齿轮材料选择及其热处理

齿轮材料选择及其热处
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齿轮材料选择及其热处理摘要：齿轮是轮缘上有齿能连续啮合传递运动和动力的机械元件，是能互相啮合的有齿的机械零件，是机械传动中应用最广泛的零件之一。

在齿轮的制造过程中,合理选择材料与热处理工艺,是提高承载能力和延长使用寿命的必要保证。

常用齿轮材料锻钢、铸钢、铸铁、有色金属、非金属材料等的选择及热处理工艺进行了分析。

关键词：齿轮材料热处理工艺
一、齿轮结构：
二、齿轮的分类：
按其外形分为：圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、、蜗杆蜗轮
按齿线形状分为：直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮
按轮齿所在的表面分为：外齿轮、内齿轮
按制造方法可分为：铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮
三、常用齿轮材料及热处理工艺的选择:
1)高承载能力的重要齿轮，如汽车、拖拉机、矿山机械及航空发动机
等齿轮
汽车、拖拉机等齿轮主要分装在变速箱和差速器中，推动汽车、拖拉机运行,所以传递功率、冲击力及摩擦压力都很大, 工作条件比较差。

因此在耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧性等方面的要求均比较高，因此选用渗碳钢经渗碳、淬火及低温回火后使用最为合适。

小模数齿轮一般采用
20Cr和20CrMnTi,而较大模数齿轮采用30CrMnTi 钢。

工艺路线一般为:备料——锻造——正火——机械粗加工、半精加工——渗碳+ 淬火+ 低温回火——喷丸——校正——精加工
2)中等承载能力的齿轮，主要用于切削机床齿轮
机床齿轮大多用于齿轮箱,传递动力,改变运动速度和方向,工作条件相对较好,载荷不大,工作平稳无强烈冲击,转速也不高,属工作条件较好的齿轮。

因此,要求综合力学性能好,一般选用调质钢制造, 如40 钢、45 钢、40Cr、40SiMn 等。

工艺路线一般为:备料——锻造——正火——机械粗加工——调质——机械半精加工——高频感应淬火+ 低温回火——磨削
3)较低承载能力的齿轮
较低承载能力的齿轮一般选用中碳钢(40、45)或低合金中碳钢(40Cr、40Mn、40MnB等)制造,进行调质处理,调质后硬度约为200～300HB。

相互配对使用的小齿轮硬度稍高(相差大约在70～120HB),对齿轮的使用寿命有利。

工艺路线一般为:备料——锻造——正火——机械粗加工——调质——机械精加工
四、齿轮在热处理后应满足下列性能要求：
1)高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度（抗疲劳点蚀）。

2)齿面具有较高的硬度和耐磨性。

3)齿轮心部具有足够的强度和韧性。

五、几种常用的齿轮村料：
1锻钢。

钢材的韧性好，耐冲击，还可通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提高齿面的硬度，故适于用来制造齿轮除尺寸过大或者是结构形状复杂的齿轮宜铸造外，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量
在%~% 的碳钢或合金钢。

齿轮根据齿面硬度分为两大类：HB＜350 时，称为软齿面；HB＞350时，称为硬齿面。

2铸钢。

当齿轮直径d＞400mm ，结构复杂，锻造有困难时，可采用铸钢。

常用材料的型号为ZG45、ZG55。

铸钢的耐磨性及强度均较好，但应经退火及常化处理，必要时也可进行调质
3铸铁。

铸铁性质较脆，抗胶合及抗点蚀能力强，但抗冲击耐磨性差。

这类齿轮常用于工作平稳，功率不大低速或尺寸较大形状复杂的场合，能在缺油条件下工作，适于开式传动。

4非金属材料。

对高速、轻载及精度不高的齿轮传动，为了降低噪声，常用非金属材料（如夹布塑胶、尼龙等）做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。

小齿轮常用的材料：布质、木质、塑料、尼龙。

特点：适于高速轻载。

六、几种齿轮的新型材料
1、无镍或低镍钢齿轮材料
为满足煤矿严酷的工况条件，国外煤矿机械重载齿轮多采用含镍及钼的齿轮材料。

近年来，我国多数国产煤矿机械的重载齿轮大都采用
18Cr2Ni4WA钢。

该钢种的采用基本上消除了断齿等早期失效现象，但这种材料价格偏高，且热处理工艺复杂。

料价格偏高，且热处理工艺复杂。

中国矿业大学对无镍齿轮钢15CrMn2SiMo及低镍齿轮钢18CrMnNiMo进行了试验研究，结果表明，上述无镍和低镍齿轮钢的静强度及渗碳淬火后的静弯性能与18Cr2Ni4WA相接近；前者的冲击韧性值甚至优于
18Cr2Ni4WA；无镍基低镍钢的疲劳性能也可与18Cr2Ni4WA相媲美。

效果良好。

煤炭科学研究总院太原分院在采掘机械重载齿轮材料的选择方面也就无镍齿轮钢15CrMn2SiMo及低镍齿轮钢18CrMnNiMo代替18Cr2Ni4WA 问题进行了深入的研究,结果表明，18CrMnNiMo完全可以代替
18Cr2Ni4WA。

