热处理工(技师、高级技师)第二章
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第二章 典型零件的热处理
第二章 典型零件的热处理
第一节 齿轮的热处理
一、齿轮的工作条件和失效形式
1.齿轮的工作条件
齿轮在传递动力及改变速度的运动中，啮合齿面之间既有滚动又有滑 动，承受着很大的接触压应力及摩擦力的作用；齿根部由于要传递转 矩，会受到脉动或交变弯曲应力的作用；另外，因为换挡、起动或啮 合不均匀，齿部也会承受一定的冲击载荷。
3.齿轮的力学性能要求
1)高的弯曲疲劳强度。 2)高的接触疲劳强度和耐磨性。 3)较高的抗拉强度和冲击韧度。 此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形要小等。
第一节 齿轮的热处理
二、齿轮材料的选择原则
1)齿轮材料必须满足工作条件的要求 例如，用于飞行器上的齿轮， 要满足质量轻、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；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，因此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，要求齿轮传动平衡、低噪声或无噪声、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)应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成形方法及热处理和制造工艺。 齿轮表面的硬化方法有：渗碳、氮化和表面淬火。
第一节 齿轮的热处理
1)预备热处理：齿轮火焰淬火前一般是采用调质作为预备热处理，要 求不高的齿轮也可采用正火作为预备热处理。 2)火焰淬火方法：齿轮火焰淬火时，中心齿轮、短齿一般可采用全齿 旋转火焰淬火。
表2-3 各种钢号对应的火孔与水孔行间距离
(2)齿轮的感应淬火 使用高中频设备对齿轮进行感应
第一节 齿轮的热处理
第一节 齿轮的热处理
3.齿轮的渗碳
采用化学热处理的齿轮一般都是高承载能力的重要齿轮，主要有汽车、 拖拉机、摩托车、矿山机械及航空发动机等齿轮。 (1)汽车、拖拉机齿轮 这类齿轮主要分装在汽车、拖拉机的齿轮变 速器和差速器中。
第一节 齿轮的热处理
该加工工艺路线中正火的目的是为了均匀和细化组织，消除锻造应力， 改善可加工性，正火后的硬度一般要求在170~200HBW，此硬度对保证 齿轮的表面粗糙度值和提高工作效率有较好的效果；渗碳后表面含碳 量提高，可保证淬火后得到高的硬度（58~62HRC），提高耐磨性和接 触疲劳强度，心部硬度可达到30~45HRC，并具有足够的强度和韧性； 喷丸可增大渗碳层的压应力，提高疲劳强度并可清除氧化皮。
2.齿轮的失效形式
(1)疲劳断裂 齿轮在承载运转时，齿根部受到高频次的、最大振幅 的脉动或交变应力和弯曲应力的作用，会产生弯曲疲劳断裂，并主要 发生在根部。
第一节 齿轮的热处理
(2)齿面磨损 当啮合齿轮相互滑动时，齿面之间即会产生摩擦力。 (3)齿面接触疲劳破坏 作用在齿面上的接触应力若超过了材料的疲 劳极限，就会在齿面上产生微裂纹，微裂纹的发展会引起点状剥落或 称为麻点。 (4)过载断裂 主要是冲击载荷过大造成的断齿现象。
中速、中载车床变速箱、钻床变速箱次要齿轮及高速、中载磨床齿轮， 中速、中载并带一定冲击的机床变速箱齿轮及高速、重载并要求齿面 硬度高的机床变速箱齿轮等，适于进行齿轮表面淬火，这类机床齿轮 大多用于齿轮箱，主要用于传递动力，改变运动速度和方向，工作条 件较好（无强烈冲击、工作平稳），载荷不大，工作平稳无强烈冲击， 转速也不高，属于工作条件较好的齿轮。 (1)齿轮的火焰淬火 火焰淬火设备简单，特别适合大型工件或小批 量、多品种零件的热处理。
(3)表面淬火的常见缺陷及防止措施 1)畸变：通常齿轮表面淬火时，其内孔、外圆、齿形、齿向及螺旋角 等均会产生一定的畸变，严重时还可造成齿轮报废。
第一节 齿轮的热处理
2)表面硬度过高或过低：可能的原因是钢材含碳量偏高或偏低、预备 热处理组织不良、淬火冷却不合理及回火温度不当等。 3)表面硬度不均匀：感应器或火焰喷嘴设计不合理、局部脱碳、加热 或冷却不均匀等均会造成这一现象。 4)淬硬层深度过浅：产生原因有加热时间不足、感应加热频率过高、 火焰过于激烈、钢材淬透性差和冷却规范不合理等。 5)淬火开裂：淬火加热温度过高、冷却过快、局部(齿顶或齿端面)过 热、钢材含碳量偏高、回火不充分或不及时等都会引起淬火开裂。
第一节 齿轮的热处理
三、齿轮的热处理
1.齿轮的调质处理
