點有以下幾點：a.齒面硬度高HRC=48-55，接觸強度高，耐磨性好。b.齒芯保持調質后的韌性高，耐沖擊能力好，承載能力較高。c.精度下降半數(shù)，可達7級精度。d.適合批量化生產，如：汽車、機床等中速中載變速箱齒輪。（2）采用低碳鋼時的加工工藝過程為：鍛造毛坯→?；智小{質→精切→滲碳淬火→低溫回火→磨齒。常用材料；20Cr、20CrMnTi、20MnB、20CrMnTo。硬齒面齒輪的特點有以下幾點：a.齒面硬度高，承載能力強。b.芯部韌性好，耐沖擊。c.適合于高速、重載、過載傳動或結構設計排列密集的情況，包括一般用到的機車主傳動齒輪以及航空用齒輪。1.2鑄鐵開式傳動齒輪一般是用灰鑄鐵材料制造，由于灰鑄鐵組織中的石墨起潤滑作用，摩擦系數(shù)較小，成本低，切削加工性能好等優(yōu)點。但是缺點也是非常明顯的，比方說抗彎強度不高、材料較脆、抗沖擊性能較差?；诣T鐵HT200、HT250、HT300等材料常用來制造一些低承載能力、低傳動速度，抗沖擊能力差，精度要求不高并且結構設計緊湊的齒輪?；诣T鐵制造的齒輪更多的用于開式齒輪的傳動。對于閉式傳動情況，球墨鑄鐵QT600-3、QT500-7越來越受到市場的歡迎，使用越來越廣泛。考慮到鑄鐵齒輪需要具備較高的耐磨特性，因此鑄鐵齒輪一般都需要經過鑄造應力退火、正?；?、加工表面淬火處理，可以改善鑄鐵齒輪的綜合性能，有時候還會用到表面淬火[2]。1.3鑄鋼鑄鋼的應用場合多見于外觀輪廓尺寸比較大的場合，并且一般的輪廓比較復雜，還需要具備一定的承載能力。如果使用鍛造沒法順利進行的時候，那么鑄鋼就是非常理想的一種選擇，而且鑄鋼齒輪的強度相比鍛鋼齒輪而言，要低百分之十。一般用于農機方面的鑄造齒輪，其精度要求會相對偏低一點。但是如果是用于作為傳動件的齒輪，尤其是需要實現(xiàn)精確傳動的機械，則對鑄造齒輪提出了更高的要求。想要提高鑄鋼齒輪的精度，可以從加工工藝的過程中著手，進行正火或退火的機械處理，消除應力和硬度不均勻的鑄件，提高金屬的切削加工性能，以改善零件的綜合性能，對于要求較低以及低速工作的鑄鋼齒輪而言，可用退火或正火處理，如果考慮到齒輪需要有較高的耐磨性，那么表面淬火也是一種選擇（如火焰淬火）。ZG270-500、ZG310-570等鑄鋼齒輪，鑄造之后正火，粗加工后表面淬火+低溫回火，可滿足性能要求。1.4有色金屬黃銅、鋁青銅、硅青銅、錫青銅制造的齒輪比較常見。對于抗腐蝕，耐磨性要求較高的齒輪或者是承載能力不大的齒輪而言，這些材料都是非常理想的選擇。而對于要求質量比較小的齒輪而言，硬鋁和超硬鋁則是首選。此外，對于蝸輪蝸桿傳動，由于傳動比一般都很大，而且需要承載較大的力，所以對于蝸輪蝸桿傳動件而言，一般選擇錫青銅材料，優(yōu)點就是可以減少咬合黏著情況的發(fā)生。1.5非金屬材料在齒輪材料上應用比較廣泛的非金屬一般有布質、木質、塑料、尼龍等，特別是針對高速輕載的齒輪而言，這些材料的應用較多。工作條件不同，破壞形式的多樣化，在選擇材料的時候需要進行強度計算，合理的選擇。