陳國民：齒輪材料和熱處理1

1、齒輪材料和熱處理1 齒輪設(shè)計(jì)中的材料熱處理1.1 齒輪內(nèi)在品質(zhì)設(shè)計(jì)總則 齒輪零件設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要任務(wù)就是如何保證其內(nèi)在質(zhì)量，即保證齒輪的使用性能和壽命，同時(shí)以合適的成本加工制造出來。因此，就涉及到齒輪材料和熱處理工藝方法的合理選擇問題。圖1是這種設(shè)計(jì)過程示意圖。圖1 齒輪材料熱處理工藝的選擇加工性能材料選擇服役條件失效形式失效抗力性能指標(biāo)熱處理工藝（組織性能）設(shè)計(jì)技術(shù)要求11.2 齒輪受力狀態(tài)及損壞特性 1.2.1 嚙合齒面間的摩擦力及齒面磨損 （1）減少非熱影響引起的磨損 （2）減少摩擦熱而引起的膠合磨損 表1 齒輪的磨損種類、受力及破壞特征磨損類型載荷及運(yùn)行情 況表面破壞特征齒輪類型舉 例

2、氧化磨損 各種大小載荷及各種滑動(dòng)速度 氧化膜不斷形成，又不斷剝落，但磨損速度小，一般為0.10.5m/h；齒面均勻分布著細(xì)致磨紋 各類齒輪冷膠合磨損 高載荷、低滑動(dòng)速度，一般v1m/s 局部金屬直接接觸、粘著，不斷從齒面撕離；磨損速度較大，一般為1015m/h；齒面有嚴(yán)重傷痕 低速重載齒輪熱膠合磨損 高載荷、高滑動(dòng)速度，一般v1m/s 高的摩擦熱使?jié)櫥湍な?，金屬間直接接觸，發(fā)生粘著和撕離；磨損速度一般為15m/h；齒面?zhèn)壑?高速重載齒輪磨粒磨損 各種大小載荷及各種滑動(dòng)速度 各種磨粒進(jìn)入嚙合齒面，嵌入形成切刃或直接切割齒面，磨損速度0.55m/h；齒面有磨粒刮傷紋 礦山、水泥、農(nóng)機(jī)等齒輪及

3、各類開式齒輪21.2.2 嚙合齒面的接觸應(yīng)力及接觸疲勞 （1）齒面疲勞破壞的主要形式 齒輪的接觸疲勞破壞是由于作用在齒面上的接觸應(yīng)力超過了材料的疲勞極限而產(chǎn)生的。其破壞形式和特征見表2。表2 齒面接觸疲勞破壞特征特 征點(diǎn) 蝕剝 落淺 層深 層疲勞坑深度淺較深深發(fā)生過程緩慢逐漸突然一般形貌V形V形U形分布情況多個(gè)齒較少齒少數(shù)齒裂紋方向與表面呈銳角與表面呈45角與表面垂直裂紋源表面硬化層內(nèi)硬化層與心部交界處3（2）影響接觸疲勞強(qiáng)度的重要因素1）鋼中非金屬夾雜物 一般來說，塑性夾雜物影響較小，脆性夾雜物危害最大，球狀?yuàn)A雜物的影響介于二者之間。采用凈化冶煉鋼材是提高齒輪接觸疲勞壽命的有效方法。2）鋼材

4、的纖維流向 表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了鋼材纖維流向?qū)佑|疲勞壽命的影響。據(jù)此，應(yīng)當(dāng)重視齒輪鍛造或壓延毛坯的纖維流向分布。3）齒面脫碳 滲碳齒輪的失效分析表明，當(dāng)齒面貧碳層為0.2mm、表面含碳量w（C）為0.3%0.6%時(shí)，70%左右的疲勞裂紋起源于貧碳層。4）黑色組織 黑色組織是齒輪在滲碳和碳氮共滲處理時(shí)容易產(chǎn)生的一種缺陷組織，當(dāng)其深度達(dá)到一定程度時(shí)，就會對接觸疲勞壽命產(chǎn)生不利影響。表3 鋼材的纖維流向與接觸疲勞壽命的關(guān)系 類型工作面與纖維流向夾角壽命比02.5451.8901.041.2.3 齒輪的彎曲應(yīng)力及彎曲疲勞 齒輪的彎曲疲勞破壞是齒根部受到的最大振幅的脈動(dòng)或交變彎曲應(yīng)力超過了齒輪材料的彎

