齒輪常用材料的選擇及其熱處理工藝分析

鄧玉容

摘 要：介紹了齒輪常用材料及典型齒輪的熱處理工藝，結(jié)合常用齒輪材料的性能特點(diǎn)，總結(jié)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(zhǎng)使用壽命之間的關(guān)系，旨在通過(guò)理論來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：齒輪材料；熱處理；性能；承載能力

中圖分類(lèi)號(hào)：TG162.73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）34-0070-02

引言

齒輪作為傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛的零件，在工作時(shí)，所受應(yīng)力往往是非常復(fù)雜的，一是需要承受齒輪齒根部的循環(huán)往復(fù)的彎曲應(yīng)力，二還要考慮接觸應(yīng)力以及齒面之間的相互接觸所帶來(lái)的不良影響，同時(shí)具有較強(qiáng)的摩擦齒面，齒輪嚙合時(shí)，它會(huì)吸收一定量的沖擊載荷。齒輪使用過(guò)程應(yīng)避免齒面磨損太多，甚至以斷齒、疲勞點(diǎn)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(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度（抗疲勞點(diǎn)蝕），齒面具有較高的硬度和耐磨性，齒輪心部具有足夠的強(qiáng)度和韌性[1]。

齒輪材料的選擇以及相關(guān)的熱處理工藝無(wú)論是對(duì)于齒輪的質(zhì)量，又或者是齒輪的使用性能都會(huì)產(chǎn)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(duì)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(shí)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(chē)→調(diào)質(zhì)、精加工。常用材料；45#、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB等。軟齒面齒輪的特點(diǎn)：性能優(yōu)良，齒面本身的硬度、強(qiáng)度都理想，齒心的韌性好；熱處理后切齒精度可達(dá)8級(jí)；制造簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)率高，對(duì)精度要求不高。

1.1.2 硬齒面齒輪

（1）采用中碳鋼時(shí)的加工工藝過(guò)程為：鍛造毛坯→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。

硬齒面齒輪的特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：a.齒面硬度高 HRC=48-55，接觸強(qiáng)度高，耐磨性好。b.齒芯保持調(diào)質(zhì)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(dá)7級(jí)精度。d.適合批量化生產(chǎn)，如：汽車(chē)、機(jī)床等中速中載變速箱齒輪。

（2）采用低碳鋼時(shí)的加工工藝過(guò)程為：鍛造毛坯→常化→粗切→調(diào)質(zhì)→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(diǎn)有以下幾點(diǎn)：a.齒面硬度高，承載能力強(qiáng)。b.芯部韌性好，耐沖擊。c.適合于高速、重載、過(guò)載傳動(dòng)或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)排列密集的情況，包括一般用到的機(jī)車(chē)主傳動(dòng)齒輪以及航空用齒輪。

1.2 鑄鐵

開(kāi)式傳動(dòng)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(rùn)滑作用，摩擦系數(shù)較小，成本低，切削加工性能好等優(yōu)點(diǎn)。但是缺點(diǎn)也是非常明顯的，比方說(shuō)抗彎強(qiáng)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(lái)制造一些低承載能力、低傳動(dòng)速度，抗沖擊能力差，精度要求不高并且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊的齒輪?；诣T鐵制造的齒輪更多的用于開(kāi)式齒輪的傳動(dòng)。對(duì)于閉式傳動(dòng)情況，球墨鑄鐵QT600-3、QT500-7越來(lái)越受到市場(chǎng)的歡迎，使用越來(lái)越廣泛?？紤]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(jīng)過(guò)鑄造應(yīng)力退火、正?；⒓庸け砻娲慊鹛幚?，可以改善鑄鐵齒輪的綜合性能，有時(shí)候還會(huì)用到表面淬火[2]。

1.3 鑄鋼

鑄鋼的應(yīng)用場(chǎng)合多見(jiàn)于外觀輪廓尺寸比較大的場(chǎng)合，并且一般的輪廓比較復(fù)雜，還需要具備一定的承載能力。如果使用鍛造沒(méi)法順利進(jìn)行的時(shí)候，那么鑄鋼就是非常理想的一種選擇，而且鑄鋼齒輪的強(qiáng)度相比鍛鋼齒輪而言，要低百分之十。一般用于農(nóng)機(jī)方面的鑄造齒輪，其精度要求會(huì)相對(duì)偏低一點(diǎn)。但是如果是用于作為傳動(dòng)件的齒輪，尤其是需要實(shí)現(xiàn)精確傳動(dòng)的機(jī)械，則對(duì)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(guò)程中著手，進(jìn)行正火或退火的機(jī)械處理，消除應(yīng)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(duì)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(jiàn)。對(duì)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(duì)于要求質(zhì)量比較小的齒輪而言，硬鋁和超硬鋁則是首選。此外，對(duì)于蝸輪蝸桿傳動(dòng)，由于傳動(dòng)比一般都很大，而且需要承載較大的力，所以對(duì)于蝸輪蝸桿傳動(dòng)件而言，一般選擇錫青銅材料，優(yōu)點(diǎn)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(yīng)用比較廣泛的非金屬一般有布質(zhì)、木質(zhì)、塑料、尼龍等，特別是針對(duì)高速輕載的齒輪而言，這些材料的應(yīng)用較多。工作條件不同，破壞形式的多樣化，在選擇材料的時(shí)候需要進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)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(yīng)選擇良好韌性的

