淺談合金材料中不同金屬元素對(duì)齒輪機(jī)械性能和熱處理的影響

仇 朋

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)粉末冶金有限公司，山東 濟(jì)南 271104）

齒輪屬于高強(qiáng)度、高精度元件，在生產(chǎn)制造過(guò)程中，機(jī)械性能以及熱處理性能是兩個(gè)重要的技術(shù)參數(shù)。近年來(lái)，隨著工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化水平的逐年提升，新技術(shù)、新材料、新工藝應(yīng)運(yùn)而生，尤其生產(chǎn)齒輪的合金材料，其中的金屬元素種類不斷增加，這些金屬元素在改善齒輪的機(jī)械性能，延長(zhǎng)齒輪使用壽命等方面發(fā)揮了積極的促進(jìn)作用，進(jìn)而為生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)效益。

1 合金材料中不同金屬元素對(duì)齒輪機(jī)械性能的影響分析

1.1 不同金屬元素的機(jī)械性能分析

20CrMnTi 與20CrNiMo 合金鋼材料強(qiáng)度高、塑性好、韌性優(yōu)良，屬于優(yōu)質(zhì)的耐磨材料，因此，在生產(chǎn)齒輪等易磨損類元件當(dāng)中得到普遍應(yīng)用。這兩種材料中鉻的含量較高，它在合金鋼中的作用主要是提高鋼的強(qiáng)度與硬度，使鋼材料具有良好的抗腐蝕性與抗氧化性，并阻止石墨化，提高淬透性。錳在合金鋼中的主要作用是提高低碳與中碳珠光體鋼的強(qiáng)度以及鋼材料的高溫瞬時(shí)強(qiáng)度，并且在熱處理工序中起到細(xì)化晶粒的作用。鈦在合金鋼中的主要作用是改善鋼的熱強(qiáng)性，提高鋼的抗蠕變性與高溫持久強(qiáng)度，使合金材料在高壓下對(duì)氫的穩(wěn)定性達(dá)到600℃以上，據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)合金材料中的鈦元素含量達(dá)到0.018%時(shí)，材料的沖擊韌性值達(dá)到最高，當(dāng)鈦元素含量在0.03—0.1%之間時(shí)，合金材料的屈服點(diǎn)也將大幅提升，而且鈦元素能夠有效阻止高溫下的石墨化現(xiàn)象。鎳元素在合金材料中的主要作用是提高鋼的強(qiáng)度、低溫韌性以及抗腐蝕能力，并有效改善鋼的加工性與可焊性。而鉬元素在合金鋼中的主要作用是提高鋼的熱強(qiáng)性與淬透性，同時(shí)對(duì)鐵素體具有固溶強(qiáng)化作用[1]。

1.2 對(duì)齒輪耐磨損性的影響

齒輪耐磨損性的一個(gè)重要指標(biāo)是硬度指標(biāo)，隨著加工溫度的變化，合金材料的硬度值也出現(xiàn)較大波動(dòng)，而作為決定合金材料硬度的貝氏體與馬氏體組織，其比例多少將直接影響齒輪成品的硬度。20CrMnTi 合金材料中含有鈦元素，由于鈦元素韌性值較高，但是硬度值卻相對(duì)較低，當(dāng)加工生產(chǎn)的冷卻速度介于16.7℃與46.7℃之間時(shí)，合金材料中的貝氏體與馬氏體的組成比例介于20%—80%之間，此時(shí)，合金材料的硬度值為322HV。而20CrNiMo 合金材料在相同的生產(chǎn)加工條件下，貝氏體組織比例下降到15%，馬氏體組織比例提升至85%，此時(shí)，合金材料的硬度值為411HV，由此可見(jiàn)，20CrNiMo 合金材料對(duì)提高齒輪硬度具有顯著效果。

2 不同金屬元素對(duì)齒輪熱處理性能的影響分析

2.1 鋼的淬透性定義

淬透性是利用試樣淬透層深度與硬度分布來(lái)表征的材料特征，它與合金材料的臨界淬火冷卻速度存在直接關(guān)聯(lián)。其淬透層深度是指由鋼表面量到鋼的半馬氏體區(qū)組織處的深度，其中半馬氏體是指組織中的馬氏體含量占50%，珠光體組織占50%的組織，而個(gè)別鋼種需要量到90%或者95%的半馬氏體組織處。淬硬層深度越大，就表明鋼的淬透性越好。

此外，影響鋼材料淬透性的主要因素包括化學(xué)成分影響、奧氏體晶粒大小的影響、奧氏體均勻程度的影響等。其中，化學(xué)成分影響主要是指碳元素含量多少?zèng)Q定鋼材料淬透性的高低，當(dāng)碳含量小于0.77%時(shí)，臨界冷卻速度明顯降低，此時(shí)，碳曲線右移，鋼的淬透性增大，當(dāng)碳元素含量超過(guò)0.77%時(shí)，鋼的冷卻速度提升，碳曲線左移，此時(shí)，鋼的淬透性下降。奧氏體晶粒大小的影響主要是實(shí)際晶粒度對(duì)鋼的淬透性產(chǎn)生較大影響，粗大的奧氏體，降低鋼的臨界冷卻速度，鋼的淬透性增大，但是，隨著奧氏體晶粒的增大，鋼材料也極易發(fā)生變形或者開(kāi)裂現(xiàn)象。奧氏體均勻程度的影響是指在相同冷卻速度條件下，奧氏體成分越均勻，珠光體形核率越低，此時(shí)鋼的淬透性也逐步提升[2]。

2.2 不同金屬元素對(duì)齒輪淬透性的影響

淬透性是齒輪熱處理過(guò)程中合金材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在齒輪的加工生產(chǎn)過(guò)程中，為了提高齒輪的耐磨性以及抗咬合性，防止合金材料變形，可以將鋼奧氏體溶化后，調(diào)整冷卻速度，使合金材料中馬氏體組織結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變。

由于20CrMnTi 與20CrNiMo 合金材料中包括錳、鉻、鈦、鎳、鉬等金屬元素，而這些元素都能夠提高合金鋼的淬透性，比如以鉬元素為例，在提高合金鋼淬透性方面的優(yōu)勢(shì)明顯高于鉻元素，但是，當(dāng)鉻、錳、鉬三種元素并存于合金材料中時(shí)，能夠有效抑制和降低因其它金屬元素而造成的回火脆性。而對(duì)于鎳元素來(lái)說(shuō)，也是提高鋼材料淬透性的單體金屬元素，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，如果在配比合金材料時(shí)，將鎳元素的含量以千分之一的比例依次增加，隨著鎳元素含量的增加，合金材料的淬透性也逐漸提高。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，20CrMnTi 與20CrNiMo 相比對(duì)，利用20CrMnTi合金材料生產(chǎn)的齒輪，熱變形較大，齒形、齒向、齒距累積公差等技術(shù)參數(shù)均不理想，因此，在生產(chǎn)制造齒輪時(shí)，20CrMnTi 合金材料是較為理想的首選材料。