5、曲疲勞極限而產(chǎn)生的。提高齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度的基本途徑是提高齒根處材料的強(qiáng)度（硬度）及改善應(yīng)力狀態(tài)。圖2所示為齒輪材料的硬度與雙向和單向彎曲疲勞極限之間的關(guān)系。 TW1W2硬度（HV）T，W1，W2/MPa圖2 齒輪材料的硬度與彎曲疲勞極限的關(guān)系 T實(shí)際斷裂應(yīng)力； W1、W2分別為單向和雙向彎曲疲勞強(qiáng)度5 影響齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度的重要因素如下。 （1）非金屬夾雜物 非金屬夾雜物作為微形缺口、引起應(yīng)力集中而使彎曲疲勞強(qiáng)度降低。 （2）表面脫碳 表面脫碳將使彎曲疲勞極限降低，特別對于表面硬度高的齒輪，可使彎曲疲勞極限降低1/22/3。表4是三種合金結(jié)構(gòu)鋼表面脫碳對彎曲疲勞的影響。表4 表面脫碳對鋼彎曲疲

6、勞極限的影響注：-1光滑試樣的彎曲疲勞強(qiáng)度（MPa） -1K缺口試樣的彎曲疲勞強(qiáng)度（MPa） 表 面 狀 況40CrNi340CrMo40Cr-1-1K-1-1K-1-1K28HRC未脫碳570295501275535288脫碳30217222013024015848HRC未脫碳837474714453760489脫碳2401722131511991306 (3)金相組織 淬火鋼表層含有5%的非馬氏體（體積分?jǐn)?shù)）組織時(shí)，彎曲疲勞極限將降低10%。圖3是非馬氏體組織對彎曲疲勞極限的影響。對于馬氏體組織，只有經(jīng)過適當(dāng)回火后才有良好的疲勞性能。圖3 非馬氏體組織對疲勞極限的影響40Mn242MnMo

7、40CrNiMo40Cr40B疲勞極限-1/MPa7非馬氏體含量（%）硬度=42HRC-1/MPa壓應(yīng)力層深度/裂紋深度 （4）殘余壓應(yīng)力 試驗(yàn)表明，當(dāng)材料中已存在微細(xì)裂紋時(shí)，殘余壓應(yīng)力可抑制裂紋的擴(kuò)展；而當(dāng)殘余壓應(yīng)力層深約為裂紋深度的5倍時(shí)即可消除裂紋的影響，見圖4。 圖4 殘余壓應(yīng)力對彎曲疲勞極限的影響8 齒根噴丸強(qiáng)化可以有效地提高彎曲疲勞強(qiáng)度，見表5，這與表層形成有利的殘余壓應(yīng)力有密切關(guān)系。表5 噴丸工藝對汽車變速箱滲碳齒輪彎曲疲勞及接觸疲勞性能的影響 注： 1.噴丸工藝：噴丸在轉(zhuǎn)臺噴丸機(jī)上進(jìn)行，鐵丸尺寸為0.61.0mm，噴射速度為58.3m/s，轉(zhuǎn)臺每轉(zhuǎn)一圈,將零件轉(zhuǎn)90,一般噴丸共

8、噴四圈，強(qiáng)化噴丸噴八圈。 2.齒輪用20Mn2TiB鋼制造，經(jīng)氣體滲碳（層深1.01.3mm），淬火及回火。 3.試驗(yàn)在封閉式變速箱試驗(yàn)臺上進(jìn)行，中間軸掛一檔作運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，以中軸一檔齒輪的損傷為壽命的標(biāo)準(zhǔn)。 第一軸轉(zhuǎn)速1450r/min，第一軸轉(zhuǎn)矩：作彎曲疲勞試驗(yàn)時(shí)為441Nm，作接觸疲勞試驗(yàn)時(shí)為362.6Nm。噴丸工藝彎曲疲勞試驗(yàn)接觸疲勞試驗(yàn)壽命范圍周次（106）平均壽命周次（106）壽命比壽命范圍周次（106）平均壽命周次（106）壽命比不噴丸0.1671.830.751.003.154.413.851.00一般噴丸2.162.762.463.281.882.212.080.54強(qiáng)化噴丸2.

9、194.413.244.324.895.205.061.3191.3 齒輪疲勞強(qiáng)度與材料熱處理質(zhì)量等級1.3.1 齒輪的疲勞強(qiáng)度按GB/T 3480-1997齒輪承載能力的計(jì)算公式（1）接觸疲勞強(qiáng)度其安全系數(shù)式中：HG計(jì)算齒輪的極限接觸應(yīng)力H齒輪的計(jì)算接觸應(yīng)力Hlim試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限（2）彎曲疲勞強(qiáng)度其安全系數(shù)式中：FG計(jì)算齒輪的極限彎曲應(yīng)力F齒輪的計(jì)算彎曲應(yīng)力Flim試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限（3）齒輪的強(qiáng)度條件10 通常，齒輪材料熱處理標(biāo)準(zhǔn)僅在于本身的質(zhì)量控制和檢驗(yàn)，而齒輪的承載能力則主要根據(jù)經(jīng)熱處理后齒輪的硬度這單一的參數(shù)來計(jì)算，顯然忽略了材料和熱處理質(zhì)量對強(qiáng)度的影響。 GB/T 85