材料，可選用低碳鋼，經(jīng)滲碳淬火處理，以提高剛度。（2）對(duì)于高速閉式變速器和齒輪齒面容易點(diǎn)蝕，應(yīng)選擇齒面硬度好，材質(zhì)好，可用于表面硬化處理中碳鋼。（3）對(duì)低速中載且輪齒容易折斷、點(diǎn)蝕、磨損等情況時(shí)的齒輪，應(yīng)選取機(jī)械強(qiáng)度高，齒面硬度高等綜合機(jī)械性較好的材料，可選中碳鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)精切處理[3]。（4）力求所選材料總類(lèi)少，方便管理，應(yīng)該考慮資源和供應(yīng)情況等方面。（5）當(dāng)齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸精度要求高，耐磨性好時(shí)，要采用合金鋼。endprint

2 典型齒輪選材及熱處理工藝

2.1 機(jī)床齒輪

機(jī)床齒輪的作用是傳遞動(dòng)力、改變運(yùn)動(dòng)速度和方向，相對(duì)于汽車(chē)、拖拉機(jī)的齒輪而言，機(jī)床齒輪所承載的工作負(fù)荷小很多，并且一般都處于中等工作速度（6～10m/s） 運(yùn)轉(zhuǎn)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(diào)質(zhì)-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(yīng)力。普通齒輪，正火處理也可作預(yù)先熱處理工序。通過(guò)調(diào)質(zhì)處理可以提高齒輪綜合力學(xué)性能，其齒面強(qiáng)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(yīng)力和沖擊應(yīng)力，通過(guò)回火索氏體組織后調(diào)質(zhì)的齒輪，可以使得齒輪在進(jìn)行淬火處理的時(shí)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(yīng)力，使齒輪的疲勞損傷降低，在通過(guò)高頻淬火后應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)低溫回火，促使淬火的應(yīng)力得到消除。

2.2 汽車(chē)齒輪

汽車(chē)齒輪的工作條件比機(jī)床齒輪的工作條件差很多，在主傳動(dòng)系統(tǒng)中，齒輪的應(yīng)力較大，對(duì)齒輪的影響很大，所以對(duì)齒輪材料的要求很高。由于汽車(chē)齒輪的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力較大，對(duì)于如此重要的齒輪，需要進(jìn)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(qiáng)。齒輪芯應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性，需要淬透性要求較高的材料，心部硬度應(yīng)為35到45HRC之間。此外，在批量生產(chǎn)時(shí)，必須注意材料的力學(xué)性能和工藝性能[4]。

選用20CrMnTi鋼具有較高的機(jī)械性能，經(jīng)過(guò)淬火和低溫回火的熱處理后，其表面硬度可達(dá)到58～62 HRC，心部硬度可以達(dá)到30～45HRC。如果想增加表面應(yīng)力也應(yīng)采用噴丸處理，使表面壓應(yīng)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(qiáng)，抗疲勞較大的硬化層，同時(shí)使心部獲得強(qiáng)韌的低碳回火馬氏體、細(xì)珠光體或鐵素體層；然后在通過(guò)噴丸處理使齒面硬度增大到1-3HRC，使表面殘余壓應(yīng)力增大，從而提高接觸疲勞強(qiáng)度[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

在選擇齒輪材料時(shí)，如果能夠根據(jù)齒輪的性能來(lái)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(guān)技術(shù)人員掌握各種材料的相關(guān)理論，在選擇材料的時(shí)候做出合理的選擇，根據(jù)相關(guān)齒輪的基本要求進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，使齒輪達(dá)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(xiàn)：

[1]趙越超，付瑩.齒輪材料的選擇及熱處理[J].煤礦機(jī)械，2007.

[2]李玉平.常用齒輪材料的選擇及其熱工藝處理分析[J].新余高專(zhuān)學(xué)報(bào)，2006.

[3]石勇.淺析材料的選擇及熱處理對(duì)齒輪傳動(dòng)的影響[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2011.

[4]林江.機(jī)械制造基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[5]楊瑞成，胡勇.機(jī)械工程材料[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2012.endprint