齿轮硬度要求

二、典型零部件选材及工艺分析金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前的主要工程材料。

高分子材料的强度、刚度较低、易老化，一般不能用于制作承受载荷较大的机械零件。

但其减振性好，耐磨性较好，适于制作受力小、减振、耐磨、密封零件，如轻载齿轮、轮胎等。

陶瓷材料硬而脆，一般也不能用于制作重要的受力零部件。

但其具有高熔点、高硬度、耐蚀性好、红硬性高等特点，可用于制作高温下工作的零部件、耐磨耐蚀零部件及切削刀具等。

复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，具有高比强度、高减振性、高抗疲劳能力、高耐磨性等优异性能，是一种很有发展前途的工程材料。

与以上三类工程材料相比，金属材料具有优良的使用性能和工艺性能，储藏量大，生产成本比较低、广泛用于制作各种重要的机械零件和工程构件，是机械工业中最主要、应用最广泛的一类工程结构材料。

下面介绍几种钢制零部件的选材及热处理工艺分析。

㈠齿轮类零件的选材齿轮是机械工业中应用广泛的重要零件之一，主要用于传递动力、调节速度或方向。

1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。

⑴齿轮的工作条件：①啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。

②传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。

③换挡、启动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载荷。

⑵齿轮的主要失效形式：①断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。

②齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使齿厚变小、齿隙加大。

③接触疲劳；在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。

⑶对齿轮材料的性能要求：①高的弯曲疲劳强度；②高的耐磨性和接触疲劳强度；③轮齿心部要有足够的强度和韧性。

2、典型齿轮的选材⑴机床齿轮机床齿轮的选材是依其工作条件（园周速度、载荷性质与大小、精度要求等）而定的。

表13-3列出了机床齿轮的选材及热处理。

表13-3 机床齿轮的选材及热处理机床传动齿轮工作时受力不大，工作较平稳，没有强烈冲击，对强度和韧性的要求都不太高，一般用中碳钢（例如45钢）经正火或调质后，再经高频感应加热表面淬火强化，提高耐磨性，表面硬度可达52~58HRC。

对于性能要求较高的齿轮，可选用中碳合金钢（例如40Cr等）。

其工艺路线为：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→高频淬火+低温回火→装配。

正火工序作为预备热处理，可改善组织，消除锻造应力，调整硬度便于机械加工，并为后续的调质工序做好组织准备。

正火后硬度一般为180~207HB，其切削加工性能好。

经调质处理后可获得较高的综合力学性能，提高齿轮心部的强度和韧性，以承受较大的弯曲应力和冲击载荷。

调质后的硬度为33~48HRC。

高频淬火+低温回火可提高齿轮表面的硬度和耐磨性，提高齿轮表面接触疲劳强度。

高频加热表面淬火加热速度快，淬火后脱碳倾向和淬火变形小，同时齿面硬度比普通淬火高约2HRC，表面形成压应力层，从而提高齿轮的疲劳强度。

齿轮使用状态下的显微组织为：表面是回火马氏体+残余奥氏体，心部是回火索氏体。

⑵汽车、拖拉机齿轮汽车、拖拉机齿轮的选材及热处理详见表13-4。

表13-4 汽车、拖拉机齿轮常用钢种及热处理①m n—法向模数；②m s—端面模数与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时受力较大，受冲击频繁，因而对性能的要求较高。