2、低碳空冷贝氏体钢
天津盛昌齿轮有限公司和天津热处理研究所联合对低碳贝氏体钢及其渗碳工艺在轿车齿轮上的应用进行了深入研究，结果表明，低碳空冷贝氏体钢经930℃渗碳2h，强渗与扩散时间比为1比1。

工件表面含碳量为％。

对比试验表明，低碳贝氏体钢经过渗碳气淬后，工件变形量明显小于
20CrMnTi钢。

低碳贝氏体钢不但渗碳工艺性能良好，力学性能优良，而且可采用渗碳气冷淬火从而减少小轿车齿轮渗碳淬火变形量，并可较经济的提高其制造精度和性能，对轿车变速器齿轮、后桥齿轮等零件具有重要推广应用价值。

3、准贝氏体渗碳钢
西北工业大学研制成功的系列准贝氏体钢，具有高强高韧、工艺简单、成本低廉等优点，已得到广泛应用。

为了将其用于渗碳零件，又设计出准贝氏体渗碳钢BZ18Q，其具有优异的综合力学性能。

将BZ18Q准贝氏体钢用于某汽车输出轴五档齿轮，渗碳油冷后根据汽车齿轮相关标准，对随炉试样进行评定检测，结果符合有关技术要求。

将准贝氏体钢齿轮装车路试，行车一定历程后拆下进行检验，发现齿轮跨球距在跑车前后基本无变化，啮合齿面光滑无麻点。

试验表明，BZ18Q准贝氏体渗碳钢可用于制造汽车齿轮，并可替代一些含镍较多的优质合金渗碳钢。

4、铸钢齿轮
在齿轮的设计制造中，常采用含碳量约 %的碳钢或合金钢，如：ZG 310～570、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。

七、选择齿轮材料的原则
齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑的因素也很多。

一般情况下，齿轮的工作条件不同，轮齿的破坏形式不同，是确定齿轮强度计算准则和选择材料与热处理的根据。

1、齿轮材料必须满足工作条件的要求。

工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素，合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮，如用于飞机的齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的
要求，因此必须选择力学性能高的合金钢，如要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。

矿山机械中的齿轮传动，一般功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高，则往往选择铸钢或铸铁等材料。

家用及办公用机械的功率很小，但要求传动平稳、低噪声或无噪声，以及能在少润滑或无润滑状态下正常工作，因此常选用工程塑料作为齿轮材料。

2、择齿轮材料应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成形方法及热处理工艺。

大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁作为齿轮材料。

中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用锻造毛坯，可选择锻钢制作。

尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢做毛坯。

3、择金属制的软齿面齿轮材料，应使配对两轮齿面的硬度差应保持为30~50。

小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度差（如小齿轮齿面为淬火并磨制，大齿轮齿面为常化或调质），且速度又较高时，较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面会起较显着的冷作硬化效应，从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。

因此，当配对的两齿轮齿面具有较大的硬度差时，大齿轮的接触疲劳许用应力可提高20%，但应注意硬度高的齿面，粗糙度值也要相应地减小。

4、择齿轮材料应力求材料的品种少，便于管理，考虑资源和供应情况。

5、齿轮材料要考虑制造单位的设备及技术情况。

八、中国齿轮工业的发展：
中国齿轮工业在“十五”时期的发展：
2005年齿轮行业的年产值由2000年的240亿元增加到683亿元，年复合增长
率%，已成为中国机械基础件中规模最大的行业。

就市场需求与生产规模而言，中国齿轮行业在全球排名已超过意大利，居世界第四位。

中国齿轮工业在“十一五”时期的发展：
中国齿轮制造业年销售额可达到1300亿元，人均销售额上升到65万元/年，在世界行业排名中达到世界第二。

2006-2010年将新增设备10万台，即每年用于新增设备投资约60亿元，新购机床2万台，每台平均单价30万元。

到2010年，中国齿轮制造业应有各类机床总数约40万台，其中数控机床10万台，数控化率25%（高于机械制造全行业平均值17%）。

中国齿轮工业在“十二五”时期的发展：
十二五时期是中国齿轮行业发展的黄金期，未来十年，齿轮行业应加快朝由大变
强的目标迈进，调结构、上水平是重要任务，也是目前行业亟待扭转的关键问题。

九、结束语
近年来我国在齿轮材料研制开发方面取得了一定的成就，但还有很多不足。

通过开展齿轮材料筛选试验的研究，使我国齿轮材料系列化、规范化。

在努力开发新的齿轮热处理工艺和设备的基础上，加快引进、吸收和合理利用国外先进工艺和设备的步伐，使我国齿轮用材水平提高到一个新高度。

参考文献
1.常用齿轮材料的选择及其热处理工艺江苏联合职业技术学院徐州机电
工程分院程欣
2.对齿轮材料的研究木斯职业学院程国明，郑耘
3.齿轮材料的化学分析检验方法韶关宏大齿轮有限公司洛庆华
4.谈如何选择齿轮的材料江苏省兴化职业教育中心校徐爱芸。