齿轮常用材料的选择及其热处理工艺分析

齿轮常用材料的选择及其热处理工艺分析

介绍了齿轮常用材料及典型齿轮的热处理工艺，结合常用齿轮材料的性能特点，总结了齿轮材料选用原则及热处理工艺与提高其承载能力以及延长使用寿命之间的关系，旨在通过理论来指导实践。

标签：齿轮材料；热处理；性能；承载能力

引言

齿轮作为传动系统中应用非常广泛的零件，在工作时，所受应力往往是非常复杂的，一是需要承受齿轮齿根部的循环往复的弯曲应力，二还要考虑接触应力以及齿面之间的相互接触所带来的不良影响，同时具有较强的摩擦齿面，齿轮啮合时，它会吸收一定量的冲击载荷。齿轮使用过程应避免齿面磨损太多，甚至以断齿、疲劳点蚀形式失效。合适的热处理工艺能提高齿轮的耐磨性、承载能力和使用寿命，热处理后的齿轮具有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度（抗疲劳点蚀），齿面具有较高的硬度和耐磨性，齿轮心部具有足够的强度和韧性[1]。

齿轮材料的选择以及相关的热处理工艺无论是对于齿轮的质量，又或者是齿轮的使用性能都会产生很大的影响。比较常用的热处理工艺包括：表面淬火、碳氮共渗、渗碳、渗氮、回火、正火等。而对于齿轮材料的选择，锻钢、铸钢、铸铁、有色金属、非金属材料等都是非常理想的选择。

1 齿轮材料及热处理工艺

1.1 锻钢

根据齿面的软硬程度，钢制齿轮包括软齿面齿轮和硬齿面齿轮，它们之间的分界线是布氏硬度为350HBS的时候，大于350HBS为硬齿面，反之则是软齿面。

1.1.1 软齿面齿轮

软尺面齿轮，工艺路线：锻造毛坯→正火→粗车→调质、精加工。常用材料；45#、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB等。软齿面齿轮的特点：性能优良，齿面本身的硬度、强度都理想，齿心的韧性好；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。

1.1.2 硬齿面齿轮

（1）采用中碳钢时的加工工艺过程为：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。

硬齿面齿轮的特点有以下几点：a.齿面硬度高HRC=48-55，接触强度高，耐磨性好。b.齿芯保持调质后的韧性高，耐冲击能力好，承载能力较高。c.精度下降半数，可达7级精度。d.适合批量化生产，如：汽车、机床等中速中载变速箱齿轮。

（2）采用低碳钢时的加工工艺过程为：锻造毛坯→常化→粗切→调质→精切→渗碳淬火→低温回火→磨齿。

常用材料；20Cr、20CrMnTi、20MnB、20CrMnTo。

硬齿面齿轮的特点有以下几点：a.齿面硬度高，承载能力强。b.芯部韧性好，耐冲击。c.适合于高速、重载、过载传动或结构设计排列密集的情况，包括一般用到的机车主传动齿轮以及航空用齿轮。

1.2 铸铁

开式传动齿轮一般是用灰铸铁材料制造，由于灰铸铁组织中的石墨起润滑作用，摩擦系数较小，成本低，切削加工性能好等优点。但是缺点也是非常明显的，比方说抗弯强度不高、材料较脆、抗冲击性能较差。灰铸铁HT200、HT250、HT300等材料常用来制造一些低承载能力、低传动速度，抗冲击能力差，精度要求不高并且结构设计紧凑的齿轮。灰铸铁制造的齿轮更多的用于开式齿轮的传动。对于闭式传动情况，球墨铸铁QT600-3、QT500-7越来越受到市场的欢迎，使用越来越广泛。考虑到铸铁齿轮需要具备较高的耐磨特性，因此铸铁齿轮一般都需要经过铸造应力退火、正常化、加工表面淬火处理，可以改善铸铁齿轮的综合性能，有时候还会用到表面淬火[2]。

