常用齿轮材料的选择及其热处理工艺总结

齿轮材料的选择及其热处理工艺
1、齿轮材料的选择原则
齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑的因素也很多，下述几点可供选择材料时参考：
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，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，因此必须选择机械性能高的合金银；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，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。

总之，工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。

2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。

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，可选用圆钢作毛坯。

齿轮表面硬化的方法有：渗碳、氨化和表面淬火。

采用渗碳上艺时，应选用低碳钢或低碳含金钢作齿轮材料；氨化钢和调质钢能采用氮化工艺；采用表面淬火时，对材料没有特别的要求。

3）正火碳钢，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；调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。

4）合金钢常用于制作高速、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。

6）金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为30～50HBS或更多。

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著的冷作硬化效应，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约20％，但应注意硬度高的齿面，粗糙度值也要相应地减小。

2、齿轮材料的选择
齿轮齿条是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。

齿轮传动通过轮齿互相啮合来传递空间任意两轴间的运动和动力，并可以改变运动的形式和速度。

齿轮传动使用范围广，传动比恒定，效率较高，使用寿命。

在机械零件产品的设计与制造过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗。

如果齿轮材料选择不当，则会出现零件的过早损伤，甚至失效。

因此如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。

满足材料的机械性能，材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。

齿轮在啮合时齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。

齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。

齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。

因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。

例如，在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高30-50HBS，是因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄，强度低于大齿轮。

为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。

另一方面，根据材料的使用性能确定了材料牌号后。

要明确材料的机械性能或材料硬度，然后我们可以通过不同的热处理工艺达到所要求的硬度范围，从而赋予材料不同的机械性能。

如材料为40Cr合金钢的齿轮，当840-860℃油淬，540-620℃回火时，调质硬度可达28-32HRC，可改善组织、提高综合机械性能；当860-880℃油淬，240—280℃回火时，硬度可达46-51HRC，则钢的表面耐磨性能好，芯部韧性好，变形小；当500-560℃氮化处理，氮化层0.15 -0.6mm时，硬度可达52-54HRC，则钢具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲劳强度，较高的抗蚀性和抗胶合性能且变形极小；当通过电镀或表面合金化处里后，则可改善齿轮工作表面摩擦性能，提高抗腐蚀性能
3、齿轮常用材料
齿轮常用材料摘要：齿轮依靠结构尺寸材料强度承受载荷要求材料具有强度韧性耐磨性齿轮形状复杂齿轮精度要求要求材料工艺常用材料锻钢铸钢铸铁锻钢硬度分为大类HB称为软齿称为硬度HB工艺过程锻造毛坯正火粗车调质加工常用材料SiMnCr 液体动静压轴承常用轴壳配轴承轴承的密封类型精密轴承工序间防锈新工艺轴承寿命强化
试验偏心轴的一种加工详解并联机床的设计理论与关键技术无油轴承带动模具行业革命我国轴承寿命强化试验方兴未艾(一)我国轴承寿命强化试验方兴未艾（二）
齿轮是依靠本身的结构尺寸和材料强度来承受外载荷的，这就要求材料具有较高强度韧性和耐磨性；由于齿轮形状复杂，齿轮精度要求高，还要求材料工艺性好。

常用材料为锻钢、铸钢、铸铁。

一、锻钢
根据齿面硬度分为两大类
HB＜350时，称为软齿面
H8＞350时，称为硬齿面
l．齿面硬度 HB＜350
工艺过程：锻造毛坯→正火--粗车→调质、精加工
常用材料；45#、35SiMn、40Cr、40CrNi、40Mn B
特点：
具有较好的综合性能，齿面具有较高强度和硬度，齿芯具有较好韧性。

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。

2．齿面硬度 HB＞350
采用中碳钢时：
工艺过程：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 。