10、39-2000齒輪材料及熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)的一般規(guī)定這一標(biāo)準(zhǔn)將齒輪疲勞強(qiáng)度與材料熱處理質(zhì)量等級密切地結(jié)合了起來（表10-510-10）。 該標(biāo)準(zhǔn)的基本結(jié)構(gòu)是將齒輪承載能力分為三個(gè)檔（級別），即高、中、低，不同檔次 對應(yīng)不同的材料熱處理質(zhì)量。高、中、低檔分別以ME、MQ、ML來表示。ML表示對齒輪加工過程中材料質(zhì)量和熱處理工藝的一般要求； MQ表示有經(jīng)驗(yàn)的制造者在通常成本下可達(dá)到的質(zhì)量等級；ME表示必須具有高可靠度的制造過程控制才能達(dá)到的等級。 （MX僅表示調(diào)質(zhì)合金鋼對淬透性及金相組織有特殊考慮時(shí)的要求。） 標(biāo)準(zhǔn)以調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、滲氮鋼、表面淬火鋼及鑄鐵分別列表，按不同強(qiáng)度等級提出檢驗(yàn)項(xiàng)目與相應(yīng)的指

11、標(biāo)。同時(shí)有對應(yīng)的接觸疲勞極限和彎曲疲勞極限曲線圖，在圖中，給出與材料熱處理質(zhì)量等級對應(yīng)的三條線（ME、MQ、ML）。 以標(biāo)準(zhǔn)提供的質(zhì)量等級表和相應(yīng)的疲勞極限曲線圖為基礎(chǔ)進(jìn)行齒輪承載能力的設(shè)計(jì)，既可保證其可靠性，又能照顧到經(jīng)濟(jì)合理性。若疲勞極限要求上限時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)按ME檢驗(yàn)，其中包括材料成分、冶金質(zhì)量、性能指標(biāo)、熱處理參數(shù)等都有嚴(yán)格的要求；若疲勞極限要求低為ML時(shí)，則對材料熱處理的質(zhì)量檢驗(yàn)要求也就比較低；MQ要求則介于以上兩者之間。11表9 表面硬化鋼一經(jīng)滲碳（碳氮共滲）（鍛打或軋制）序號項(xiàng) 目MLMQME1化學(xué)成分不檢驗(yàn)100%跟蹤原始坯錠，提交檢驗(yàn)報(bào)告對同一批坯錠取樣檢驗(yàn)，提交檢驗(yàn)報(bào)告2淬透

12、性（按GB/T 225檢驗(yàn)）不檢驗(yàn)3純度及冶煉鋼材在鋼包中脫氧及精煉處理，并經(jīng)真空脫氣，澆鑄過程應(yīng)有防氧化措施，除非用戶要求，否則止故意加鈣。最大氧含量25ppm，按GB/T 10561方法B檢驗(yàn)區(qū)純度，檢驗(yàn)面積近200mm2.下表為夾雜物級別。A BCD細(xì)系粗系細(xì)系粗系細(xì)系粗系細(xì)系粗系MQ3.03.02.51.52.51.52.01.5ME3.02.02.51.51.01.01.51.04鍛造比1）不規(guī)定至少3倍5晶粒度不規(guī)定5級或更細(xì)晶粒，提交檢驗(yàn)報(bào)告6粗車狀態(tài)超聲波探傷不規(guī)定推薦。對于大直徑工件在切齒前檢查缺陷要求。五件以上產(chǎn)品可抽查方法同表6（調(diào)質(zhì)鋼7.1項(xiàng)）7表面硬度7.1工件代表性

13、表面硬度2）最低55HRC或73HR30，抽查。5864HRC或75.781.1HR30N,抽查5864HRC或75.781.1HR30N,同爐熱處理件數(shù)5時(shí)全部檢查，否則抽查7.2模數(shù)12mm時(shí)齒寬中線齒根區(qū)域的表面硬度不規(guī)定滿足圖樣要求，抽查代表性試樣滿足圖樣要求，全部檢查或檢驗(yàn)代表性試樣12d308心部硬度21HRC以上25HRC以上35HRC以上推薦測量位置：齒寬中部齒根30切線的法向上，深度為5倍硬化層深，但不小于1倍模數(shù)?？砂醇夹g(shù)條件要求，或采用供需雙方協(xié)議的檢查方法進(jìn)行檢測。9有效硬化層深度（按GB/T9450檢驗(yàn)）用代表性試樣檢查或類似齒輪的同模數(shù)齒塊10至表面硬度降（在有效硬

