齒輪材料的合理選擇

齒輪材料的合理選擇及熱處理齒輪是現(xiàn)代機械中應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，使用壽命長。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。齒輪材料的選擇和齒輪的工作可靠性、使用壽命、工作效率、潤滑要求等密切相關(guān)。在齒輪傳遞動力和改變速度的運動過程中，嚙合齒面之間同時存在滾動和滑動摩擦，齒面還受到脈動或交變彎曲應力的作用，還有齒面可能發(fā)生磨損、膠合及疲勞破壞，因此要求齒輪具有優(yōu)良的耐磨性能、抗接觸疲勞性能和抗彎曲疲勞性能，即要求齒輪材料表面硬度高、強度高、芯部韌性好且硬化層分布合理。在實際選用中還應根據(jù)需要和使用條件如負荷、速度、溫度、可靠性、質(zhì)量、精度、價格等因素來確定齒輪選材。目前，工業(yè)制造領(lǐng)域的齒輪選材主要以鋼為主，包括各種低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼和合金鋼。而鋁、鎂、鈦、銅合金、鑄鐵，甚至塑料和木材等都可用于制作齒輪。通常，為了改善和提高齒輪材料的性能或降低成本，可以采用化學處理、表面強化處理以及復合處理等表面改性技術(shù)。選取齒輪材料要充分考慮材料的經(jīng)濟性、強度和齒輪精度等，不同設(shè)備的需求自然也大為不同。就儀器設(shè)備、家用器具、玩具等小負荷齒輪而言，可以選擇造價低、生產(chǎn)率高的復合塑料齒輪。而坦克、冷軋機等重負荷執(zhí)行機械，則需要材料及加工要求更高的各種金屬和合金材料。如果在航空航天工業(yè)中應用，則要求更高的可靠性、精度和輕重量，制造成本放在次要位置。下面就主要幾類齒輪材料一一進行分析：1、鋼材齒輪用鋼多為合金鋼，少數(shù)為碳鋼。通常為降低成本，可以對中碳鋼和低合金鋼進行各種熱處理以提高其強度和硬度。表面硬化處理亦可提高合金鋼齒輪材料的強度，使其適用于高負載和中等溫度使用的工況。而當齒輪的使用條件進一步提高時，往往需要對齒輪進行淬火以提高其強度和硬度。或通過表面滲碳及表面氧化處理事齒輪表面硬化，以提高其抗疲勞性能，改善其抗膠合和抗磨性能。就發(fā)展趨勢而言，應大力推廣使用強度和硬度較高的硬齒面齒輪，并通過優(yōu)化齒輪選材及潤滑方式來延長齒輪的使用壽命。2、鑄鐵常用的鑄鐵主要包括：灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可煅鑄鐵和合金鑄鐵等4種。與鋼相比較，鑄鐵的合金成分較低，加工性能更好。鑄鐵中存在的游離石墨和多孔性結(jié)構(gòu)使齒輪的耐磨性良好、噪音小、成本低，可以廣泛應用于各類齒輪傳動。由于鑄鐵具有的良好滑動特性，在許多負荷不大、工作條件不苛刻的渦輪傳動中可用鑄鐵渦輪替換銅合金渦輪?？偠灾?，鑄鐵是經(jīng)濟適用的齒輪材料。3、有色金屬齒輪工業(yè)中應用最多的是有色金屬為銅和銅合金。其中常用的是錫青銅和鋁鐵青銅，大多數(shù)用于制造渦輪。但含硫添加劑對銅具有腐蝕作用，應盡量慎用。另外，強度較高和機械加工性能較好的鑄造鋁合金適合制作齒輪或渦輪，但滑動性和抗磨性能稍差，因此僅可用于輕、中負荷和中低轉(zhuǎn)速齒輪。4、非金屬材料目前，隨著材料科學的飛速發(fā)展，不少非金屬材料也越來越多的應用在齒輪產(chǎn)品的制作上，并且某些性能接近或超過了金屬材料。比如，過去在較低負荷下使用的木材齒輪，已逐漸被部分聚合物復合材料成功替代，用于制作輕負荷、中負荷條件下運行的中小型齒輪。高聚合物材料在制作中引入了金屬、金屬氧化物、納米微粒、增強纖維等，可以大幅度提高在各種潤滑條件下的抗摩擦磨損性能。特別是某些要求無油潤滑、可靠性高、污染小等條件的領(lǐng)域，如家用電器、醫(yī)療器械、食品機械和紡織機械等則更適合以聚合物復合材料制作的齒輪。此外，大批量的生產(chǎn)塑料或塑料金屬齒輪可以有效降低生產(chǎn)成本，并且更適用于存在污染及多粉塵的不利環(huán)境。5、粉末燒結(jié)金屬粉末燒結(jié)金屬是指通過在燒結(jié)粉末中引入添加劑（如在鐵粉中添加銅粉），以提高其強度的一種制備工藝較先進的材料形式。另外，將金屬粉末燒結(jié)預成型件加熱到鍛造溫度后還可以對零件進行鍛造加工，從而使得相應齒輪的強度和力學性能接近由鍛造材料制作的齒輪，而成本明顯低于機加工或常規(guī)鍛造工藝，是用于制作高強度齒輪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力，齒根部有最大彎曲應力，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、小齒輪硬度時應注意使小齒輪的齒面硬度比大齒輪的齒面硬度高30-50HBS，這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840-860℃油淬，540-620℃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860-880℃油淬，240—280℃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?00-560℃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??；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。