常用齿轮材料的选择及其热处理工艺分析

—齿轮材料的选择及其热处理工艺—Page1of6Page1of6齿轮材料的选择及其热处理工艺1、齿轮材料的选择原则齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑的因素也很多，下述几点可供选择材料时参考：1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。例如，用于飞行器上的齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，因此必须选择机械性能高的合金银；矿山机械中的齿轮传动，一般功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高，因此往往选择铸钢或铸铁等材料；家用及办公用机械的功率很小，但要求传动平稳、低噪声或无噪声、以及能在少润滑或无润滑状态下正常工作，因此常选用工程塑料作为齿轮材料。总之，工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用锻造毛坯，可选择锻钢制作。尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢作毛坯。齿轮表面硬化的方法有：渗碳、氨化和表面淬火。采用渗碳上艺时，应选用低碳钢或低碳含金钢作齿轮材料；氨化钢和调质钢能采用氮化工艺；采用表面淬火时，对材料没有特别的要求。3）正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。4）合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。5）飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。6）金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为30～50HBS或更多。当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度差（如小齿轮齿面为淬火并磨制，大齿轮齿面为常化或调质）；且速度又较高时，较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面会起较显著的冷作硬化效应，从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。因此，当配对的两齿轮齿面具有较大的硬度差时，大齿轮的接触疲劳许用应力可提高约20％，但应注意硬度高的齿面，粗糙度值也要相应地减小。2、齿轮材料的选择齿轮齿条是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。齿轮传动通过轮齿互相啮合来传递空间任意两轴间的运动和动力，并可以改变运动的形式和速度。齿轮传动使用范围广，传动比恒定，效率较高，使用寿命。在机械零件产品的设计与制造过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗。如果齿轮材料选择不当，则会出现零件的过早损伤，甚至失效。因此如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。满足材料的机械性能，材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。例如，在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高30-50HBS，是因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄，强度低于大齿轮。为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。另一方面，根据材料的使用性能确定了材料牌号后。要明确材料的机械性能或材料硬度，然后我们可以通过不同的热处理工艺达到所要求的硬度范围，从而赋予材料不同的机械性能。