14、化層深度范圍內(nèi)，次層最高硬度與表面硬度之差。）不規(guī)定對于工件或代表性試樣，硬度降低不超過2HRC。當(dāng)精加工狀態(tài)硬度650HV以上時(shí)，硬度降低限制在40HV以下硬度降低不能超過30HV11各種顯微組織檢查均可按GB/T8539中的代表性試樣上進(jìn)行。這種檢查對MQ任意，對ME必須檢查（對ML不要求）11.1表面含碳量限制不規(guī)定共析碳含量加+0.2-0.10%，建議代表性試樣中以細(xì)針馬氏體為主，11.2表面含氮量（碳氮共滲）不檢查按技術(shù)條件要求，一般含氮量不超過0.3%。11.3碳化物允許有半連續(xù)狀碳化物網(wǎng)允許有斷續(xù)的碳化物，對于代表性試樣，所有碳化物長度不超過0.02mm彌散狀碳化物，檢驗(yàn)代表性試

15、樣可按各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行1311.4殘余奧氏體（對代表性試樣金相法檢查）不規(guī)定25%以下25%以下且細(xì)小彌散可按各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行11.5表面非馬氏體（IGO）不規(guī)定滲層深度,e(mm) IGO（m） e0.75 170.75e1.50 251.50e2.25 382.25e3.00 50 e3.00 60滲層深度,e(mm) IGO（m） e0.75 12 0.75e1.50 20 1.50e2.25 20 2.25e3.00 25 e3.00 30若超差，可與用戶協(xié)調(diào)采用控制噴丸進(jìn)行補(bǔ)救。1212.112.213表面裂紋（在不影響齒輪完整性并經(jīng)用戶同意可去除表面缺陷3）齒部磁粉探傷3）心部顯微組織

16、（位置同第8項(xiàng)）不允許有裂紋。用磁粉或著色滲透探傷法抽查不規(guī)定不規(guī)定不允許有裂紋，磁粉探傷抽查率應(yīng)達(dá)到50%模數(shù)，mm 缺陷最大尺寸，mm 2.5 1.62.58 2.4 8 3.0按行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行不允許有裂紋，100%磁粉探傷，批量5件可抽查。抽查率高于MQ模數(shù)，mm 缺陷最大尺寸，mm 2.5 0.82.58 1.6 8 2.4不允許有塊狀游離鐵素體 注：1）見表6注3）； 2）由于尺寸和工藝的差別，齒根硬度可能略低于齒面硬度，允許值可由供需雙方協(xié)商； 3）在最終加工后的齒輪輪齒區(qū)域內(nèi)，任何質(zhì)量級別的材料都不允許有裂紋、爆裂、折皺。限制：25mm齒寬內(nèi)不超過1個(gè)，一側(cè)齒面內(nèi)不超過5個(gè)。在

17、工作齒高中線以下不允許存在，對于超標(biāo)缺陷，在不影響齒輪完整性并征得用戶同意情況下可以去除。14保持適當(dāng)?shù)挠行由頜EMQMLHRC17001600150014001300120050 55 60 65 500 600 700 800HV1 Hlim/（N/mm2）圖9 滲碳淬火鋼的Hlim15心部硬度30HRC心部硬度25HRC淬透性J=12mm時(shí)28 HRC心部硬度25HRC淬透性J=12mm時(shí)28 HRC60050040030020010012001000800600400200MEMQMLHRC450 500 600 700 80050 55 60 65HV1 Flim/(N/mm2)F

18、E/(N/mm2)保證適當(dāng)?shù)挠行由钭ⅲ篎E=FlimYST圖11 滲碳淬火鋼的Flim和FE161.4 硬齒面齒輪的應(yīng)用 齒輪的許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力都隨齒輪的強(qiáng)度（硬度）提高而提高，因此，隨著齒輪傳動(dòng)參數(shù)的提高及加工制造技術(shù)的進(jìn)展，國內(nèi)外已普遍地采用硬齒面齒輪。硬齒面齒輪的應(yīng)用不僅大大提高齒輪的承載能力，同時(shí)還可取得良好的經(jīng)濟(jì)效益（表10）。表10 轉(zhuǎn)矩2100Nm、其他條件相同情況下軟硬齒面齒輪性能參數(shù)及經(jīng)濟(jì)效益的對比鋼 材C4542CrMo20CrMo35CrMoV35CrMo20CrMo42CrMo熱處理正火調(diào)質(zhì)滲碳淬火滲氮感應(yīng)淬火滲碳淬火調(diào) 質(zhì)加工方法滾滾磨/滾剃磨磨中心距/m