特点：
齿面硬度高 HRC＝48-55，接触强度高，耐磨性好。

齿芯保持调质后的韧性，耐冲击能力好，承载能力较高。

精度下降半数，可达7级精度。

适用于大量生产，如：汽车、机床等中速中载变速箱齿轮。

采用低碳钢时：
锻造毛坯→常化→粗切→调质→精切→渗碳淬火→低温回火→磨齿。

达6级、7级。

常用材料；20Cr、20CrMnTi、20MnB、20CrMnTo 。

特点：
齿面硬度，承载能力强。

芯部韧性好，耐冲击。

适合于高速、重载、过载传动或结构要求紧凑的场合，机车主传动齿轮、航空齿轮。

二、铸钢
当齿轮直径d〉400mm，结构复杂，锻造有困难时，可采用铸钢。

材料ZG45.ZG55，正火处理。

常化，調质。

三、铸铁
抗胶合及抗点蚀能力强，但抗冲击耐磨性差。

适合工作平稳，功率不大低速或尺寸较大形状复杂时用。

能在缺油条件下工作，适于开式传动。

四、非金属材料
布质、木质、塑料、尼龙、适于高速轻载。

选取材料时应考虑
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和热处理的根据。

1．对于受冲击载荷时，轮齿容易折断应选用韧性较好的材料，可选用低碳钢渗碳淬火。

2．对于高速闭式传动，齿面易点蚀，应选用齿面硬度较好的材料，可选用中碳钢表面淬火。

3．对于低速中载，轮齿折断，点蚀，磨损均可发生时，应选取机械强度，齿面硬度等综合机械性能好的材料，可选中碳钢调质精切。

4．力求材料品种少，便于管理，考虑资源和供应情况。

5．当结构尺寸要求紧凑，耐磨性高时，要采用合金钢。

6．制造单位的设备及技术情况
4、
齿轮材料的选择基本要求：齿面要硬，齿心要韧
表： 常用材料及机械性能
材料牌号 热处理方法
强度极限 σB（MPa ）
屈服极限 σS（MPa ）
硬度（HBS ） 齿芯部
齿面
HT250
250
HT300 300 HT350 350 QT500-5 常 化
500 QT600-2 600
ZG310-570 580 320 ZG340-640
650 350 45 580 290 ZG340-640
调 质
700 380 45 650
360 30CrMnSi 1100 900 35SiMn 750 450 38SiMnMo 700 550 40Cr 700
500 45 调质后表面淬火
4050HRC 40Cr 48
55HRC
20Cr 渗碳后淬火
650
400 300 58
60HRC
20CrMnTi 1100 850 12Cr2Ni4 1100 850 320 20Cr2Ni4 1200
1100 350 35CrAIA 调质后氮化（氮化层厚σ≥0.3~0.5mm）
950 750 255321
>850 38CrMoALA 1000 850 夹布胶带
100 2535
注：40Cr 钢可用40MnVB 替代；20Cr 、20CrMnTi 钢可用20Mn2B 或20MnVB 替代
5
1、锻钢
钢材的韧性好，耐冲击，还可以通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提高齿面硬度，故最适应于用来制造齿轮。

除尺寸过大（da＞400~600mm）或者是结构形状复杂只宜铸造者外，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量在(0.15～0.6)%的碳钢或合金钢。

制造齿轮的锻钢可分为：
软齿面（硬度≤350HBS）：经热处理后切齿的齿轮所用的锻钢对于强度、速度及精度都要求不高的齿轮，应采用以便于切齿，并使刀具不致迅速磨损变钝。

因此，应将齿轮毛坯经过正火（正火）或调质处理后切齿。

切制后即为成品。

其精度一般为8级，精切时可达7级。

这类齿轮制造简便、经济、生产效率高。

硬齿面（硬度＞350HBS）：需进行精加工的齿轮所用的锻钢高速、重载及精密机器（如精密机床、航空发动机）所用的主要齿轮传动，除要求材料性能优良，轮齿具有高强度及齿面具有高硬度（如58～65HRC）外，还应进行磨齿等精加工。