如材料为40Cr合金钢的齿轮，当840-860℃油淬，540-620℃回火时，调质硬度可达28-32HRC，可改善组织、提高综合机械性能；当860-880℃油淬，240—280℃回火时，硬度可达46-51HRC，则钢的表面耐磨性能好，芯部韧性好，变形小；当500-560℃氮化处理，氮化层0.15-0.6mm时，硬度可达52-54HRC，则钢具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲劳强度，较高的抗蚀性和抗胶合性能且变形极小；当通过电镀或表面合金化处里后，则可改善齿轮工作表面摩擦性能，提高抗腐蚀性能3、齿轮常用材料齿轮常用材料摘要：齿轮依靠结构尺寸材料强度承受载荷要求材料具有强度韧性耐磨性齿轮形状复杂齿轮精度要求要求材料工艺常用材料锻钢铸钢铸铁锻钢硬度分为大类HB称为软齿称为硬度HB工艺过程锻造毛坯正火粗车调质加工常用材料SiMnCr液体动静压轴承常用轴壳配轴承轴承的密封类型精密轴承工序间防锈新工艺轴承寿命强化—齿轮材料的选择及其热处理工艺—Page2of6Page2of6试验偏心轴的一种加工详解并联机床的设计理论与关键技术无油轴承带动模具行业革命我国轴承寿命强化试验方兴未艾(一)我国轴承寿命强化试验方兴未艾（二）齿轮是依靠本身的结构尺寸和材料强度来承受外载荷的，这就要求材料具有较高强度韧性和耐磨性；由于齿轮形状复杂，齿轮精度要求高，还要求材料工艺性好。常用材料为锻钢、铸钢、铸铁。一、锻钢根据齿面硬度分为两大类HB＜350时，称为软齿面H8＞350时，称为硬齿面l．齿面硬度HB＜350工艺过程：锻造毛坯→正火--粗车→调质、精加工常用材料；45#、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB特点：具有较好的综合性能，齿面具有较高强度和硬度，齿芯具有较好韧性。热处理后切齿精度可达8级。制造简单、经济、生产率高，对精度要求不高。2．齿面硬度HB＞350采用中碳钢时：工艺过程：锻造毛坯→常化→粗切→调质→精切→高、中频淬火→低温回火→珩齿或研磨剂跑合、电火花跑合。常用材料：45、40Cr、40CrNi。特点：齿面硬度高HRC＝48-55，接触强度高，耐磨性好。齿芯保持调质后的韧性，耐冲击能力好，承载能力较高。精度下降半数，可达7级精度。适用于大量生产，如：汽车、机床等中速中载变速箱齿轮。采用低碳钢时：锻造毛坯→常化→粗切→调质→精切→渗碳淬火→低温回火→磨齿。达6级、7级。常用材料；20Cr、20CrMnTi、20MnB、20CrMnTo。特点：齿面硬度，承载能力强。芯部韧性好，耐冲击。适合于高速、重载、过载传动或结构要求紧凑的场合，机车主传动齿轮、航空齿轮。二、铸钢当齿轮直径d〉400mm，结构复杂，锻造有困难时，可采用铸钢。材料ZG45.ZG55，正火处理。常化，調质。三、铸铁—齿轮材料的选择及其热处理工艺—Page3of6Page3of6抗胶合及抗点蚀能力强，但抗冲击耐磨性差。适合工作平稳，功率不大低速或尺寸较大形状复杂时用。能在缺油条件下工作，适于开式传动。四、非金属材料布质、木质、塑料、尼龙、适于高速轻载。选取材料时应考虑齿轮的工作条件不同，轮齿的破坏形式不同，是确定齿轮强度计算准则和选择材料和热处理的根据。1．对于受冲击载荷时，轮齿容易折断应选用韧性较好的材料，可选用低碳钢渗碳淬火。2．对于高速闭式传动，齿面易点蚀，应选用齿面硬度较好的材料，可选用中碳钢表面淬火。3．对于低速中载，轮齿折断，点蚀，磨损均可发生时，应选取机械强度，齿面硬度等综合机械性能好的材料，可选中碳钢调质精切。4．力求材料品种少，便于管理，考虑资源和供应情况。5．当结构尺寸要求紧凑，耐磨性高时，要采用合金钢。6．制造单位的设备及技术情况4、齿轮材料的选择基本要求：齿面要硬，齿心要韧表：常用材料及机械性能材料牌号热处理方法强度极限σB（MPa）屈服极限σS（MPa）硬度（HBS）齿芯部齿面HT250250HT300300HT350350QT500-5常化500QT600-2600ZG310-570580320ZG340-64065035045580290ZG340-640调质7003804565036030CrMnSi110090035SiMn75045038SiMnMo70055040Cr70050045调质后表面淬火440Cr20Cr渗碳后淬火65040030020CrMnTi110085012Cr2Ni4110085032020Cr2Ni41200110035035CrAIA调质后氮化（氮化层厚σ≥0.3~0.5mm）95075085038CrMoALA1000850夹布胶带100注：40Cr钢可用40MnVB替代；20Cr、20CrMnTi钢可用20Mn2B或20MnVB替代—齿轮材料的选择及其热处理工艺—Page4of6Page4of651、锻钢钢材的韧性好，耐冲击，还可以通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提高齿面硬度，故最适应于用来制造齿轮。