19、m830650585490470390重量/kg850548603465262023901581安全系數(shù)抗點(diǎn)蝕1.31.31.31.31.41.6價(jià)格比（%）1321008578666317 2 齒輪鋼材的選擇2.1 齒輪鋼材的合金化表11 合金元素在鋼中的作用 形成碳化物時(shí)則降低淬透性元素內(nèi)容MnSiNiCrMoWVTiAlBC淬透性大大提高提高提高提高大大提高提高提高提高作用小特大提高提高形成碳化物傾向小中等中等大大大細(xì)化晶粒促進(jìn)長大小或無 作用小中等作用大作用大作用很大作用很大作用大促進(jìn)長大促進(jìn)長大強(qiáng)化鐵素體大最大中等小小小小溶入后作用大含量少 作用小回火穩(wěn)定性提高很小中等提高很小中等強(qiáng)

20、強(qiáng)強(qiáng)形成殘余奧氏體傾向很大一般大大減小強(qiáng)度、硬度提高提高提高提高提高提高提高稍提高稍提高提高提高耐磨性提高提高提高提高提高提高塑性提高0.8%提高提高提高提高1%提高提高提高含量少提高降低降低韌性提高降低大大提高提高提高提高提高0.05%提高降低降低182.2 齒輪鋼材的熱處理特性表12 齒輪材料的重要熱處理特性特性含 義設(shè) 計(jì) 時(shí) 考 慮 要 點(diǎn)淬透性 指鋼接受淬火而獲得馬氏體的能力，不同鋼種接受淬火的能力不同 淬透性不同的鋼，淬火后得到的淬透層深度不同，從而沿截面分布的金相組織以及機(jī)械性能也不同。淬透層深度是指由淬火表面馬氏體到50%馬氏體層的深度。全部淬透的工件通常表面殘留著拉應(yīng)力，容易

21、產(chǎn)生變形和開裂，同時(shí)對工件的疲勞性能也不利 1.零件尺寸越大，內(nèi)部熱容量越大，淬火時(shí)零件的冷卻速度越慢，因此，淬透層越薄，性能越差，這種現(xiàn)象叫做“鋼材的尺寸效應(yīng)”，所以，查閱手冊時(shí)不能根據(jù)小尺寸的性能數(shù)據(jù)用于大尺寸零件的強(qiáng)度計(jì)算，而必須考慮鋼材的淬透性 2. 大截面或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的齒輪采用多元合金鋼，保證足夠而適當(dāng)?shù)拇阃感?，保證沿整個(gè)截面有良好的綜合力學(xué)性能，同時(shí)，減少變形，防止開裂 3. 對碳鋼齒輪，由于碳鋼的淬透性低，在設(shè)計(jì)大尺寸時(shí)，正火和調(diào)質(zhì)效果相似，而正火可降低成本，所以，不必要求調(diào)質(zhì)。 4. 大模數(shù)調(diào)質(zhì)齒輪由于受到鋼材淬透性的限制，應(yīng)當(dāng)先開齒后調(diào)質(zhì)。淬硬性 指鋼在正常淬火條件下，以超過臨

22、界冷卻速度所形成馬氏體組織能夠達(dá)到的最高硬度 淬硬性與淬透性不同，它主要取決于鋼中的含碳量。鋼中含碳量越高，淬火后硬度越高，而與合金元素關(guān)系不大。所以，淬火硬度高的鋼不一定就淬透性高，而硬度低的鋼，也可能具有高的淬透性過熱敏感性 指鋼淬火加熱時(shí)奧氏體晶粒發(fā)生長大的敏感性 奧氏體晶粒長大往往使鋼材的力學(xué)性能降低，特別是沖擊韌性變壞，淬火時(shí)也容易形成裂紋。本質(zhì)粗晶粒鋼的過熱敏感性大，本質(zhì)細(xì)晶粒鋼只有加熱到930950以上時(shí)晶粒才顯著長大19回火穩(wěn)定性 指回火時(shí)減慢鋼的組織和性能的變化，使鋼的淬火硬度能保持到較高的回火溫度而不下降 回火穩(wěn)定性好的鋼可在較高的溫度回火，使韌性提高，內(nèi)應(yīng)力消除完善。合金

23、鋼的回火穩(wěn)定性比碳鋼好，因此，要達(dá)到同一回火硬度時(shí)，合金鋼的回火溫度可以比碳鋼高，故合金鋼的內(nèi)應(yīng)力比碳鋼小，韌性比碳鋼好變形開裂傾向 指鋼在加熱和冷卻過程中產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，其綜合作用超過鋼的s或b而產(chǎn)生變形開裂的傾向 加熱或冷卻速度太快、加熱和冷卻不均勻都容易造成工件變形甚至開裂，因此 1、設(shè)計(jì)齒輪時(shí)，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量避免尖角和厚薄斷面的突然變化 2、采用緩和的淬火介質(zhì)或淬火方法尺寸穩(wěn)定性 指零件在長期存放或使用中尺寸穩(wěn)定不變的性能。這對精密齒輪是很重要的 引起尺寸變化的主要原因是內(nèi)應(yīng)力的存在以及組織中殘余奧氏體的分解，因此，設(shè)計(jì)精密齒輪時(shí)，應(yīng)當(dāng)要求穩(wěn)定化處理，如淬火后進(jìn)行冷處理或低溫時(shí)效