滿足材料的工藝性能材料的工藝性能是指材料本身能夠適應各種加工工藝要求的能力。齒輪的制造要經(jīng)過鍛造、切削加工和熱處理等幾種加工，因此選材時要對材料的工藝性能加以注意。一般來說，碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好，其機械性能可以滿足一般工作條件的要求。但強度不夠高，淬透性較差。而合金鋼淬透性好、強度高，但鍛造、切削加工性能較差。我們可以通過改變工藝規(guī)程、熱處理方法等途經(jīng)來改善材料的工藝性能。例如汽車變速箱中的齒輪選擇20CrMnTi鋼，該鋼具有較高的機械性能，在滲碳淬火低溫回火后，表面硬度為58-62HRC，芯部硬度為30-45HRC。20CrMnTi的工藝性能較好，鍛造后以正火來改善其切削加工性。此外，20CrMnTi還具有較好的淬透性，由于合金元素鈦的影響，對過熱不敏感，故在滲碳后可直接降溫淬火。且滲碳速度較快，過渡層較均勻，滲碳淬火后變形小。適合于制造承受高速中載及沖擊、摩擦的重要零件，因此根據(jù)齒輪的工作條件選用20CrMnTi鋼是比較合適的。為了保證齒輪工作的可靠性，提高其使用壽命，齒輪的材料及其熱處理應根據(jù)工作條件和材料的特點來選取。對齒輪材料的基本要求是：應使齒面具有足夠的硬度和耐磨性，齒心具有足夠的韌性，以防止齒面的各種失效，同時應具有良好的冷、熱加工的工藝性，以達到齒輪的各種技術(shù)要求。常用的齒輪材料為各種牌號的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼、鑄鐵和非金屬材料等。一般多采用鍛件或軋制鋼材。當齒輪結(jié)構(gòu)尺寸較大，輪坯不易鍛造時，可采用鑄鋼。開式低速傳動時，可采用灰鑄鐵或球墨鑄鐵。低速重載的齒輪易產(chǎn)生齒面塑性變形，輪齒也易折斷，宜選用綜合性能較好的鋼材。高速齒輪易產(chǎn)生齒面點蝕，宜選用齒面硬度高的材料。受沖擊載荷的齒輪，宜選用韌性好的材料。對高速、輕載而又要求低噪聲的齒輪傳動，也可采用非金屬材料、如夾布膠木、尼龍等。鋼制齒輪的熱處理方法主要有以下幾種：1．表面淬火常用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr鋼等。表面淬火后，齒面硬度一般為40～55HRC。特點是抗疲勞點蝕、抗膠合能力高，耐磨性好。由于齒心部末淬硬，齒輪仍有足夠的韌性，能承受不大的沖擊載荷。2．滲碳淬火常用于低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr鋼等。滲碳淬火后齒面硬度可達56～62HRC，而齒心部仍保持較高的韌性，輪齒的執(zhí)彎強度和齒面接觸強度高，耐磨性較好，常用于受沖擊載荷的重要齒輪傳動。齒輪經(jīng)滲碳淬火后，輪齒變形較大，應進行磨齒。3．滲氮滲氮是一種表面化學熱處理。滲氮后不需要進行其他熱處理，齒面硬度可達700～900HV。由于滲氮處理后的齒輪硬度高，工藝溫度低，變形小，故適用于內(nèi)齒輪和難以磨削的齒輪，常用于含鉻、銅、鉛等合金元素的滲氮鋼，如38CrMoAlA。4．調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr、35SiMn鋼等。調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度一般為220～280HBS。因硬度不高，輪齒精加工可在熱處理后進行。5．正火正火能消除內(nèi)應力，細化晶粒，改善力學性能和切削性能。機械強度要求不高的齒輪可采用中碳鋼正火處理，大直徑的齒輪可采用鑄鋼正火處理。一般要求的齒輪傳動可采用軟齒面齒輪。為了減小膠合的可能性，并使配對的大小齒輪壽命相當，通常使小齒輪齒面硬度比大齒輪齒面硬度高出30-50HBS。對于高速、重載或重要的齒輪傳動，可采用硬齒面齒輪組合，齒面硬度可大致相同。材料的經(jīng)濟性要求所謂經(jīng)濟性是指最小的耗費取得最大的經(jīng)濟效益。在滿足使用性能的前提下，選用齒輪材料還應注意盡量降低零件的總成本。我們可以從以下幾方面考慮：從材料本身價格來考慮。碳鋼和鑄鐵的價格是比較低廉的，因此在滿足零件機械性能的前提下選用碳鋼和鑄鐵，不僅具有較好的加工工藝性能，而且可降低成本。從金屬資源和供應情況來看，應盡可能減少材料的進口量及價格昂貴材料的使用量。從齒輪生產(chǎn)過程的耗費來考慮。首先，采用不同的熱處理方法相對加工費用也不一樣，如12CrNi3A鋼滲碳表面淬火的費用要比氮化處理的費用少得多，而碳氮共滲又具有生產(chǎn)周期短和成本低的特點。其次，通過改進熱處理工藝也可以降低成本。如某齒輪工作時在高速、中載且承受中等沖擊條件下，原選用中合金高級滲碳鋼18cr2Ni4WA材料，其經(jīng)過910-940℃滲碳，850℃淬火，180-200℃回火后機械性能的抗拉強度≥1177Mpa、屈服強度≥834Mpa、延伸率≥10％、斷面收縮率≥45％，沖擊韌性≥980kJ／m2，硬度為58-62HRC。雖能滿足齒輪的使用性能和工藝性能，但零件的價格高?，F(xiàn)選用價格相對便宜的低碳中合金、中淬透性滲碳鋼20CrMnTi。經(jīng)過910-940℃滲碳，870℃淬火，180-200℃回火后機械性能的抗拉強度≥1100Mpa、屈服強度≥850Mpa、延伸率≥10％、斷面收縮率≥45％，沖擊韌性≥680，硬度為58-62HRC。僅此一項改進，材料費用不僅大大降低，而且滿足了其使用性能和工藝性能。第三，所選鋼種應盡量少而集中，以便采購和管理。