需精加工的齿轮目前多是先切齿，再做表面硬化处理，最后进行精加工，精度可达5级或4级。

这类齿轮精度高，价格较贵，所以热处理方法有表面淬火、滲碳、氮化、软氮化及氰化等。

所以材料视具体要求及热处理方法而定。

合金钢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，就都用性能优良的合金钢（如20CrMnTi，20Cr2Ni4A等）来制造。

2、铸钢
铸钢的耐磨性及强度均较好，但应经退火及正火处理，必要时也可进行调质。

铸钢常用于尺寸较大的齿轮。

3．铸铁
灰铸铁性质较脆，抗冲击及耐磨性都较差，但抗胶合及抗点蚀的能力较好。

灰铸铁齿轮常用于工作平稳、速度较低、功率不大的场合。

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（如夹布胶木、尼龙等）做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。

为使大齿轮具有足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为250～350HBS。

6、齿轮的材料及毛坯是什么
1．高精齿轮的材料及热处理
高精齿轮的材料及热处理对高精齿轮的使用性能和寿命有很大的影响，选择时主要考虑高精齿轮的工作条件、结构尺寸、失效形式(如折断、磨损或点蚀等)，使其具有良好的力学性能。

常用的高精齿轮材料及其热处理方法有：
(1)中碳钢(如45钢)进行调质或表面淬火，综合力学性能较好，用于低速、轻载或中载的一些不重要的齿轮。

(2)合金调质钢(如40Cr)进行调质或表面淬火，综合力学性能更好，且热处理变形小，适用于中速、中载及精度要求较高的高精齿轮。

(3)合金渗碳钢(如20Cr，20CrMnTi)进行渗碳淬火或液体碳氮共渗，齿面硬度可达58HRC，且心部有较高韧性，适用于高速、重载和或有冲击载荷的高精齿轮。

(4)铸铁及其他非金属材料(如尼龙、夹布胶木等)。

这些材料强度低、易加工，适用于一些轻载的齿轮。

2．高精齿轮毛坯
高精齿轮毛坯的选择取决于高精齿轮的材料、结构形式与尺寸、使用条件及生产批量等因素。

常用的高精齿轮毛坯有：
(1)下料件用于一些不重要，受力不大且尺寸较小，结构简单的齿轮。

(2)锻件用于重要而受力较大的高精齿轮。

(3)铸钢件用于直径大或结构形状复杂，不宜锻造的齿轮。

(4)铸铁件用于受力小，无冲击的开式传动的齿轮。

制造齿轮可采用各种类型的材料；通常被选用的材料取决于齿轮的制造方法及齿轮将来的实际用途。

齿轮可采用铸造、切削或挤压等方法制造。

制作齿轮的典型材料有铸铁、铸钢、普通碳素钢、合金钢、铝、磷青铜、酚醛塑料和尼龙等。

直齿圆柱齿轮是最简单且成本最低的一类齿轮；此外，有关直齿齿轮的一些定义通常也适合用于其它类型的齿轮。

理解下列各项定义十分重要，因为在齿轮装置的设计工作中它们都是关键的因素。

齿轮能以恒定的传动比将旋转运动从一根轴传递到另一根轴。

若轴之间互相平行，则可采用直齿、斜齿或人字形齿中的任一种来传递运动。

螺旋齿轮可用于连接即不平行又不相交的两根轴。

蜗杆蜗轮应用于传动比大且两轴不相交但相互垂直的场合。

若两根轴互相垂直且它们中心线的延长线相交，则通常采用圆锥齿轮，然而有些圆锥齿轮的轴线并非互相垂直。

螺旋圆锥齿轮的使用场合与直齿圆锥齿轮相同，但运用螺旋圆锥齿轮转速更高且工作更平稳。

准双曲面齿轮与螺旋圆锥齿轮相似，但它们中心线的延长线并不相交。

常用齿轮材料的选择及其热处理工艺
●李玉平
1 前言
齿轮是机械传动中应用最广泛的零件之一，它的功用是按规定的速比传递动力和运动。

在工作中，它的受力情况比较复杂，齿轮的齿根部受交变弯曲应力，齿面承受大的接触应力并产生强烈的摩擦，在换挡、启动和啮合不良时，齿轮还承受一定的冲击载荷。

齿轮的主要失效形式是疲劳断齿、疲劳点蚀以及齿面的过量磨损。

根据齿轮的受力情况和失效分析可知，齿轮一般都需经过适当的热处理，以提高承载能力和延长使用寿命，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。