24、，使馬氏體趨于穩(wěn)定，并減少內(nèi)應(yīng)力，以使齒輪尺寸穩(wěn)定回火脆性 指鋼在某一溫度范圍回火所發(fā)生的沖擊韌性降低現(xiàn)象 產(chǎn)生回火脆性的鋼，不僅室溫下的沖擊韌性較正常鋼為低，而且使鋼的冷脆溫度大為提高 合金結(jié)構(gòu)鋼在250400回火時(shí)引起沖擊韌性及斷裂韌性下降，這種現(xiàn)象一般稱為第一類回火脆性，它不能通過熱處理方法來消除，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮到這一點(diǎn) 某些合金結(jié)構(gòu)鋼（如Cr鋼、Cr-Ni鋼及Cr-Mn鋼）在375575回火后緩慢冷卻時(shí)也會產(chǎn)生脆性，一般稱為第二類回火脆性，快冷可以予以消除。對于截面較大的齒輪，可選用含有Mo或W的鋼，以消除或減小回火脆性。202.3 齒輪鋼材的冶金因素表13 齒輪鋼材質(zhì)量對齒輪強(qiáng)度性能和

25、工藝性能的影響鋼材質(zhì)量對齒輪性能影響項(xiàng)目表現(xiàn)形式工 藝 性 能強(qiáng) 度 性 能1成份元素波動(dòng)雜質(zhì)元素切削性（光潔度）變壞且熱變形波動(dòng)大。例如對CrMn系列鋼材而言，雜質(zhì)元素Mo0.04即對切削性產(chǎn)生不良影響。有些元素會降低齒輪硬化層表面質(zhì)量（如Si多時(shí)，促使表面層晶界氧化）從而降低齒輪疲勞壽命。2 淬透性高切削困難且熱變形大（如孔縮嚴(yán)重）易斷齒（因齒心部強(qiáng)度過高）低1光潔度差，去毛刺困難2熱處理后心部硬度偏低易產(chǎn)生齒面硬化層壓潰失效現(xiàn)象波動(dòng)大因齒輪材料硬度波動(dòng)而使制齒（如剃齒）精度下降，熱變形波動(dòng)增加3純凈度氧含量超標(biāo)降低齒輪材料疲勞強(qiáng)度夾雜物降低齒輪疲勞壽命S含量過低降低切削性4高倍組織晶粒度

26、過細(xì)切削性差過粗熱變形大疲勞壽命低混晶熱變形波動(dòng)大魏氏組織超 標(biāo)切削性差，熱變形波動(dòng)大帶狀組織超 標(biāo)同上粒狀貝氏體 過 多切削性差（料硬）熱變形大5低倍缺陷偏 析熱變形波動(dòng)大疏 松降低齒輪強(qiáng)度發(fā) 紋同上21（1）鋼材的純凈度表14-1 真空脫氣煉冶的效果表14-2 SCM420H鋼實(shí)物含氧分析 鋼材狀況含氧量(ppm)Al2O3（%）SiO2（%）TiO2（%）氧化物總量（%）普通冶煉4540.293.750.4554.12真空脫氣2010.402.3016.70鋼 廠含氧量（平均ppm）非 金 屬 夾 雜A1 AB1 BC1 CD1 DA9162.0，1.02.0，00，01.0，0.5B4

27、91.0，01.5，00，01.0，022圖15 真空脫氣精煉的效果真空脫氣精煉改善鋼材力學(xué)性能降低氧含量消除有害的氧化夾雜物提高鋼的清潔度改善鋼材加工性能微調(diào)化學(xué)成份適應(yīng)使用目的化學(xué)成分調(diào)整穩(wěn)定熱處理特性控制淬透性曲線形狀淬透性帶變窄減小變形穩(wěn)定滲碳性能提高疲勞強(qiáng)度改善冷加工性能23表15 含氧量對沖擊韌性的影響（2）鋼材的淬透性表16 國外幾大公司對齒輪鋼淬透性帶寬的要求 試 樣 號ABC普通冶煉含氧量（ppm）354143K（J/cm2）117.6102.985.3真空脫氣含氧量（ppm）161514K（J/cm2）151.9161.7166.6公 司鋼 系淬透性帶寬（HRC）典型鋼號德