(1)调质齿轮的选材与工艺 较低承载能力的齿轮一般选用优质中碳 结构钢(40、45)或低合金中碳结构钢(40Cr、40Mn、40MnB等)制造， 进行调质处理即可满足使用要求，调质后硬度约为200~300HBW。 对于尺寸大，运行速度低，齿根强度富裕，抗冲击力强的重型传动齿 轮，其设计、制造较容易，运行中容易磨合，所以空间位置要求不严， 且多是软齿面的齿轮，故仍采用调质处理作为最终热处理。
淬火时，对于模数4mm以下的齿轮进行全齿穿透淬火，对于模数5mm以 上的齿轮因齿形高宽，也可齿间淬火(可以沿齿淬火或齿间淬火)，既 可采用喷液(主要是水)冷却，也可采用浸液冷却。
图2-2 齿轮淬火感应器 a)直齿轮感应器 b)锥齿轮感应器
第一节 齿轮的热处理
表2-4 常用齿轮感应加热频率及适用范围
第一节 齿轮的热处理
3)热处理工艺采用正火碳钢时不论毛坯的制作方法如何，只能用于制 作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；采 用调质碳钢时可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。 4)采用合金钢时常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。 5)飞行器中的齿轮传动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。
第一节 齿轮的热处理
图2-1 开齿调质齿轮的硬度分布
(2)调质齿轮的常见缺陷与质量检验 调质齿轮的常见
第一节 齿轮的热Biblioteka Baidu理
缺陷、产生原因与防止措施见表2-1。
表2-1 调质齿轮的常见缺陷、产生原因与防止措施
第一节 齿轮的热处理
表2-2 调质齿轮的检验项目、检验内容及方法
2.齿轮的表面淬火
第一节 齿轮的热处理
第一节 齿轮的热处理
6)采用金属制作的软齿面齿轮时，其配对的齿轮齿面的硬度差应保持 为30～50HBW或更高些；当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，大齿轮齿面为正火或调质时)且速度又 较高时，在运转过程中较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面会起到 较显著的冷作硬化效应，从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。
第二章 典型零件的热处理
第一节 齿轮的热处理
一、齿轮的工作条件和失效形式
1.齿轮的工作条件
齿轮在传递动力及改变速度的运动中，啮合齿面之间既有滚动又有滑 动，承受着很大的接触压应力及摩擦力的作用；齿根部由于要传递转 矩，会受到脉动或交变弯曲应力的作用；另外，因为换挡、起动或啮 合不均匀，齿部也会承受一定的冲击载荷。
3.齿轮的力学性能要求
1)高的弯曲疲劳强度。 2)高的接触疲劳强度和耐磨性。 3)较高的抗拉强度和冲击韧度。 此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形要小等。
第一节 齿轮的热处理
二、齿轮材料的选择原则
1)齿轮材料必须满足工作条件的要求 例如，用于飞行器上的齿轮， 要满足质量轻、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；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，因此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，要求齿轮传动平衡、低噪声或无噪声、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)应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成形方法及热处理和制造工艺。 齿轮表面的硬化方法有：渗碳、氮化和表面淬火。
第一节 齿轮的热处理
1)预备热处理：齿轮火焰淬火前一般是采用调质作为预备热处理，要 求不高的齿轮也可采用正火作为预备热处理。 2)火焰淬火方法：齿轮火焰淬火时，中心齿轮、短齿一般可采用全齿 旋转火焰淬火。
表2-3 各种钢号对应的火孔与水孔行间距离
(2)齿轮的感应淬火 使用高中频设备对齿轮进行感应
第一节 齿轮的热处理
第一节 齿轮的热处理
3.齿轮的渗碳
采用化学热处理的齿轮一般都是高承载能力的重要齿轮，主要有汽车、 拖拉机、摩托车、矿山机械及航空发动机等齿轮。 (1)汽车、拖拉机齿轮 这类齿轮主要分装在汽车、拖拉机的齿轮变 速器和差速器中。
第一节 齿轮的热处理
