齒輪常用材料的選擇及其熱處理工藝分析

咸長城

摘 要：齒輪材料的選擇和熱處理工藝的應(yīng)用都會在一定程度上決定齒輪材料的質(zhì)量和性能?，F(xiàn)在隨著工藝水平的提高，應(yīng)用于齒輪制造的材料類型越來越多，很多常用的材料如鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵和其他金屬、非金屬材料都可以應(yīng)用于制造齒輪。同時熱處理方式也非常多，如滲碳、滲氮、表面淬火等等方式都已經(jīng)得到了推廣，所以總體上來看，齒輪的熱處理工藝更復(fù)雜。針對不同的齒輪，我們要在材料的選擇和工藝的采用上都加以重視，這樣才能保證齒輪材料的性能可以得到發(fā)揮。

關(guān)鍵詞：齒輪材料；熱處理；性能；承載能力

齒輪零件應(yīng)用于各種傳動系統(tǒng)當(dāng)中，在齒輪材料工作過程中，也往往承受著最為復(fù)雜的應(yīng)力，不僅僅要齒輪齒根所給的循環(huán)彎曲應(yīng)力，同時也有齒面之間有所形成的力，如果齒面有較大的摩擦力，在齒輪嚙合過程中，也會承受一定量的沖擊力。所以在正常情況下，齒輪的使用過程中，要避免齒面的嚴(yán)重磨損，否則非常出現(xiàn)斷齒和疲勞點的生成。對已經(jīng)加工完畢的齒輪零件進(jìn)行熱處理，可以大大提高齒輪材料的抗彎曲能力和硬度，本文針對這些問題進(jìn)行了總結(jié)和分析。

1 齒輪材料的選擇

1.1 齒輪材料選擇的原則

如果齒輪輪齒的沖擊載荷能力和自身的剛度有所不足，則要應(yīng)用有著較強韌性的材料，比如將低碳鋼來進(jìn)行滲碳淬火的方式來進(jìn)行處理，以此來提高材料剛度。

如果閉式變速器和齒輪面在工作中容易出現(xiàn)點蝕，則可以就用具有較高齒面硬度的材料，將碳鋼進(jìn)行表面硬化處理就可以取得較好的效果。

對于運行速度較低、中度荷載并且較易折斷同時較易出現(xiàn)磨損的齒輪，可以應(yīng)用具有較高機械強度和硬度的材料，可能將碳鋼進(jìn)行調(diào)質(zhì)精切，以此來提高材料的綜合機械性。

為了可以便于管理，需要盡量保證所有的齒輪應(yīng)用相同的材料來進(jìn)行加工，這對材料的供應(yīng)也有一定的要求。

如果對于齒輪零件有著較高的尺寸精度需要，可以應(yīng)用合金鋼材料，其有著較強的耐磨性，可以適合于使用需要。

1.2 鑄鐵

鑄鐵材料一般情況下用于制造開式傳動齒輪?；诣T鐵當(dāng)中有石墨材料，可以在工作中起到一定的潤滑作用，大大降低了摩擦力，同時其成本低廉，有著很好的加工性能，所以得到了很廣泛的應(yīng)用。但是鑄鐵材料也有著一定的缺陷，如抗彎能力不足，并且材料脆性較強，這會直接影響到其抗沖擊能力。在灰鑄鐵當(dāng)中，很多常見的基礎(chǔ)型號都可以應(yīng)用于一些承載能力、傳送速度不高，同時對抗沖擊能力沒過高的要求但是設(shè)計緊湊性很強的齒輪體系結(jié)構(gòu)中。如果要應(yīng)用于閉式傳動體系，則可以應(yīng)用球墨鑄鐵，現(xiàn)在已經(jīng)得到了一定的推廣。鑄鐵齒輪對于耐磨性有較高的要求，需要經(jīng)過表面淬火處理，這對齒輪綜合性能的保證來說非常重要。

1.3 鑄鋼材料

如果所需要加工的齒輪有著較大的外廓尺寸，則多應(yīng)用和鑄鋼材料，鑄鋼材料有著較強的承載能力，可以用于制造結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的齒輪，但是和鍛鋼齒輪相比起來，鑄鋼齒輪的強度要低一些。農(nóng)用機械對于齒輪機械的精度要求并不高，所以并不需要進(jìn)行特殊處理，但是用作傳動結(jié)構(gòu)當(dāng)中的齒輪，則需要進(jìn)行處理來保證整體結(jié)構(gòu)的精度，在這種情況下，可以從加工工藝的過程入手，通過正火和退火處理來將應(yīng)力不符合標(biāo)準(zhǔn)的材料加以處理和消除，保證切削加工性能，讓其可以更適合于復(fù)雜加工的需要。如果鑄鋼齒輪的要求較低，并且工作中的轉(zhuǎn)動速度較低，則可以應(yīng)用表面淬火處理，這對于其耐磨性能的提來也說也非常有利。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 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）軟齒面齒輪。軟尺面齒輪，工藝路線：鍛造毛坯→正火→粗車→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：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(dá)8級；制造簡單、經(jīng)濟、生產(chǎn)率高，對精度要求不高。

（2）硬齒面齒輪。采用中碳鋼時的加工工藝過程為：鍛造毛坯→?；智小{(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(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級精度。d.適合批量化生產(chǎn)，如：汽車、機床等中速中載變速箱齒輪。

1.5 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(zhì)量比較小的齒輪而言，硬鋁和超硬鋁則是首選。

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(fù)荷小很多，并且一般都處于中等工作速度（6～10m/s）運轉(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。

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(yīng)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(yīng)力和接觸應(yīng)力較大，對于如此重要的齒輪，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。齒輪芯應(yīng)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(yīng)為35到45HRC之間。此外，在批量生產(chǎn)時，必須注意材料的力學(xué)性能和工藝性能。選用20CrMnTi鋼具有較高的機械性能，經(jīng)過淬火和低溫回火的熱處理后，其表面硬度可達(dá)到58～62HRC，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。

3 總結(jié)

經(jīng)過前文分析我們不難發(fā)現(xiàn)，齒輪材料和選擇可以直接決定齒輪的成品質(zhì)量，同時熱處理工藝的選擇也會在一定程度上提高的齒輪的使用周期，這就需要工作人員可以對于各種材料都有足夠的了解，結(jié)合齒輪的使用要求和使用環(huán)境選擇最為合適的加工工藝，保證齒輪材料的質(zhì)量，這對于齒輪零件質(zhì)量的提高來說非常有利。本文針對齒輪常用材料的選擇和熱處理和工藝進(jìn)行了總結(jié)和分析，希望可以給相關(guān)工作的開展提供一些參考。

參考文獻(xiàn)

[1]鄧玉容.齒輪常用材料的選擇及其熱處理工藝分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（34）：70-70.

[2]杜家熙，王煥琴，傅宇，etal.機械設(shè)計中齒輪材料的選擇及熱處理工藝的確定[J].河南科技學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），1999（1）：34-38.

[3]朱琳，莊思明，張偉.汽車齒輪材料的選擇及其熱處理工藝[J].科技致富向?qū)В?015（6）：38-38.

[4]石勇.淺析材料的選擇及熱處理對齒輪傳動的影響[J].機械管理開發(fā)，2011（1）：61-62.