齿轮的材料及热处理

文章编号:1005-7854(2000)03-0020-04

齿轮的材料及热处理

王小宝

(北京矿冶研究总院,北京100044)

摘　要:齿轮传动是机械传动主要形式之一,应用极为广泛。采用适当材料制作齿轮及

对其进行正确的热处理,可大大提高齿轮传动的可靠性,延长齿轮寿命。本文论述了常用

齿轮材料的种类、特点以及齿轮热处理方法和特点。

关键词:齿轮材料;热处理;渗碳;渗氮

中图分类号:TG 162173 文献标识码:A

MA TERIAL AND HEA T TREA TM EN T OF GEARS

W A N G Xiao 2bao

(Beiji ng General Research Instit ute of M i ni ng and Metall urgy ,Beiji ng 100044,Chi na )ABSTRACT:G ear transmission ,one of main mechanical transmissions ,is extensively used in mechanical industry.Correct material and heat treatment of gears can increase the reliability of gear transmission and last the life of gears.In this paper ,the common materials of gears and their properties and the methods for heat treatment of gears and their feasures are expounded.KE Y WOR DS :G ear material ;Heat treatment ;Carburization ;Nitriding

收稿日期:1999-03-05

作者简介:王小宝,机械研究所高级工程师。

1　引　言

齿轮在工作过程中起着传递动力和改变速度的作用,啮合齿面间既有滚动、又有滑动,轮齿根部还受到脉动或交变弯曲的作用。在由此而引起的各种应力的作用下,齿轮将发生轮齿折断、齿面胶合、齿面疲劳及齿面磨损等失效情况。引起齿轮失效的主要应力有:摩擦力、接触应力和弯曲应力。根据齿轮失效的形式和原因,在选择齿轮材料及热处理方法时应从以下几方面考虑:①轮齿表面有足够的硬度。齿面存在实际上的凹凸不平,因而局部会产生很大的压强,引起金属塑性变形或嵌入相对表面,导致金属直接接触和粘着,当啮合齿面相对滑动时,产生了摩擦力。齿面磨损就是由于相互摩擦的结果。减少这类磨损的关键,是提高轮齿表面的塑变抗力,即提高齿面硬度。提高齿面硬度还可以改善齿面接触状态,从而提高齿面的抗疲劳能力。②轮齿芯部要有足够的强度和韧性,以保证在变载荷或冲击载荷作用下,轮齿有足够的抗冲击能力。③大小齿轮应有一定硬度差,以提高其抗胶合能力。④须考虑材料加工性和经济性。

第9卷　第3期2000年9月 矿 冶MININ G &METALLURGY Vol.9,No.3September 2000

2　齿轮材料

常用于制造齿轮的材料主要是钢,其次是铸铁,在某些场合,也可使用非金属材料。

211　钢制齿轮

根据齿轮毛坯的制造方法,钢制齿轮可以锻造、铸造或用轧制圆钢制造,其中锻造齿轮因强度较高,故应用较广。各种齿轮用钢,其冶炼质量均有一定的要求。表1为各种齿轮用钢的国标要求。

表1　齿轮用钢的冶金质量要求

Table 1　Metallurgic quality of gear steel

项目名称检验标准

技术要求疏松和偏析　G B1979-80《结构钢低倍组织缺陷评级图》

缺陷名称级数

一般疏松和中心疏松4级

一般点状偏析和边缘点状偏析4级

合金钢按G B3077-88规定钢　种一般疏松中心疏松偏　析优质钢≤3级≤3级≤3级高级优质钢≤2级≤2级≤215级非金属夹杂　Y B25-77《钢中非金属夹杂物显微评定法》

　“钢中非金属夹杂物级别图”

合金钢按G B3077-88规定氧化物硫化物氧化物加硫化物≤3级≤3级≤515级项目名称检验标准

技术要求带状组织　Y B31-64《钢的显微组织(游离渗碳体、带状

组织、魏氏组织)》

　齿轮渗碳钢要求不大于3级晶粒度　Y B27-77《钢的晶粒度测定法》

　钢的本质晶粒度通常不小于6级淬透性

　G B5216-85《保证淬透性结构钢技术条件》　根据用户要求,按A 、B 、C 三种方式订货 (1):①优质低碳素钢,如15、20号钢,经适当热处理可得到很高的齿面硬度,齿面承载能力高;但由于芯部机械性能较低,故弯曲强度不够。它们常用于制造有冲击性的中小载荷齿轮。②含碳量013%～015%的优质中碳钢,如35、40、45、50、55号钢,由于强度高、韧性和加工性好,广泛应用于齿轮制造,其中40和45号钢应用最为广泛。③含锰量较高的优质碳素钢,如50Mn ,其弹性、强度、硬度均高,具有良好耐磨性,常用于制造大载荷齿轮。④铬钢,如15Cr 、20Cr 、40Cr 等,其中的铬可提高钢的强度和硬度,具有良好的耐磨性,常用于制造齿轮。⑤镍铬钢,如12CrNi3、20CrNi 、40CrNi 等,强度、硬度、耐磨性及韧性均高,常用于制造那些运动速度高、周期长、要求安全可靠性高的齿轮。⑥铬锰钛钢、铬钼钢、铬锰钼钢,如20CrMn Ti 、20CrMo 、20CrMnMo 等,强度、硬度及耐磨性高,常用于制造采矿、冶金、化工、起重运输等设备的普通减速机小齿轮。⑦硅锰钢,如35SiMn 、42SiMn 等,强度、硬度、耐磨性高,价廉,可作为40Cr 、40CrNi 等的替代材料,常用于制造机床齿轮。⑧其他常用于制造齿轮的合金钢尚有:20SiMnVB 、35CrMnSi 、45CrNiMoV 、38CrMoAlA 等。

从经济性考虑,在齿轮设计制造时,一般应优先选用价廉、易得的优质碳素钢材,尽量少用或不用价昂、难得的合金钢材,如含铬的合金钢。

(2)铸钢:在齿轮的设计制造中,常采用含碳量约014%的碳钢或合金钢,如:ZG310-570、ZG340-640、ZG35SiMn 及ZG42SiMn 等。铸钢的机械性能不及锻轧制钢材,但流动性较好,铸钢的强度虽与球墨铸铁相近,但其冲击韧性和疲劳强度均比球墨铸铁高得多。因此,铸钢常用于制造对强度要求不很高,但形状复杂、直径较大的齿轮。

212　铸铁

铸铁的机械性能不及钢材,但铸铁具有加工性好、抗胶合和抗点蚀能力好、耐磨性高、噪声・

12・齿轮的材料及热处理