齒輪材料選擇及其熱處理

1、齒輪材料選擇及其熱處理摘要：齒輪是輪緣上有齒能連續(xù)嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)械元件， 是能互相嚙合的有齒的機(jī)械零件，是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最廣泛的零件之 一。在齒輪的制造過(guò)程中，合理選擇材料與熱處理工藝，是提高承載能 力和延長(zhǎng)使用壽命的必要保證。常用齒輪材料鍛鋼、鑄鋼、鑄鐵、有 色金屬、非金屬材料等的選擇及熱處理工藝進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：齒輪材料熱處理工藝齒輪結(jié)構(gòu):結(jié)構(gòu)定義輪齒簡(jiǎn)稱(chēng)齒，是齒輪上 每一個(gè)用于嚙合的凸起部分，這些凸起 部分一般呈輻射狀排列，配對(duì)齒輪上的輪齒互相接觸，可使齒輪持續(xù)嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)齒梢是齒輪上兩相鄰輪齒之間的空間；端面是圓柱齒輪或圓柱蝸桿上，垂直T齒輪或蝸桿軸線(xiàn)的平向法面指的是垂直于輪齒齒

2、線(xiàn)的平面齒頂圓是旨齒頂端所在的圓齒根圓是指槽底所在的圓基圓形成漸開(kāi)線(xiàn)的發(fā)生線(xiàn)作純滾動(dòng)的圓分度圓是在端面內(nèi)計(jì)算齒輪幾何尺寸的基準(zhǔn)圓齒輪的分類(lèi)：按其外形分為：圓柱齒輪、錐齒輪、非圓齒輪、拄、蝸桿蝸輪按齒線(xiàn)形狀分為：直齒輪、斜齒輪、人字齒輪、曲線(xiàn)齒輪按輪齒所在的表面分為：外齒輪、內(nèi)齒輪按制造方法可分為：鑄造齒輪、切制齒輪、軋制齒輪、燒結(jié)齒輪直括輪 Q齒輪軸三、常用齒輪材料及熱處理工藝的選擇：1）高承載能力的重要齒輪，如汽車(chē)、拖拉機(jī)、礦山機(jī)械及航空 發(fā)動(dòng)機(jī)等齒輪汽車(chē)、拖拉機(jī)等齒輪主要分裝在變速箱和差速器中，推動(dòng)汽車(chē)、拖拉機(jī)運(yùn)行，所以傳遞功率、沖擊力及摩擦壓力都很大，工作條件比較 差。因此在耐磨性、疲勞

3、強(qiáng)度、心部強(qiáng)度和沖擊韌性等方面的要求均 比較高，因此選用滲碳鋼經(jīng)滲碳、淬火及低溫回火后使用最為合適。小模數(shù)齒輪一般采用20Cr和20CrMnTi,而較大模數(shù)齒輪采用30CrMnTi 鋼。工藝路線(xiàn)一般為: 備料鍛造正火機(jī)械粗加工、半精加工滲碳 + 淬火 + 低溫回火噴丸校正精加工2） 中等承載能力的齒輪，主要用于切削機(jī)床齒輪機(jī)床齒輪大多用于齒輪箱,傳遞動(dòng)力,改變運(yùn)動(dòng)速度和方向,工作條件相對(duì)較好,載荷不大,工作平穩(wěn)無(wú)強(qiáng)烈沖擊,轉(zhuǎn)速也不高,屬工作條件較好的齒輪。因此,要求綜合力學(xué)性能好,一般選用調(diào)質(zhì)鋼制造, 如 40鋼、 45 鋼、40Cr、 40SiMn 等。工藝路線(xiàn)一般為: 備料鍛造正火機(jī)械粗加