隨著齒輪形狀、尺寸和材料向著多品種、多系列和個性化的方向發(fā)展，尤其是在型號多、產(chǎn)量小時，在齒輪鍛造、機加工和熱處理等生產(chǎn)工藝方面，存在著設(shè)計量大，生產(chǎn)周期長、效率低、成本高、能耗大、管理難和質(zhì)量不易保證等不利狀況，因此在齒輪選材時精選、優(yōu)選和壓縮材料牌號和規(guī)格有利于提高選材通用化、系列化和標準化程度，提高材料的利用率，提高材料采購的計劃性，以減少庫存積壓、加快資金流動，方便儲存和保管以及降低材料的成本消耗。最后，我們還可以通過改進工藝來提高經(jīng)濟效益。如模鍛件生產(chǎn)的模鍛工藝已突破傳統(tǒng)工藝的要求，在提供成型毛坯時，可利用少無切削工藝，模鍛與機械精加工相結(jié)合，部分或全部取代切削加工直接生產(chǎn)零件，或在生產(chǎn)中采用成組技術(shù)與工藝，也可提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和降低成本。結(jié)束語綜上所述，在選擇齒輪材料時。必須了解我國工業(yè)發(fā)展形式，結(jié)合我國資源和生產(chǎn)條件，從實際出發(fā)，全面考慮機械性能、工藝性能和經(jīng)濟性等方面的問題，只有合理選材才能保證齒輪質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本，從而提高市場競爭力。GearreasonablechoiceofmaterialsGearsisthemostwidelyusedinmodernmachinesofamechanicaltransmissionparts.Gearsmeshingwitheachothertopassthroughthetoothspacebetweenanytwoaxesofmotionandmomentumandcanchangetheformofmovementandspeed.Theuseofawiderangeofgear,transmissionratioconstant,higherefficiencyandlongservicelife.Inthemechanicalpartsproductdesignandmanufacturingprocess,notonlytoconsiderthepropertiesofthematerialstoadaptpartsoftheworkingconditions,sothatpartsdurableandrequirematerialsprocessingtechnologybetterperformanceandeconomyinordertoimprovepartsproductivity,reducecostsandreduceconsumption.Iftheimpropergearmaterialselectionoccursearlypartsdamageandevenfailure.Therefore,rationalselectionanduseofmetalmaterialsisaveryimportanttask.TomeetthemechanicalpropertiesofmaterialsMaterials,mechanicalproperties,includingstrength,hardness,ductilityandtoughness,whichreflectsthematerialsusedintheprocessofdemonstratedfeatures.Wheninthemeshinggeartoothcontactatacontactstress,themaximumtoothrootbendingstressislikelytoproducephysicalstrengthofgeartoothsurfaceorfailure.Toothsurfacepointshavearelativesliding,willproducewearandtear.Themainfailureintheformofgeartoothsurfacepitting,toothbonding,toothMiansudeformationandtoothfracture,etc..Thereforerequestedthematerialhasahighgearbendingfatiguestrengthandcontactfatiguestrength,toothsurfaceshouldhavesufficienthardnessandwearresistance,thecoredepartmenttohaveacertainstrengthandtoughness.Forexample,indeterminingthelargeandsmallgearhardnessshouldpayattentiontothesmallgeartoothsurfacehardnessthanthebiggeartoothsurfacehardnessofhigh30-50HBS,thisisbecausethesmallnumberofgearbytheloadmorethanthebiggearandpiniontoothrootmorethin,theintensitybelowthelargegear.Forclosetotwogearteethofequalstrength,thesmallgeartoothsurfacethanthelargenumberofgeartoothsurfacehard.ProcessperformancetomeetthematerialOntheotherhand,theuseofthematerialpropertiesofthematerialtodetermine,aftergrades.Toclearthemechanicalpropertiesofmaterialsormaterialhardness,andthenwecanbeofdifferentheattreatmentprocesstoachievetherequiredhardnessrange,givingthemechanicalpropertiesofdifferentmaterials.Suchasmaterialforthe40Cralloysteelgears,whenthe840-860℃oilquenching,540-620℃temperedwhenquenchedandtemperedhardnessofupto28-32HRC,canimprovetheorganizationandimprovethecomprehensivemechanicalproperties;as860-880℃oilquenching,240-280℃tempered,thehardnessofupto46-51HRC,thenthesteelsurface,goodwearresistance,toughnessofthecoredepartmentisgood,distortionissmall;as500-560℃nitrogentreatment,nitrogenlevelswhen0.15-0.6mmhardnessofupto52-54HRC,thesteelhasahighsurfacehardness,highwearresistance,highfatiguestrength,highcorrosionresistanceandanti-seizureperformanceandminimaldistortion;asbyelectroplatingorsurfacealloyingatyearslater,canimprovethefrictionperformancegearworksurfacetoimprovecorrosionresistance.Materials,processperformancereferstothematerialitselftoadapttoavarietyofprocessingtechnologyrequirements.Themanufactureofgearstogothroughforging,machiningandheattreatmentofseveralprocessing,andthereforeselectionprocesswhenthematerialpropertiesofattention.Ingeneral,carbonsteelforging,machiningandotherprocessperformanceisbetter,itsmechanicalpropertiescanmeettherequirementsofthegeneralworkingconditions.Buttheintensityisnothighenoughhardenabilityispoor.Thesteelhasgoodhardenability,highstrength,buttheforging,machiningperformanceispoor.Wecanorderbychangingtheprocess,heattreatmentmethodstoimprovethematerialviaprocessperformance.Forexample,intheautomobiletransmissiongearselection20CrMnTisteel,thesteelhashighmechanicalproperties,inthelow-temperaturetemperingcementiteafterquenching,thesurfacehardnessof58-62HRC,theMinistryofcorehardness30-45HRC.20CrMnTiprocessperformanceisbetter,normalizingafterforgingtoimproveitscuttingproperties.Inaddition,20CrMnTialsohasgoodhardenability,duetotheimpactoftitaniumalloyelementsontheoverheatingisnotsensitive,sointhedirectcoolingaftercarburizingquenching.Andthecarburizingfaster,moreeventransitionlayer,carburizingquenchingdistortionsmall.Suitableforthemanufactureofaffordablehigh-speeduploadandtheimpactoffrictionoftheimportantparts,therefore,accordingtotheworkingconditionsofgearselection20CrMnTisteelismoreappropriate.MaterialrequirementsofeconomicTheso-calledeconomyistheleastcosttoachievemaximumeconomicbenefits.Theuseofperformanceinmeetingunderthepremiseofselectedmaterialshouldalsonotethatgeartominimizethetotalcostofspareparts.Wecanseefromthefollowingaspects:Fromthematerialitselfthepriceintoconsideration.Thepriceofcarbonsteelandcastironisrelativelyinexpensive,andthereforetomeetthepartsunderthepremiseofthemechanicalpropertiesofselectedcarbonsteelandcastiron,notonlyhasgoodperformance,processingtechnology,butalsoreducecosts.Fromthemetalresourcesandsupplysituation,shouldbetominimizetheimportofmaterialsandtheuseofexpensivematerials.Fromthegeartoconsiderthecostoftheproductionprocess.Firstofall,usingdifferentheattreatmentmethodsarenotthesameastherelativeprocessingcosts,suchas12CrNi3Athecostofsteelcarburizedsurfacequenchingthanthecostofdealingwithmuchlessnitrogenandcarbonitridingbutalsohasashortproductioncycleandlowcostcharacteristics.Second,byimprovingtheheattreatmentprocesscanalsoreducecosts.Ifagearworkinhigh-speed,containandwithstandtheimpactofsecondaryconditions,theoriginalselectionofhigh-levelcase-hardenedsteelalloy18cr2Ni4WAmaterials,910-940℃aftercarburizing,850℃quenching,180-200℃annealedmechanicalpropertiesofThetensilestrength≥1177Mpa,yieldstrength≥834Mpa,elongation≥10%,crosssectionshrinkage≥45%,impacttoughness≥980kJ/m2,hardness58-62HRC.Althoughtheuseofgearstomeettheperformanceandprocessperformance,butthehighcostofspareparts.Ischosenrelativelyinexpensive,low-carbonalloy,thehardenabilityofcase-hardenedsteel20CrMnTi.After910-940℃carburizing,870℃quenching,180-200℃annealedmechanicalpropertiesoftensilestrength≥1100Mpa,yieldstrength≥850Mpa,elongation≥10%,crosssectionshrinkage≥45%,impacttoughness≥680,hardness58-62HRC.Thisaloneimproved,costofmaterialsnotonlygreatlyreduced,andtheirusetomeetperformanceandprocessperformance.Third,theselectionofsteelshouldbeminimalandconcentrated,fortheprocurementandmanagement.Withthegearshape,sizeandmaterialtowardmulti-species,multi-familyandpersonalityinthedirectionofdevelopment,especiallyinthemodelnumber,productionhours,inthegearforging,machiningandheattreatmentintheproductionprocess,thereisalargeamountofdesign,productionandalongcycle,lowefficiency,highcost,largeenergyconsumption,managementdifficultiesanddisadvantagesofqualityassuranceisnoteasy,sowhentheselectionofgearselection,optimizationandcompressionmaterials,gradesandspecificationshelptoimproveselectionuniversal,serializationandstandardization,improvematerial