1.6齒輪材料的選用原則（1）齒輪輪齒的沖擊載荷和剛度不足應選擇良好韌性的材料，可選用低碳鋼，經滲碳淬火處理，以提高剛度。（2）對于高速閉式變速器和齒輪齒面容易點蝕，應選擇齒面硬度好，材質好，可用于表面硬化處理中碳鋼。（3）對低速中載且輪齒容易折斷、點蝕、磨損等情況時的齒輪，應選取機械強度高，齒面硬度高等綜合機械性較好的材料，可選中碳鋼進行調質精切處理[3]。（4）力求所選材料總類少，方便管理，應該考慮資源和供應情況等方面。（5）當齒輪的結構尺寸精度要求高，耐磨性好時，要采用合金鋼。2典型齒輪選材及熱處理工藝2.1機床齒輪機床齒輪的作用是傳遞動力、改變運動速度和方向，相對于汽車、拖拉機的齒輪而言，機床齒輪所承載的工作負荷小很多，并且一般都處于中等工作速度（6～10m/s）運轉比較平穩(wěn)，因此常選用鋼或40Cr鋼制造，工藝路線為：下料-鍛造-正火-粗加工-調質-粗加工-高頻淬火及低溫回火-精磨。鍛造以使同一批毛坯具有相同的硬度，便于加工，使組織均勻，減少鍛件的應力。普通齒輪，正火處理也可作預先熱處理工序。通過調質處理可以提高齒輪綜合力學性能，其齒面強度和齒輪心部的韌性都得到了顯著的改善，并能承受較大的彎曲應力和沖擊應力，通過回火索氏體組織后調質的齒輪，可以使得齒輪在進行淬火處理的時候，具有較小的變形。高頻淬火，增加了齒輪表面的硬度以及耐磨性能，使齒輪表面具有壓應力，使齒輪的疲勞損傷降低，在通過高頻淬火后應進行相應低溫回火，促使淬火的應力得到消除。2.2汽車齒輪汽車齒輪的工作條件比機床齒輪的工作條件差很多，在主傳動系統(tǒng)中，齒輪的應力較大，對齒輪的影響很大，所以對齒輪材料的要求很高。由于汽車齒輪的彎曲應力和接觸應力較大，對于如此重要的齒輪，需要進行滲碳處理和淬火熱處理，使齒輪的耐磨性和耐疲勞性增強。齒輪芯應具有足夠的強度和韌性，需要淬透性要求較高的材料，心部硬度應為35到45HRC之間。此外，在批量生產時，必須注意材料的力學性能和工藝性能[4]。選用20CrMnTi鋼具有較高的機械性能，經過淬火和低溫回火的熱處理后，其表面硬度可達到58～62HRC，心部硬度可以達到30～45HRC。如果想增加表面應力也應采用噴丸處理，使表面壓應力增大。因此滲碳齒輪的工藝路線為：下料-鍛造-正火-切削加工-滲碳、淬火及低溫回火-噴丸-磨削加工。鍛造能夠是工件齒輪成形，改善組織，使韌性增大；正火能夠讓組織變得均勻、提高硬度、改善切削加工；“滲碳、淬火+低溫回火”能夠使齒端面獲得耐磨性增強，抗疲勞較大的硬化層，同時使心部獲得強韌的低碳回火馬氏體、細珠光體或鐵素體層；然后在通過噴丸處理使齒面硬度增大到1-3HRC，使表面殘余壓應力增大，從而提高接觸疲勞強度[5]。3結束語在選擇齒輪材料時，如果能夠根據(jù)齒輪的性能來選擇合理的材料，將有助于提高齒輪的使用壽命和承載能力，需要相關技術人員掌握各種材料的相關理論，在選擇材料的時候做出合理的選擇，根據(jù)相關齒輪的基本要求進行相應的熱處理，使齒輪達到所需要的精度，并且提高它的承載能力和使用壽命。參考文獻：[1]趙越超，付