齿轮的材料及热处理对齿轮的内在质量和使用性能都有很大的影响。

锻钢、铸钢、铸铁、有色金属及非金属材料都可用来制造齿轮，各种热处理方法，如渗碳、渗氮、碳氮共渗、表面淬火、调质和正火等，在齿轮制造中都被应用，因此，齿轮的选材和热处理方法的选用较其它零件复杂。

这就需要设计人员根据齿轮承载能力的不同，合理选择材料和毛坯及热处理工艺，并制定相应的工艺路线，用最经济的办法最大限度地发挥材料的潜能，做到“物尽其用”。

2 常用齿轮材料及热处理工艺的选择
2．1 锻钢
锻钢应用最广泛，通常重要用途的齿轮大多采用锻钢制作。

根据承载能力的大小不同，选择的材料及热处理工艺又有所不同。

(1)高承载能力的重要齿轮
这类齿轮有汽车、拖拉机、摩托车、矿山机械及航空发动机等齿轮。

1)汽车、拖拉机等齿轮主要分装在变速箱和差速器中。

在变速箱中，通过它来改变发动机、曲轴和主轴齿轮的转速；在差速器中，通过齿轮来增加扭转力矩，且调节左右两车轮的转速，并将发动机动力传给主动轮，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，工作条件比较恶劣。

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。

实践证明，选用渗碳钢经渗碳、淬火及低温回火后使用最为合适。

渗碳齿轮一般采用合金渗碳钢，而不采用碳素钢，因为碳素钢渗碳后淬火时要用水作淬火剂，变形量大。

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

其工艺路线一般为：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
该工艺中正火的目的是为了均匀和细化组织，消除锻造应力，改善切削加工性；渗碳后表面含碳量提高，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30～45HRC，并具有足够的强度和韧性；喷丸可增大渗碳表层的压应力，提高疲劳强度，并可清除氧化皮。

2)航空发动机齿轮承受高速和重载，比汽车、拖拉机齿轮的工作条件更为恶劣，除要求高的耐疲劳性外，还要求齿轮的心部具有高的强度和韧性，一般多采用12CrNi3A、12Cr2Ni4A或18Cr2Ni4WA等高级渗碳钢制造，为了节约镍，可用15CrMn2SiMoA代替18Cr2Ni4WA。

这两种钢的切削加工性能较差。

其工艺路线一般为：备料——锻造——调质处理——机械粗加工、半精加工——渗碳——高温回火——机械加工——淬火+低温回火——机械精加工——检验
在此工艺中，由于12CrNi3A、12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA等高级渗碳钢的淬透性较高，退火困难，一般采用调质处理，使硬度降低到35HRC以下，改善切削加工性能。

由于不渗碳表面未经镀铜防渗，因此渗碳后进行高温回火，降低硬度，便于切去不渗碳表面的渗碳层。

作者简介：李玉平(1965一)，女，江西丰城人，副教授，主要从事机械制造的研究。

(2)中等承载能力的齿轮
这类齿轮的代表是金属切削机床齿轮。

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，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、42SiMn等。

一般40钢、45钢用于中小载荷机床齿轮，如床头箱、溜板箱齿轮等，40Cr、42SiMn等用于高速、高载的机床的走刀箱、变速箱齿轮。

其工艺路线一般为：备料——锻造——正火——机械粗加l：——调质——机械半精加工——高频感应淬火+低温回火——磨削
该工艺路线中热处理上序的作用：正火处理的目的是消除锻造应力，均匀组织，使同批坯料硬度相同，利于切削加工，改善齿轮表面加工质量；调质的目的是为了提高齿轮心部的综合力学性能，以承受交变弯曲应力和冲击载荷，还可减少高频淬火变形；高频感应淬火及低温回火是决定齿轮表面性能的关键工序，高频感应淬火可提高齿轮表面的硬度和耐磨性，并使齿轮表面具有残余压应力，从而提高抗疲劳点蚀的能力。