28、國大眾ZFMnCr5CrMnB687816、28MnCr5ZF6、ZF7日本小松CrMoCrNiMo85SCM420SNCM420美國休斯通用CrNiMo8SAE862024（3）鍛件組織 鍛件存在兩個(gè)對以后熱處理影響較大的質(zhì)量問題：一是內(nèi)部缺陷造成淬火開裂，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象；二是帶狀組織，帶狀組織是由于鋼錠在凝固過程中形成枝晶偏析而后在軋制中輾成，這種帶狀組織特別容易造成嚴(yán)重的混晶（圖16），同時(shí)，微區(qū)成分的偏析會形成不均勻的淬火馬氏體、殘余奧氏體以及滲碳層深度和硬度。(4)齒輪鋼材的冶金質(zhì)量要求 齒輪鋼材的冶金質(zhì)量不僅影響到產(chǎn)品的機(jī)械性能，特別是疲勞性能，而且還影響到齒輪生產(chǎn)過程中的冷熱

29、加工性能。所以，對齒輪鋼材的冶金質(zhì)量有各種規(guī)定和要求（表17）。圖16 帶狀組織造成嚴(yán)重的混晶25表17 齒輪鋼材的冶金質(zhì)量要求項(xiàng)目名稱技 術(shù) 要 求疏松和偏析合金鋼按GB/T 3077-88規(guī)定不得超過表中數(shù)字鋼 種錠型偏析優(yōu)質(zhì)鋼3級高級優(yōu)質(zhì)鋼一般疏松中心疏松3級3級2級2級2.5級非金屬夾雜種類級別ABC2.52.52.0D2.5帶狀組織齒輪滲碳鋼要求不大于3級晶 粒 度按GB/T 3077-88要求鋼的本質(zhì)晶粒度不小于6級淬 透 性檢 驗(yàn) 標(biāo) 準(zhǔn)GB1979-80結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖缺 陷 名 稱級 數(shù)一般疏松和中心疏松4級一般點(diǎn)狀偏析和邊緣點(diǎn)狀偏析4級GB/T 10561-89鋼中

30、非金屬夾雜物顯微評定方法“鋼中非金屬夾雜物級別圖”GB/T 13299-91鋼的顯微組織評定方法共5級GB 6394-86金屬平均晶粒度測定法GB/T 5216-200X保證淬透性結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)用戶要求，按A、B、C、D四種方法訂貨262.4 齒輪用鋼的選擇 （1）調(diào)質(zhì)及表面淬火齒輪用鋼表18 調(diào)質(zhì)及表面淬火齒輪用鋼的選擇 注：低速、重載大齒輪用鋼的類基本上按淬透性劃分，可參看表46。備 注調(diào) 質(zhì)調(diào)質(zhì)+高頻淬火調(diào) 質(zhì)調(diào)質(zhì)+高頻淬火 1.少數(shù)直徑大、載荷小、轉(zhuǎn)速不高的末級傳動(dòng)大齒輪可采用SiMn鋼正火 2.根據(jù)齒輪截面尺寸大小及重要程度，分別選用各類鋼材（從到，淬透性逐漸提高） 3.根據(jù)設(shè)計(jì)，要求表

31、面硬度大于40HRC者應(yīng)采用調(diào)質(zhì)+表面淬火齒 輪 種 類 汽車、拖拉機(jī)及機(jī)床中的不重要齒輪 中速、中載車床變速箱、鉆床變速箱次要齒輪及高速、中載磨床砂輪齒輪 中速、中載較大截面機(jī)床齒輪 中速、中載并帶一定沖擊的機(jī)床變速箱齒輪及高速、重載并要求齒面硬度高的機(jī)床齒輪起重機(jī)械運(yùn)輸機(jī)械建筑機(jī)械水泥機(jī)械冶金機(jī)械礦山機(jī)械工程機(jī)械石油機(jī)械 等設(shè)備中的低速重載大齒輪 一般載荷不大、截面尺寸也不大，要求不太高的齒輪 截面尺寸較大，承受較大載荷，要求比較高的齒輪 截面尺寸很大、承受載荷大、并要求有足夠韌性的重要齒輪鋼 號 選 擇4540Cr、42SiMn、35SiMn、45MnB35、45、5540Mn、50Mn

32、2、40Cr、35SiMn、42SiMn35CrMo、42CrMo、40CrMnMo、45CrMnSi40CrNi、40CrNiMo45CrNiMoV35CrNi2Mo、40CrNi2Mo30CrNi3、4CrNi3Mo、37SiMn2MoV27 表19 滲碳齒輪用鋼的選擇表20 滲氮齒輪用鋼的選擇齒 輪 種 類 汽車變速箱、分動(dòng)箱、起動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)橋的各類齒輪 拖拉機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)裝置中的各類齒輪 機(jī)床變速箱、龍門銑電動(dòng)機(jī)及立車等機(jī)械中的高速、重載、受沖擊的齒輪 起重、運(yùn)輸、礦山、通用、化工、機(jī)床等機(jī)械的變速箱中的小齒輪選擇鋼號20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、25MnTiB、20MnVB