4、工調(diào)質(zhì)機(jī)械半精加工高頻感應(yīng)淬火 + 低溫回火磨削3） 較低承載能力的齒輪較低承載能力的齒輪一般選用中碳鋼（40、 45）或低合金中碳鋼（40Cr、40Mn、40MnB等）制造,進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后硬度約為200 300HB。相互配對(duì)使用的小齒輪硬度稍高 （相差大約在70120HB）, 對(duì)齒輪的使用壽命有利。工藝路線(xiàn)一般為: 備料鍛造正火機(jī)械粗加工調(diào)質(zhì)機(jī)械精加工四、 齒輪在熱處理后應(yīng)滿(mǎn)足下列性能要求：1） 高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度（抗疲勞點(diǎn)蝕）。2） 齒面具有較高的硬度和耐磨性。3） 齒輪心部具有足夠的強(qiáng)度和韌性。5、 幾種常用的齒輪村料：1 鍛鋼 。鋼材的韌性好，耐沖擊，還可通過(guò)熱處理或

5、化學(xué)熱處理改善其力學(xué)性能及提高齒面的硬度，故適于用來(lái)制造齒輪除尺寸過(guò)大或者是結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的齒輪宜鑄造外，一般都用鍛鋼制造齒輪，常用的是含碳量在0.15%0.6% 的碳鋼或合金鋼。齒輪根據(jù)齒面硬度分為兩大類(lèi)：HB<350時(shí)，稱(chēng)為軟齒面；HB>350時(shí)，稱(chēng)為硬齒面。2鑄鋼。當(dāng)齒輪直徑d>400mm ,結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鍛造有困難時(shí)，可 采用鑄鋼。常用材料的型號(hào)為 ZG45、ZG55。鑄鋼的耐磨性及強(qiáng)度均 較好，但應(yīng)經(jīng)退火及?；幚?，必要時(shí)也可進(jìn)行調(diào)質(zhì)3 鑄鐵 。鑄鐵性質(zhì)較脆，抗膠合及抗點(diǎn)蝕能力強(qiáng)，但抗沖擊耐磨性差。 這類(lèi)齒輪常用于工作平穩(wěn)，功率不大低速或尺寸較大形狀復(fù)雜的場(chǎng)合，能在缺油條

6、件下工作，適于開(kāi)式傳動(dòng)。4 非金屬材料。對(duì)高速、輕載及精度不高的齒輪傳動(dòng)，為了降低噪聲，常用非金屬材料（如夾布塑膠、尼龍等）做小齒輪，大齒輪仍用鋼或鑄鐵制造。小齒輪常用的材料：布質(zhì)、木質(zhì)、塑料、尼龍。特 點(diǎn)：適于高速輕載。6、 幾種齒輪的新型材料1、無(wú)鎳或低鎳鋼齒輪材料為滿(mǎn)足煤礦嚴(yán)酷的工況條件，國(guó)外煤礦機(jī)械重載齒輪多采用含鎳及鉬的齒輪材料。近年來(lái)， 我國(guó)多數(shù)國(guó)產(chǎn)煤礦機(jī)械的重載齒輪大都采用 18Cr2Ni4WA 鋼。該鋼種的采用基本上消除了斷齒等早期失效現(xiàn)象，但這種材料價(jià)格偏高，且熱處理工藝復(fù)雜。料價(jià)格偏高，且熱處理工藝復(fù)雜。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)對(duì)無(wú)鎳齒輪鋼15CrMn2SiMo 及低鎳齒輪鋼 18Cr

7、MnNiMo 進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，上述無(wú)鎳和低鎳齒輪鋼的靜強(qiáng)度及滲碳淬火后的靜彎性能與18Cr2Ni4WA 相接近； 前者的沖擊韌性值甚至優(yōu)于18Cr2Ni4WA； 無(wú)鎳基低鎳鋼的疲勞性能也可與18Cr2Ni4WA相媲美。效果良好。煤炭科學(xué)研究總院太原分院在采掘機(jī)械重載齒輪材料的選擇方面也就無(wú)鎳齒輪鋼15CrMn2SiMo 及低鎳齒輪鋼 18CrMnNiMo 代替 18Cr2Ni4WA 問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究,結(jié)果表明， 18CrMnNiMo 完全可以代替18Cr2Ni4WA。2、低碳空冷貝氏體鋼天津盛昌齒輪有限公司和天津熱處理研究所聯(lián)合對(duì)低碳貝氏體鋼及其滲碳工藝在轎車(chē)齒輪上的應(yīng)用進(jìn)行了深

