工程材料论文

齿轮材料的选择及其热处理

齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递的功率可达数十万千瓦，圆周速度可达200m/s。为了保证齿轮工作的可靠性，提高其使用寿命，齿轮的材料选择及其热处理是非常关键的。齿轮应按照使用时的工作条件选用合适的材料。齿轮材料的选择对齿轮的加工性能和使用寿命都有直接的影响。

在进行齿轮设计时，对齿轮材料的基本要求是：应使齿面具有足够的硬度和耐磨性，齿心具有足够的韧性，以防止齿面的各种失效，同时应具有良好的冷、热加工的工艺性，以达到齿轮的各种技术要求。如速度教高的齿轮传动，齿面容易产生疲劳点蚀，应选择齿面硬度较高而硬层较厚的材料；有冲击载荷的齿轮传动，轮齿容易折断，应选择韧性较好的材料；低速重载的齿轮传动，轮齿容易折断，齿面易磨损，应选择机械强度大，齿面硬度高的材料。

常用的齿轮材料为各种牌号的优质碳素结构钢、合金结构钢、铸钢、铸铁和非金属材料等。一般多采用锻件或轧制钢材。当齿轮结构尺寸较大，轮坯不易锻造时，可采用铸钢。开式低速传动时，可采用灰铸铁或球墨铸铁。低速重载的齿轮易产生齿面塑性变形，轮齿也易折断，宜选用综合性能较好的钢材。高速齿轮易产生齿面点蚀，宜选用齿面硬度高的材料。受冲击载荷的齿轮，宜选用韧性好的材料。对高速、轻载而又要求低噪声的齿轮传动，也可采用非金属材料、如夹布胶木、尼龙等。

对于强度、速度及精度要求都不高的齿轮，应采用软齿面（硬度≤350HBS）以便于切齿，并使道具不致迅速磨损变钝。因此，应将锻钢齿轮毛坯经过常化（正火）或调质处理后切齿。这样切制后即为正品。其精度一般为八级，精切时可达七级。这类齿轮制造简便、经济、生产效率高。

正火通常是把锻钢齿轮毛坯加热到临界温度Ac3或Accm线以上，保温一段时间，然后进行空冷。由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体量相对较多，且片层较细密，故性能有所改善，细化了晶粒，改善了组织，消除了残余应力。对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光洁度；对于高碳钢，则正火可消除网状渗碳体，为下一步球化退火及淬火作好组织准备。调质，即淬火和高温回火的综合热处理工艺，通过调质以获得回火索氏体。方法也就是先淬火，淬火温度：亚共析钢为Ac3+30~50℃；过共析钢为Ac1+30~50℃；合金钢可比碳钢稍稍提高一点。淬火后在500~650℃进行回火即可。调制的主要目的是得到强度、塑性、韧性都比较好的综合机械性能。

高速、重载及精密机器（如精密机床、航空发动机）的齿轮所用的材料主要为需进行精加工的锻钢材料。较高的使用要求决定齿轮材料必须优良，轮齿具有高强度及齿面具有高硬度。一般情况下是先进行齿轮表面硬化处理，然后进行精加工。所用的热处理的方法一般有表面淬火、渗碳、氮化、软氮化及氰化。

表面淬火是将齿轮轮齿表面层淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。表面淬火时通过快速加热，使齿轮表面很快到淬火的温度，在热量来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。表面淬火的目的在于获得高硬度，高耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韧性。表面淬火采用的快速加热方法有多种，如电感应，火焰，电接触，激光等，目前应用最广的是电感应加热法。利用涡流效应快速对齿轮轮齿表面进行加热。

渗碳：采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，将齿轮置入具有活性渗碳介质中，加热到900--950摄氏度的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心部仍保持原有成分。渗过碳的齿轮表面获得很高的硬度，其耐磨程度得到很大的提高。氮化：在一定温度下一定介质中使氮原子渗入齿轮表层。经氮化处理的齿轮具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温的特性。

氰化：在高温进行碳氮共渗。由于温度比较高，碳原子扩散能力很强，所以以渗碳为主, 形成含氮的高碳奥氏体，淬火后得到含氮高碳马氏体。由于氮的渗入促进碳的渗入, 使共渗速度较快，保温4～6h可得到0.5～0.8mm的渗层，•同时由于氮的渗入，提高了过冷奥氏体的稳定性，加上共渗温度比较低，奥氏体晶粒不会粗大，所以齿轮碳氮共渗后可直接淬油，渗层组织为细针状的含氮马氏体加碳氮化合物和少量残余奥氏体。碳氮共渗层比渗碳层有更高的硬度、耐磨性、抗蚀性、弯曲强度和接触疲劳强度。

合金钢材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，就都能用性能优良的合金钢来制造，常用的合金材料有20C rMnTi、20Cr2Ni4A等。

如45钢热处理后有较好的综合机械性能。经过正火或调质可改善金相组织和材料的可切削性，降低加工后的表面粗糙度，并可减少淬火过程中的变形。因为45钢淬透性差整体淬火后材料变脆，变形也大，所以一般采用齿面表面淬火，硬度可达HRC52-58。40Cr是中碳合金钢，和45钢相比，少量铬合金的加入可以使金属晶粒细化，提高强度、改善淬透性，减少了淬火时的变形。

铸钢的耐磨性及强度均好，但应经退火及常化处理，必要时也可进行调质。铸钢常用于尺寸较大的齿轮。将材料缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却，有时是控制冷却)，即进行退火处理。目的是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的齿轮材料或齿轮软化，改善塑性和韧性，使化学成分均匀化，去除残余应力，或得到预期的物理性能。

灰铸铁性质较脆，抗冲击及耐磨差性都较差，但抗胶合能力及抗点蚀的能力较好而且铸铁容易铸成复杂的形状，容易切削，成本低，故灰铸铁齿轮常用于工作平稳，速度较低，功率不大的场合。

齿轮选择材料考虑的因素有很多，齿轮材料必须满足工作条件的要求，同时也应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成形的方法及热处理和制造工艺。大尺寸的齿轮一般选用铸造毛坯，可选用铸铁或铸钢作为齿轮材料。中等或中等一下尺寸要求较高的齿轮常选用铸造毛坯，可选择铸钢制作。尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢做毛坯。合金钢通常用来制作高速重载并在冲击载荷下的齿轮。常用的表面硬化的方式有：渗碳、氮化和表面淬火。齿轮材料的合理选择以及正确的进行热处理，既有利于充分的利用材料而取得较高的产品质量，而且还可以节约很多的资源，在满足使用性能的前提下，以最小的耗费取得最大的经济效益。