除尺寸过大（da＞400~600mm）或者是结构形状复杂只宜铸造者外，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量在(0.15～0.6)%的碳钢或合金钢。制造齿轮的锻钢可分为：软齿面（硬度≤350HBS）：经热处理后切齿的齿轮所用的锻钢对于强度、速度及精度都要求不高的齿轮，应采用以便于切齿，并使刀具不致迅速磨损变钝。因此，应将齿轮毛坯经过正火（正火）或调质处理后切齿。切制后即为成品。其精度一般为8级，精切时可达7级。这类齿轮制造简便、经济、生产效率高。硬齿面（硬度＞350HBS）：需进行精加工的齿轮所用的锻钢高速、重载及精密机器（如精密机床、航空发动机）所用的主要齿轮传动，除要求材料性能优良，轮齿具有高强度及齿面具有高硬度（如58～65HRC）外，还应进行磨齿等精加工。需精加工的齿轮目前多是先切齿，再做表面硬化处理，最后进行精加工，精度可达5级或4级。这类齿轮精度高，价格较贵，所以热处理方法有表面淬火、滲碳、氮化、软氮化及氰化等。所以材料视具体要求及热处理方法而定。合金钢根据所含金属的成分及性能，可分别使材料的韧性、耐冲击、耐磨及抗胶合的性能等获得提高，也可通过热处理或化学热处理改善材料的力学性能及提高齿面的硬度。所以对于既是高速、重载又要求尺寸小、质量小的航空用齿轮，就都用性能优良的合金钢（如20CrMnTi，20Cr2Ni4A等）来制造。2、铸钢铸钢的耐磨性及强度均较好，但应经退火及正火处理，必要时也可进行调质。铸钢常用于尺寸较大的齿轮。3．铸铁灰铸铁性质较脆，抗冲击及耐磨性都较差，但抗胶合及抗点蚀的能力较好。灰铸铁齿轮常用于工作平稳、速度较低、功率不大的场合。4．非金属材料对高速轻载及精度不高的齿轮传动，为了降低噪声，常用非金属材料（如夹布胶木、尼龙等）做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。为使大齿轮具有足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为250～350HBS。6、齿轮的材料及毛坯是什么1．高精齿轮的材料及热处理高精齿轮的材料及热处理对高精齿轮的使用性能和寿命有很大的影响，选择时主要考虑高精齿轮的工作条件、结构尺寸、失效形式(如折断、磨损或点蚀等)，使其具有良好的力学性能。常用的高精齿轮材料及其热处理方法有：(1)中碳钢(如45钢)进行调质或表面淬火，综合力学性能较好，用于低速、轻载或中载的一些不重要的齿轮。(2)合金调质钢(如40Cr)进行调质或表面淬火，综合力学性能更好，且热处理变形小，适用于中速、中载及精度要求较高的高精齿轮。(3)合金渗碳钢(如20Cr，20CrMnTi)进行渗碳淬火或液体碳氮共渗，齿面硬度可达58HRC，且心部有较高韧性，适用于高速、重载和或有冲击载荷的高精齿轮。(4)铸铁及其他非金属材料(如尼龙、夹布胶木等)。这些材料强度低、易加工，适用于一些轻载的齿轮。2．高精齿轮毛坯高精齿轮毛坯的选择取决于高精齿轮的材料、结构形式与尺寸、使用条件及生产批量等因素。常用的高精齿轮毛坯有：(1)下料件用于一些不重要，受力不大且尺寸较小，结构简单的齿轮。(2)锻件用于重要而受力较大的高精齿轮。(3)铸钢件用于直径大或结构形状复杂，不宜锻造的齿轮。(4)铸铁件用于受力小，无冲击的开式传动的齿轮。制造齿轮可采用各种类型的材料；通常被选用的材料取决于齿轮的制造方法及齿轮将来的实际用途。齿轮可采用铸造、切削或挤压等方法制造。制作齿轮的典型材料有铸铁、铸钢、普通碳素钢、合金钢、铝、磷青铜、酚醛塑料和尼龙等。—齿轮材料的选择及其热处理工艺—Page5of6Page5of6直齿圆柱齿轮