低温回火是为了消除淬火应力，防止产生磨削裂纹和提高抗冲击能力。

对于中等承载能力的高精度齿轮，也可选用38CrMnA1等专用渗氮钢，进行渗氮处理。

(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，进行凋质处理，凋质后硬度约为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。

其工艺路线一般为：备料——锻造——正火——机械粗加工——调质——机械精加工
由于调质齿轮表面硬度低，而且也不存在表面压应力，故其承载能力和疲劳强度都比较低，但因调质齿轮切削加工后不再进行热处理，能保证齿轮的制造精度，故对大型齿轮特别适宜，减少了淬火引起的变形(一般认为@350mm 以下为小齿轮，@350mm～@lO00mm为大型齿轮，@lO00mm以上为特大囟轮)。

在该工艺过程中，正火处理的目的也是消除锻造应力，均匀组织，使同批坯料硬度相同，利于切削加工，改善齿轮表面加工质量。

大型齿轮也常用正火作为最终热处理，正火齿轮的力学性能不如调质齿轮，故仅用于制造不重要的大型齿轮，材料多用优质中碳钢(4JD、45)。

2．2 铸钢
对于一些直径较大(‘p>400～500mm)、形状复杂的大齿轮毛坯，当用锻造方法难于成型时，可采用铸钢制作，其强度比锻钢齿轮低10％左右。

铸造齿轮的精度较低，常用于农业机械。

近十几年来，随着铸造技术的发展，铸造精度有了很大的提高，某些铸造齿轮已经可以直接用于具有一定传动精度要求的机械中。

为了提高铸钢齿轮的精度，应增加机械加工工序，在机械加工前应进行正火，消除铸造应力和硬度不均，改善切削加工性能；机械加工后，一般进行表面淬火，提高硬度、耐磨性及抗疲劳强度。

而对于性能要求不高、转速较低的铸钢齿轮通常不需淬火。

常用的铸钢有ZG270-500、ZG310—570等。

其工艺路线一般为：铸造——正火——机械粗加工、半精加工——表面淬火+低温回火——机械精加工
2．3铸铁
对于一些轻载、低速、不受冲击、精度和结构紧凑要求不高的不重要齿轮，常用灰铸铁HT200、HT250、HT300等。

铸铁齿轮一般在铸造后进行去应力退火、正火，机械加工后表面淬火，目的是提高耐磨性。

灰铸铁齿轮多用于开式齿轮传动。

近年来在闭式传动中，采用球墨铸铁QT6【x】一3、QT5【x】一7代替铸钢制造齿轮的趋势越来越大。

2．4 有色金属
在仪器、仪表中，以及在某些接触腐蚀介质中工作的轻载齿轮，常用耐蚀、耐磨的有色金属，如黄铜、铝青铜、锡青铜等制造。

2．5 非金属材料
受力不大，以及在无润滑条件下工作的小型齿轮(如仪器、仪表齿轮)，可用尼龙、ABS、聚甲醛等非金属材料制
造。

此外，齿轮选材时还应注意：对某些高速、重载或齿面相对滑动速度较大的齿轮，为防止齿面咬合，并且使相啮合的两齿轮磨损均匀，使用寿命相近，大、小齿轮应选用不同的材料。

小齿轮材料应比大齿轮好些，硬度比大齿轮高些。

3．结语
以上就常用齿轮材料及热处理工艺进行了分析。

在齿轮的制造生产中，还会遇见一些具有特殊性能要求的齿轮，设计人员必须按照选材的基本原则，进行全面分析及综合考虑，选择出最合适的材料及热处理工艺方法。