齿轮类零部件的选材和热加工处理方法简述

齿轮类零部件的选材和热加工

处理方法简述

摘要：分析了齿轮类零部件材料的正确选择及热加工处理工艺（热处理工艺、焊接

工艺）采用电子束焊接这类零部件，合理匹配齿轮的选材和热处理工艺，可有效防止在制造和运行时产生的失效，从而保证了零部件的制造质量和安全运行，提高了生产效率。

关键词：齿轮类零部件;选材;热处理;焊接

正文

航空产品的设计、材料和制造技术三者相辅相成，相互促进，相互制约。在飞行器中，大大小小的零件为飞行器的正常工作提供保障，其中一种就是齿轮。齿轮类零件主要用来变速并传递力矩，是机械中应用极为广泛的基本元件。钢质齿轮由于材料强度高，又可热处理，因此，在机械制造业中具有特别重要的地位。美国齿轮制造协会（AGMA）认为，齿轮强度与耐用度取决于选用钢材，热处理以及焊接，若这些因素掌握不当，制造后在运行时常常易出现失效等断裂事故，甚至还可能诱发安全事故，造成重大经济损失，基于此，本文探讨了齿轮类零件的正确选材，热处理及其焊接，以确保这类零件的制造质量和安全运行，提高经济效益。

1 齿轮类零部件的材料选择

1.1 齿轮类零部件材料选用基本原则及方法

首先分析零件工作条件，结合实际零件常见的失效现象以确定机器零件最关键的性能要求并将其作为正确选材、确定零件的成分及热处理等的依据。机械零件丧失其规定功能的现象称为失效，其失效的主要形式可归纳为3大类：变形失效、断裂失效、表面损伤失效。其原因大体可分为设计、原材料、各种加工工艺以及装配使用4个方面，见图1。

1.2典型零件的选材及热处理工艺

表2 是美国的一个关于齿轮失效形式及原因的统计资料。由统计结果可看出，断裂是齿轮失效的主要形式，其次是表面疲劳断裂，再其次是表面损伤的磨损，最后是塑性变形。因此选材时应着重考虑材料的硬度和淬硬性问题做到尽可能合理选择材料。

2齿轮类零部件的焊接

2.1 焊接方法的选择

齿轮类零部件在加工工艺中若采用焊接结构，对于焊接质量（高强度、小变形）的控制必须提出很高的要求，通过比较分析可以采用电子束焊焊接方法。其主要优点为：

a.电子束能量密度高,具有变形小、热影响区小、焊缝成形美观等特点。

b.

焊缝

的物

理性

能好。

焊接

速度

快，能

避免晶粒长大。增强金属延展性；热输入区域小碳和其他合金元素析出少，焊缝抗腐蚀性能好，这是氩弧焊以及常规焊无法比拟的。

c.电子束焊可简化工艺，修复断轴，修复其他因机械加工超差的孔和槽面等部位。

d.常规焊接技术加工周期长、效率低，有些齿轮由于受结构的限制，退刀槽小，不能磨齿，影响齿轮的制造精度且热处理变形大，废品率较高，用电子束焊接便可克服上述弊病。

2.2焊接工艺的确定

齿轮类零部件材料一般选用优质碳素钢或合金结构钢，材料的化学成分不同，热处理状态不同，则其焊接性有明显差异。近年来，电子束焊接技术得到了迅速发展，尤其在齿轮类零部件的焊接中得到了广泛的应用。齿轮类零部件的电子束焊接工艺主要有：

a.焊前清洗。电子束焊对零件的焊接面清洗要求比较高，将油、锈、氧化物以及其他杂质等清除干净。清除后，内及时焊接，以免受潮及污染。齿轮的加工流程一般为：毛坯制造→半精车→热处理调质→精车→渗碳淬火→滚齿→磨外径、内径磨齿→成品电子束拼焊→超声波检查工序。对成品件的清洗也是关键工序，一般用金属清洗剂清洗后，再用100#汽油清洗,

丙酮擦干被焊表面，决不允许有油脂、砂粒尘埃存在，否则焊缝会出现气孔和夹渣等焊接缺陷。

b.装配及定位。齿轮类零部件焊前的装配精度也十分重要，焊前一定要对装配的精度和焊缝对中严格把关。用夹具将工件夹紧定位，装于电子束焊设备上，电子束焊端面不允许有倒角，焊缝配合间隙最大为0.03mm，否则会影响电子束焊接的对准性。

c.焊接参数的选择。其参数主要包括加速电压、束流、焊接速度、聚焦电流、焦点位置以及电子束扫描形式等。其数值主要根据齿轮的大小、焊接溶深、允许变形量、材料的不同而异，一般从线能量着手。通过试验找到合适的焊接参数，对常用齿轮材料20Cr2Ni4而言，其渗碳处理一般应在电子束焊之后，因为电子束焊与其他焊接方法一样，如果被焊接件的ωC>0.5%,可焊性就大为降低。如果需要先渗碳处理再焊接，则需要对焊缝区作防渗保护，

焊缝处不允许有渗碳层存在。先渗碳后焊接，采用电子束预热、焊接、缓冷3步焊接规范，这样可解决渗碳后再焊接的问题。

2.3焊接检验

为确保焊接质量，焊接时必须要进行焊接检验，一般可以用外观检查、探伤、超声波探伤以及破坏性试验等形式来检验焊缝质量和性能，看是否符合齿轮标准要求。焊后探伤不合格或有表面缺陷，还要进行焊接修补。对焊件进行探伤检查未发现气孔和未焊透现象；对焊缝部位的外观与精度检查，焊缝处光滑均匀，没有明显的收缩变形，热影响区造成的变形在允许的0.05mm范围内；按图纸要求进行扭矩试验，在15kN∙m的作用下未发现开裂和变形超差现象。

3 结论

a.齿轮类零部件的材料不同，热处理工艺也不一样，制定合理的热处理工艺是十分必要的。

b.齿轮类零部件的选材和热处理要正确配对，才能获得满意的使用功效。

c.齿轮类零部件的焊接工艺具有独到特点，对焊前的准备工作较严，否则达不到很高焊接质量。

结语

古罗马曾经流传这样的童谣：“钉子缺，蹄铁卸，战马撅；战马撅，骑士绝；骑士绝，战事折；战事折，国家灭。”一个钉子就可能导致一个国家的灭亡，事物是普遍联系的，一个齿轮会起到怎样的作用，我们不敢用事实去验证，在飞机上，那代表着生命。尽管是一个小小的零件，只有达到它的设计要求，只有在严格的选材和加工的条件下，才能发挥它的作用，而且有可能是至关重要的作用。