该加工工艺路线中正火的目的是为了均匀和细化组织，消除锻造应力， 改善可加工性，正火后的硬度一般要求在170~200HBW，此硬度对保证 齿轮的表面粗糙度值和提高工作效率有较好的效果；渗碳后表面含碳 量提高，可保证淬火后得到高的硬度（58~62HRC），提高耐磨性和接 触疲劳强度，心部硬度可达到30~45HRC，并具有足够的强度和韧性； 喷丸可增大渗碳层的压应力，提高疲劳强度并可清除氧化皮。
2.齿轮的失效形式
(1)疲劳断裂 齿轮在承载运转时，齿根部受到高频次的、最大振幅 的脉动或交变应力和弯曲应力的作用，会产生弯曲疲劳断裂，并主要 发生在根部。
第一节 齿轮的热处理
(2)齿面磨损 当啮合齿轮相互滑动时，齿面之间即会产生摩擦力。 (3)齿面接触疲劳破坏 作用在齿面上的接触应力若超过了材料的疲 劳极限，就会在齿面上产生微裂纹，微裂纹的发展会引起点状剥落或 称为麻点。 (4)过载断裂 主要是冲击载荷过大造成的断齿现象。
中速、中载车床变速箱、钻床变速箱次要齿轮及高速、中载磨床齿轮， 中速、中载并带一定冲击的机床变速箱齿轮及高速、重载并要求齿面 硬度高的机床变速箱齿轮等，适于进行齿轮表面淬火，这类机床齿轮 大多用于齿轮箱，主要用于传递动力，改变运动速度和方向，工作条 件较好（无强烈冲击、工作平稳），载荷不大，工作平稳无强烈冲击， 转速也不高，属于工作条件较好的齿轮。 (1)齿轮的火焰淬火 火焰淬火设备简单，特别适合大型工件或小批 量、多品种零件的热处理。
(3)表面淬火的常见缺陷及防止措施 1)畸变：通常齿轮表面淬火时，其内孔、外圆、齿形、齿向及螺旋角 等均会产生一定的畸变，严重时还可造成齿轮报废。
第一节 齿轮的热处理
2)表面硬度过高或过低：可能的原因是钢材含碳量偏高或偏低、预备 热处理组织不良、淬火冷却不合理及回火温度不当等。 3)表面硬度不均匀：感应器或火焰喷嘴设计不合理、局部脱碳、加热 或冷却不均匀等均会造成这一现象。 4)淬硬层深度过浅：产生原因有加热时间不足、感应加热频率过高、 火焰过于激烈、钢材淬透性差和冷却规范不合理等。 5)淬火开裂：淬火加热温度过高、冷却过快、局部(齿顶或齿端面)过 热、钢材含碳量偏高、回火不充分或不及时等都会引起淬火开裂。
第一节 齿轮的热处理
三、齿轮的热处理
1.齿轮的调质处理
(1)调质齿轮的选材与工艺 较低承载能力的齿轮一般选用优质中碳 结构钢(40、45)或低合金中碳结构钢(40Cr、40Mn、40MnB等)制造， 进行调质处理即可满足使用要求，调质后硬度约为200~300HBW。 对于尺寸大，运行速度低，齿根强度富裕，抗冲击力强的重型传动齿 轮，其设计、制造较容易，运行中容易磨合，所以空间位置要求不严， 且多是软齿面的齿轮，故仍采用调质处理作为最终热处理。
淬火时，对于模数4mm以下的齿轮进行全齿穿透淬火，对于模数5mm以 上的齿轮因齿形高宽，也可齿间淬火(可以沿齿淬火或齿间淬火)，既 可采用喷液(主要是水)冷却，也可采用浸液冷却。
图2-2 齿轮淬火感应器 a)直齿轮感应器 b)锥齿轮感应器
第一节 齿轮的热处理
表2-4 常用齿轮感应加热频率及适用范围
第一节 齿轮的热处理
3)热处理工艺采用正火碳钢时不论毛坯的制作方法如何，只能用于制 作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；采 用调质碳钢时可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。 4)采用合金钢时常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。 5)飞行器中的齿轮传动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。
第一节 齿轮的热处理
图2-1 开齿调质齿轮的硬度分布
(2)调质齿轮的常见缺陷与质量检验 调质齿轮的常见
第一节 齿轮的热Biblioteka Baidu理
缺陷、产生原因与防止措施见表2-1。
表2-1 调质齿轮的常见缺陷、产生原因与防止措施
第一节 齿轮的热处理
表2-2 调质齿轮的检验项目、检验内容及方法
2.齿轮的表面淬火
第一节 齿轮的热处理
第一节 齿轮的热处理
6)采用金属制作的软齿面齿轮时，其配对的齿轮齿面的硬度差应保持 为30～50HBW或更高些；当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，大齿轮齿面为正火或调质时)且速度又 较高时，在运转过程中较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面会起到 较显著的冷作硬化效应，从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。