1.3 铸钢

铸钢的应用场合多见于外观轮廓尺寸比较大的场合，并且一般的轮廓比较复杂，还需要具备一定的承载能力。如果使用锻造没法顺利进行的时候，那么铸钢就是非常理想的一种选择，而且铸钢齿轮的强度相比锻钢齿轮而言，要低百分之十。一般用于农机方面的铸造齿轮，其精度要求会相对偏低一点。但是如果是用于作为传动件的齿轮，尤其是需要实现精确传动的机械，则对铸造齿轮提出了更高的要求。想要提高铸钢齿轮的精度，可以从加工工艺的过程中着手，进行正火或退火的机械处理，消除应力和硬度不均匀的铸件，提高金属的切削加工性能，以改善零件的综合性能，对于要求较低以及低速工作的铸钢齿轮而言，可用退火或正火处理，如果考虑到齿轮需要有较高的耐磨性，那么表面淬火也是一种选择（如火焰淬火）。

ZG270-500、ZG310-570等铸钢齿轮，铸造之后正火，粗加工后表面淬火+低温回火，可满足性能要求。

1.4 有色金属

黄铜、铝青铜、硅青铜、锡青铜制造的齿轮比较常见。对于抗腐蚀，耐磨性要求较高的齒轮或者是承载能力不大的齿轮而言，这些材料都是非常理想的选择。而对于要求质量比较小的齿轮而言，硬铝和超硬铝则是首选。此外，对于蜗轮蜗杆传动，由于传动比一般都很大，而且需要承载较大的力，所以对于蜗轮蜗杆传动件而言，一般选择锡青铜材料，优点就是可以减少咬合黏着情况的发生。

1.5 非金属材料

在齿轮材料上应用比较广泛的非金属一般有布质、木质、塑料、尼龙等，特别是针对高速轻载的齿轮而言，这些材料的应用较多。工作条件不同，破坏形式的多样化，在选择材料的时候需要进行强度计算，合理的选择。

1.6 齿轮材料的选用原则

（1）齿轮轮齿的冲击载荷和刚度不足应选择良好韧性的

材料，可选用低碳钢，经渗碳淬火处理，以提高刚度。（2）对于高速闭式变速器和齿轮齿面容易点蚀，应选择齿面硬度好，材质好，可用于表面硬化处理中碳钢。（3）对低速中载且轮齿容易折断、点蚀、磨损等情况时的齿轮，应选取机械强度高，齿面硬度高等综合机械性较好的材料，可选中碳钢进行调质精切处理[3]。（4）力求所选材料总类少，方便管理，应该考虑资源和供应情况等方面。（5）当齿轮的结构尺寸精度要求高，耐磨性好时，要采用合金钢。2 典型齿轮选材及热处理工艺

2.1 机床齿轮

机床齿轮的作用是传递动力、改变运动速度和方向，相对于汽车、拖拉机的齿轮而言，机床齿轮所承载的工作负荷小很多，并且一般都处于中等工作速度（6～10m/s）运转比较平稳，因此常选用钢或40Cr钢制造，工艺路线为：下料-锻造-正火-粗加工-调质-粗加工-高频淬火及低温回火-精磨。

锻造以使同一批毛坯具有相同的硬度，便于加工，使组织均匀，减少锻件的应力。普通齿轮，正火处理也可作预先热处理工序。通过调质处理可以提高齿轮综合力学性能，其齿面强度和齿轮心部的韧性都得到了显著的改善，并能承受较大的弯曲应力和冲击应力，通过回火索氏体组织后调质的齿轮，可以使得齿轮在进行淬火处理的时候，具有较小的变形。

高频淬火，增加了齿轮表面的硬度以及耐磨性能，使齿轮表面具有压应力，使齿轮的疲劳损伤降低，在通过高频淬火后应进行相应低温回火，促使淬火的应力得到消除。

2.2 汽车齿轮