这类齿轮通常使用合金渗碳钢（例如：20CrMnTi、20MnVB）制造。

其工艺路线为：备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回大→喷丸→磨削→装配。

正火处理的作用与机床齿轮相同。

经渗碳、淬火+低温回火后，齿面硬度可达58~62HRC，心部硬度为35~45HRC。

齿轮的耐冲击能力、弯曲疲劳强度和接触疲劳强度均相应提高。

喷丸处理能使齿面硬度提高约2~3HRC，并提高齿面的压应力，进一步提高接触疲劳强度。

齿轮在使用状态下的显微组织为：表面是回火马氏体+残余奥氏体+碳化物颗粒，心部淬透时是低碳回火马氏体（+铁素体），未淬透时，是索氏体+铁素体。

㈡轴类零部件的选材轴是机械工业中最基础的零部件之一，主要用以支承传动零部件并传递运动和动力。

1、轴的工作条件，主要失效形式及对性能的要求。

⑴轴的工作条件：①传递扭矩，承受交变扭转载荷作用。

同时也往往承受交变弯曲载荷或拉、压载荷的作用。

②轴颈承受较大的磨擦。

③承受一定的过载或冲击载荷。

⑵轴的主要失效形式：①疲劳断裂由于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用，造成轴的疲劳断裂，这是最主要的失效形式。

②断裂失效由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。

③磨损失效轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。

⑶对轴用材料的性能要求：①高的疲劳强度，以防止疲劳断裂。

②良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。

③良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。

2、典型轴的选材对轴类零部件进行选材时，应根据工作条件和技术要求来决定。

承受中等载荷，转速又不高的轴，大多选用中碳钢（例如45钢），进行调质或正火处理。

对于要求高一些的轴，可选用合金调质钢（例如40Cr）并进行调质处理。

对要求耐磨的轴颈和锥孔部位，在调质处理后需进行表面淬火。

当轴承受重载荷、高转速、大冲击时，应选用合金渗碳钢（例如20CrMnTi）进行渗碳淬火处理。

⑴机床主轴图13-8为C620车床主轴简图。

该主轴承受交变扭转和弯曲载荷。

但载荷和转速不高，冲击载荷也不大。

轴颈和锥孔处有磨擦。

按以上分析，C620车床主轴可选用45钢，经调质处理后，硬度为220~250HB，轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为46~54HRC。

其工艺路图13-8 C620车床主轴简图线为：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→表面淬火+低温回火→磨削→装配。

正火可改善组织、消除锻造缺陷，调整硬度便于机械加工，并为调质做好组织准备。

调质可获得回火索氏体，具有较高的综合力学性能，提高疲劳强度和抗冲击能力。

表面淬火+低温回火可获得高硬度和高耐磨性。

表13-5给出了机床主轴的选材和热处理。

表13-5 根据工作条件推荐选用的机床主轴材料及其热处理工艺资料来源：合金刚手册下册第三分册，治金工业出版,1979年版。

⑵汽轮机主轴汽轮机主轴尺寸大、工作负荷大，承受弯曲、扭转载荷及离心力和温度的联合作用。

汽轮机主轴的主要失效方式是蠕变变形和由白点、夹杂、焊接裂纹等缺陷引起的低应力脆断、疲劳断裂或应力腐蚀开裂。

因此对汽轮机主轴材料除要求其在性能上具有高的强度和足够的塑韧性外，还要求其锻件中不出现较大的夹杂、白点、焊接裂纹等缺陷。

对于在500℃以上工作的主轴还要求其材料具有一定的高温强度。

根据汽轮机的功率和主轴工作温度的不同，所选用的材料也不同。

对于工作在450℃以下的材料，可不必考虑高温强度，如果汽轮机功率较小（<12000kW），且主轴尺寸较小，可选用45钢，如果汽轮机功率较大（>12000kW），且主轴尺寸较大，则须选用35CrMo钢，以提高淬透性。

对于工作在500℃以上的主轴，由于汽轮机功率大（>125000kW），要求高温强度高，需选用珠光体耐热钢，通常高中压主轴选用25CrMoVA 或27Cr2MoVA钢，低压主轴选用15CrMo或17CrMoV钢。

对于工作温度更高，要求更高高温强度的主轴，可选用珠光体耐热钢20Cr3MoWV（<540℃）或铁基耐热合金Cr14Ni26MoTi（<650℃）、Cr14Ni35MoWTiAl（<680℃）制造。

气轮机主轴的工艺路线为：备料→锻造→第一次正火→去氢处理→第二次正火→高温回火→机械加工→成品。

第一次正火可消除锻造内应力；去氢处理的目的是使氢从锻件中扩散出去，防止产生白点；第二次正火是为了细化组织，提高高温强度；高温回火是为了消除正火产生的内应力，使合金元素分布更趋合理（V、Ti充分进入碳化物，Mo充分溶入铁素体），从而进一步提高高温强度。

⑶内燃机曲轴曲轴是内燃机的脊梁骨，工作时受交变的扭转、弯曲载荷以及振动和冲击力的作用。

按内燃机的转速不同可选用不同的材料。

通常低速内燃机曲轴选用正火态的45钢或球黑铸铁；中速的内燃机曲轴选用调质态的45钢、调质态的中碳合金钢（例如40Cr）或球墨铸铁。

高速内燃机曲轴选用强度级别再高一些的合金钢（例如42CrMo等）。

内燃机曲轴的工艺路线为：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→轴颈表面淬火+低温回火→磨削→装配。

各热处理工序的作用与机床主轴的相同。

近年来常采用球墨铸铁代替45钢制作曲轴，其工艺路线为：备料→熔炼→铸造→正火→高温回火→机械加工→轴颈表面淬火+低温回火→装配。

铸造质量是球墨铸铁的关键，首先要保证铸铁的球化良好、无铸造缺陷，然后再经风冷正火，以增加组织中的珠光体含量并细化珠光体，提高其强度，硬度和耐磨性，高温回火的目的是消除正火所造成的内应力。

㈢汽轮机叶片的选材叶片是汽轮机的关键部件，它直接起着将蒸汽或燃气的热能转变为机械能的作用。

1、叶片的工作条件、失效方式及性能要求⑴叶片的工作条件：①受蒸汽或燃气弯矩的作用；②承受中、高压过热蒸汽的冲刷或湿蒸汽的电化学腐蚀或高温燃气的氧化和腐蚀；③受湿蒸汽中的水滴或燃气中的杂质磨损；④气流作用的频率与叶片自振频率相等时产生的共振力的作用。

⑵叶片的失效方式：叶片的失效方式为蠕变变形、断裂（包括振动疲劳断裂、应力腐蚀开裂、蠕变疲劳断裂及热疲劳开裂）和表面损伤（包括氧化、电化学腐蚀和磨损）。

⑶对叶片的性能要求：①高的室温和高温强度、塑性及韧性，以防止蠕变变形和疲劳断裂；②高的化学稳定性，以防止氧化、腐蚀及应力腐蚀开裂；③导热性好，热膨胀系数小，以防止热疲劳破坏；④耐磨性好，以防止冲刷磨损和机械磨损；⑤减振性好，以防止共振疲劳破坏；⑥良好的冷、热加工性能，以利于叶片成型、提高生产效率。

2、叶片的选材及热处理叶片材料的选择主要取决于工作温度。

对于中、低压汽轮机，叶片工作温度不高（<500℃），其失效的主要方式不是蠕变，而是共振疲劳和应力腐蚀开裂，因此，除在结构设计上避免共振外，应选用减振性能好的1Cr13和2Cr13马氏体不锈钢。

对于工作于过热蒸汽中的前级叶片，虽温度较高（450~475℃），但腐蚀不明显，可采用低合金钢20CrMo进行氮化、镀硬铬或堆焊硬质合金。

汽轮机后级叶片的工艺路线为：备料→模锻→退火→机械加工→调质→热整形→去应力退火→机械加工叶片根→镀硬铬→抛光→磁粉探伤→成品。

退火是为了消除锻造应力，细化组织，改善切削加工性能，为调质作组织准备；调质是为了使叶片获得良好的综合力学性能和高温强度；热整形可提高叶片精度，校正热处理变形；去应力退火是为了消除热整形内应力；镀硬铬是为了提高抗氧化和耐蚀性。