8、入研究，結(jié)果表明，低碳空冷貝氏體鋼經(jīng)930c滲碳2h,強(qiáng)滲與擴(kuò)散時(shí)間比為1比1。工件表面含碳量為0.85。對(duì)比試驗(yàn)表明，低碳貝氏體鋼經(jīng)過(guò)滲碳?xì)獯愫?，工件變形量明顯小于20CrMnTi 鋼。低碳貝氏體鋼不但滲碳工藝性能良好， 力學(xué)性能優(yōu)良，而且可采用滲碳?xì)饫浯慊饛亩鴾p少小轎車(chē)齒輪滲碳淬火變形量，并可較經(jīng)濟(jì)的提高其制造精度和性能，對(duì)轎車(chē)變速器齒輪、后橋齒輪等零件具有重要推廣應(yīng)用價(jià)值。3、準(zhǔn)貝氏體滲碳鋼西北工業(yè)大學(xué)研制成功的系列準(zhǔn)貝氏體鋼，具有高強(qiáng)高韌、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用。為了將其用于滲碳零件，又設(shè)計(jì)出準(zhǔn)貝氏體滲碳鋼 BZ18Q,其具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。將BZ18Q 準(zhǔn)貝氏體

9、鋼用于某汽車(chē)輸出軸五檔齒輪，滲碳油冷后根據(jù)汽車(chē)齒輪相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)隨爐試樣進(jìn)行評(píng)定檢測(cè)，結(jié)果符合有關(guān)技術(shù)要求。將準(zhǔn)貝氏體鋼齒輪裝車(chē)路試，行車(chē)一定歷程后拆下進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)齒輪跨球距在跑車(chē)前后基本無(wú)變化，嚙合齒面光滑無(wú)麻點(diǎn)。試驗(yàn)表明，BZ18Q 準(zhǔn)貝氏體滲碳鋼可用于制造汽車(chē)齒輪，并可替代一些含鎳較多的優(yōu)質(zhì)合金滲碳鋼。4、鑄鋼齒輪在齒輪的設(shè)計(jì)制造中，常采用含碳量約0.4%的碳鋼或合金鋼，如：ZG 310570、ZG340640、ZG35SiMn 及 ZG42SiMn 等。鑄鋼的機(jī)械性能不及鍛軋制鋼材，但流動(dòng)性較好，鑄鋼的強(qiáng)度雖與球墨鑄鐵相近，但其沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度均比球墨鑄鐵高得多。因此，鑄鋼常用于制造

10、對(duì)強(qiáng)度要求不很高，但形狀復(fù)雜、直徑較大的齒輪。7、 選擇齒輪材料的原則齒輪材料的種類(lèi)很多，在選擇時(shí)應(yīng)考慮的因素也很多。一般情況下， 齒輪的工作條件不同，輪齒的破壞形式不同，是確定齒輪強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則和選擇材料與熱處理的根據(jù)。1、 齒輪材料必須滿(mǎn)足工作條件的要求。工作條件的要求是選擇齒輪材料時(shí)首先應(yīng)考慮的因素，合金鋼常用于制作高速、重載并在沖擊載荷下工作的齒輪，如用于飛機(jī)的齒輪，要滿(mǎn)足質(zhì)量小、傳遞功率大和可靠性高的要求，因此必須選擇力學(xué)性能高的合金鋼，如要求齒輪尺寸盡可能小，應(yīng)采用表面硬化處理的高強(qiáng)度合金鋼。礦山機(jī)械中的齒輪傳動(dòng)，一般功率很大、工作速度較低、周?chē)h(huán)境中粉塵含量極高，則往往選擇鑄鋼或鑄

11、鐵等材料。家用及辦公用機(jī)械的功率很小，但要求傳動(dòng)平穩(wěn)、低噪聲或無(wú)噪聲，以及能在少潤(rùn)滑或無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)下正常工作，因此常選用工程塑料作為齒輪材料。2、 擇齒輪材料應(yīng)考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成形方法及熱處理工藝。 大尺寸的齒輪一般采用鑄造毛坯，可選用鑄鋼或鑄鐵作為齒輪材料。 中等或中等以下尺寸要求較高的齒輪常選用鍛造毛坯，可選擇鍛鋼制作。尺寸較小而又要求不高時(shí)，可選用圓鋼做毛坯。3、 擇金屬制的軟齒面齒輪材料，應(yīng)使配對(duì)兩輪齒面的硬度差應(yīng)保持為3050。小齒輪與大齒輪的齒面具有較大的硬度差（如小齒輪齒面為淬火并磨制，大齒輪齒面為?；蛘{(diào)質(zhì)），且速度又較高時(shí)，較硬的小齒輪齒面對(duì)較軟的大齒輪齒面會(huì)起較顯著的