33、、20CrMo 化工、冶金、電站、鐵路、宇航、海運(yùn)等設(shè)備中的汽輪發(fā)電機(jī)、工業(yè)汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)、高速鼓風(fēng)機(jī)、透平壓縮機(jī)等的高速齒輪、要求長周期、安全可靠地運(yùn)行12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、20CrNi3、18Cr2Ni4W、20CrNi2Mo、20Cr2Mn2Mo17CrNiMo6 大型軋鋼機(jī)減速器齒輪、人字機(jī)座軸齒輪，大型皮帶運(yùn)輸機(jī)傳動(dòng)軸齒輪、錐齒輪、大型挖掘機(jī)傳動(dòng)箱主動(dòng)齒輪，井下采煤機(jī)傳動(dòng)齒輪，坦克齒輪等低速重載、并受沖擊載荷的傳動(dòng)齒輪齒 輪 種 類性 能 要 求選 擇 鋼 號一般齒輪表面耐磨20Cr、20CrMnTi、40Cr在沖擊載荷下工作的齒輪表面耐磨，心部韌性高18CrNiWA

34、、18Cr2Ni4WA、30CrNi3、35CrMo在重載荷下工作的齒輪表面耐磨，心部強(qiáng)度高30CrMnSi、35CrMoV、25Cr2MoV、42CrMo在重載荷及沖擊下工作的齒輪表面耐磨，心部強(qiáng)度高、韌性高30CrNiMoA、40CrNiMoA、30CrNi2Mo精密耐磨齒輪表面高硬度、變形小38CrMoAlA、30CrMnA282.5 常用齒輪鋼材的化學(xué)成分和力學(xué)性能表23 車輛齒輪引進(jìn)、消化用鋼系列鋼材牌號化 學(xué) 成 份 %國內(nèi)牌號國外牌號CSiMnPSNiCrMoAlCuTiB16CrMnTiH*0.130.180.170.370.801.100.0300.0350.901.200.

35、200.040.1020CrMnTiH10.180.231.001.3020CrMnTiH220CrMnTiH320CrMnTiH420CrMnTiH50.901.251.101.4520CrMnTiH616MnCrH16MnCr50.140.200.121.001.400.020.0350.901.200.020.05520MnCrH20MnCr50.170.231.101.501.001.3025MnCrH25MnCr50.230.280.600.800.801.1028MnCrH28MnCr50.250.300.150.1016CrMnBHZF60.130.180.150.401.001

36、.300.0150.0350.801.100.0010.00318CrMnBHZF70.150.201.001.3017CrMnBHZF7B17Cr2Ni2HZF10.150.190.150.400.400.601.401.701.401.7016CrNiH16CrNi40.130.180.150.350.701.100.020.040.801.200.801.200.100.020.0519CrNiH19CrNi50.160.210.020.03517Cr2Ni2MoHZF1A0.150.190.150.400.400.600.0150.0351.401.701.501.800.250.35

37、20CrNiMoH18620H10.170.230.150.350.600.950.0170.0320.350.750.350.650.150.250.020.04520CrNiMoH28620H215CrMoH*0.130.180.170.370.400.700.0250.801.100.250.4520CrMo0.180.230.150.2520CrMoHSCM4200.170.230.170.350.55.900.0350.851.250.150.350.020.050.1535CrMo0.320.400.170.370.400.700.801.100.150.250.2020CrH*0

38、.180.230.500.800.701.0040Cr0.370.440.801.1029表28 國外常用的齒輪滲碳鋼國 家（標(biāo) 準(zhǔn)）鋼 號化 學(xué) 成 分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）CSiMnPSNiCrMo其它美 國（AISI SAE）4118H4320H4620H4720H4820H8620H8720H8822H9310H0.170.230.160.230.170.240.170.230.170.240.170.240.170.240.190.250.070.140.200.350.200.350.200.350.200.350.200.350.200.350.200.350.200.350.200

39、.350.601.000.400.700.400.700.450.750.450.750.600.950.600.950.701.050.400.700.0400.0400.0400.0400.0400.0400.0400.0400.0400.0400.0400.0400.0400.0400.0400.0400.0400.040-1.502.001.502.000.851.253.203.800.350.750.350.750.350.752.953.550.300.700.350.65-0.300.60-0.350.650.350.650.350.651.001.450.080.150.20

40、0.300.200.300.150.250.200.300.150.250.200.300.300.400.080.15-日 本（JIS）SCr420HSCM420HSCM822HSNC815HSNCM220HSNCM420H0.170.230.170.230.190.250.120.180.170.230.170.230.150.350.150.350.150.350.150.350.150.350.150.350.550.900.550.900.550.900.600.850.600.950.400.700.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.030-3.003.500.350.751.552.000.851.250.851.250.851.250.701.000.350.650.350.65-0.150.350.350.45-0.150.300.150.30-英 國（BS）En35AEn353En352En3610.200.250.200.200.130.170.100.350.350.