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(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。標(biāo)簽：齒輪材料；熱處理；性能；承載能力引言齒輪作為傳動(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(xiàn)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(xiàn)：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→?；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(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、正常化、加工表面淬火處理，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(guān)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(mǎn)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。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(xiàn)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58～62HRC，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(xiàn)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