12、冷作硬化效應(yīng)，從而提高了大齒輪齒面的疲勞極限。因此， 當(dāng)配對(duì)的兩齒輪齒面具有較大的硬度差時(shí)，大齒輪的接觸疲勞許用應(yīng)力可提高20%， 但應(yīng)注意硬度高的齒面，粗糙度值也要相應(yīng)地減小。4、擇齒輪材料應(yīng)力求材料的品種少，便于管理，考慮資源和供應(yīng)情況。5、齒輪材料要考慮制造單位的設(shè)備及技術(shù)情況。8、 中國(guó)齒輪工業(yè)的發(fā)展：中國(guó)齒輪工業(yè)在 十五”時(shí)期的發(fā)展2005年齒輪行業(yè)的年產(chǎn)值由2000年的240億元增加到 683億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率23.27%,已成為中國(guó)機(jī)械基礎(chǔ)件中規(guī)模最大的行業(yè)。就市場(chǎng)需求 與生產(chǎn)規(guī)模而言，中國(guó)齒輪行業(yè)在全球排名已超過(guò)意大利，居世界第四位。2006年，中國(guó)全部齒輪、傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)部件制造

13、企業(yè)實(shí)現(xiàn)累計(jì)工業(yè)總產(chǎn)值102628183千元，比上年同期增長(zhǎng) 24.15%;實(shí)現(xiàn)累計(jì)產(chǎn)品銷(xiāo)售收入98238240千元，比上年同期增長(zhǎng)24.37%;實(shí)現(xiàn)累計(jì)利潤(rùn)總額5665210千元，比上年同期增長(zhǎng)26.85% o2007年1-12月，中國(guó)全部齒輪、傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)部件制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)累計(jì)工 業(yè)總產(chǎn)值136542841千元，比上年同期增長(zhǎng)30.96%; 2008年1-10月，中國(guó)全部齒輪、傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)部件制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)累計(jì)工業(yè)總產(chǎn)值144529138千元，比上年同期增長(zhǎng) 32.92%。中國(guó)齒輪工業(yè)在十一五”時(shí)期的發(fā)展：中國(guó)齒輪制造業(yè)年銷(xiāo)售額可達(dá)到1300億元，人均銷(xiāo)售額上升到 65萬(wàn)元/年，在世界行業(yè)排名中達(dá)到世界第二。2006-2010年將新增設(shè)備 10萬(wàn)臺(tái)，即每年用于新增設(shè)備投資約60億元，新購(gòu)機(jī)床 2萬(wàn)臺(tái)，每臺(tái)平均單價(jià)30萬(wàn)元。到2010年，中國(guó)齒輪制造業(yè)應(yīng)有各類(lèi)機(jī)床總數(shù)約40萬(wàn)臺(tái)，其中數(shù)控機(jī)床10萬(wàn)臺(tái)，數(shù)控化率 25% （高于機(jī)械制造全行業(yè)平均值17%）。中國(guó)齒輪工業(yè)在 十二五”時(shí)期的發(fā)展：十二五時(shí)期是中國(guó)齒輪行業(yè)發(fā)展的黃金期，未來(lái)十年，齒輪行業(yè)應(yīng)加快 朝由大變強(qiáng)的目標(biāo)邁進(jìn)，調(diào)結(jié)構(gòu)、上水平是重要任務(wù)，也是目前行業(yè)亟待 扭轉(zhuǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題九、結(jié)束語(yǔ)近年來(lái)我國(guó)在齒輪材料研制開(kāi)發(fā)方面取得了 一定的成就， 但還有很多 不足。通過(guò)開(kāi)展