齿轮材料的合理选择

齿轮材料的合理选择及热处理齿轮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，使用寿命长。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。齿轮材料的选择和齿轮的工作可靠性、使用寿命、工作效率、润滑要求等密切相关。在齿轮传递动力和改变速度的运动过程中，啮合齿面之间同时存在滚动和滑动摩擦，齿面还受到脉动或交变弯曲应力的作用，还有齿面可能发生磨损、胶合及疲劳破坏，因此要求齿轮具有优良的耐磨性能、抗接触疲劳性能和抗弯曲疲劳性能，即要求齿轮材料表面硬度高、强度高、芯部韧性好且硬化层分布合理。在实际选用中还应根据需要和使用条件如负荷、速度、温度、可靠性、质量、精度、价格等因素来确定齿轮选材。目前，工业制造领域的齿轮选材主要以钢为主，包括各种低碳钢、中碳钢、高碳钢和合金钢。而铝、镁、钛、铜合金、铸铁，甚至塑料和木材等都可用于制作齿轮。通常，为了改善和提高齿轮材料的性能或降低成本，可以采用化学处理、表面强化处理以及复合处理等表面改性技术。选取齿轮材料要充分考虑材料的经济性、强度和齿轮精度等，不同设备的需求自然也大为不同。就仪器设备、家用器具、玩具等小负荷齿轮而言，可以选择造价低、生产率高的复合塑料齿轮。而坦克、冷轧机等重负荷执行机械，则需要材料及加工要求更高的各种金属和合金材料。如果在航空航天工业中应用，则要求更高的可靠性、精度和轻重量，制造成本放在次要位置。下面就主要几类齿轮材料一一进行分析：1、钢材齿轮用钢多为合金钢，少数为碳钢。通常为降低成本，可以对中碳钢和低合金钢进行各种热处理以提高其强度和硬度。表面硬化处理亦可提高合金钢齿轮材料的强度，使其适用于高负载和中等温度使用的工况。而当齿轮的使用条件进一步提高时，往往需要对齿轮进行淬火以提高其强度和硬度。或通过表面渗碳及表面氧化处理事齿轮表面硬化，以提高其抗疲劳性能，改善其抗胶合和抗磨性能。就发展趋势而言，应大力推广使用强度和硬度较高的硬齿面齿轮，并通过优化齿轮选材及润滑方式来延长齿轮的使用寿命。2、铸铁常用的铸铁主要包括：灰铸铁、球墨铸铁、可煅铸铁和合金铸铁等4种。与钢相比较，铸铁的合金成分较低，加工性能更好。铸铁中存在的游离石墨和多孔性结构使齿轮的耐磨性良好、噪音小、成本低，可以广泛应用于各类齿轮传动。由于铸铁具有的良好滑动特性，在许多负荷不大、工作条件不苛刻的涡轮传动中可用铸铁涡轮替换铜合金涡轮。总而言之，铸铁是经济适用的齿轮材料。3、有色金属齿轮工业中应用最多的是有色金属为铜和铜合金。其中常用的是锡青铜和铝铁青铜，大多数用于制造涡轮。但含硫添加剂对铜具有腐蚀作用，应尽量慎用。另外，强度较高和机械加工性能较好的铸造铝合金适合制作齿轮或涡轮，但滑动性和抗磨性能稍差，因此仅可用于轻、中负荷和中低转速齿轮。4、非金属材料目前，随着材料科学的飞速发展，不少非金属材料也越来越多的应用在齿轮产品的制作上，并且某些性能接近或超过了金属材料。比如，过去在较低负荷下使用的木材齿轮，已逐渐被部分聚合物复合材料成功替代，用于制作轻负荷、中负荷条件下运行的中小型齿轮。高聚合物材料在制作中引入了金属、金属氧化物、纳米微粒、增强纤维等，可以大幅度提高在各种润滑条件下的抗摩擦磨损性能。特别是某些要求无油润滑、可靠性高、污染小等条件的领域，如家用电器、医疗器械、食品机械和纺织机械等则更适合以聚合物复合材料制作的齿轮。此外，大批量的生产塑料或塑料金属齿轮可以有效降低生产成本，并且更适用于存在污染及多粉尘的不利环境。5、粉末烧结金属粉末烧结金属是指通过在烧结粉末中引入添加剂（如在铁粉中添加铜粉），以提高其强度的一种制备工艺较先进的材料形式。另外，将金属粉末烧结预成型件加热到锻造温度后还可以对零件进行锻造加工，从而使得相应齿轮的强度和力学性能接近由锻造材料制作的齿轮，而成本明显低于机加工或常规锻造工艺，是用于制作高强度齿轮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，这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。满足材料的工艺性能材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。例如汽车变速箱中的齿轮选择20CrMnTi钢，该钢具有较高的机械性能，在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为58-62HRC，芯部硬度为30-45HRC。20CrMnTi的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。此外，20CrMnTi还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火。且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据齿轮的工作条件选用20CrMnTi钢是比较合适的。为了保证齿轮工作的可靠性，提高其使用寿命，齿轮的材料及其热处理应根据工作条件和材料的特点来选取。对齿轮材料的基本要求是：应使齿面具有足够的硬度和耐磨性，齿心具有足够的韧性，以防止齿面的各种失效，同时应具有良好的冷、热加工的工艺性，以达到齿轮的各种技术要求。常用的齿轮材料为各种牌号的优质碳素结构钢、合金结构钢、铸钢、铸铁和非金属材料等。一般多采用锻件或轧制钢材。当齿轮结构尺寸较大，轮坯不易锻造时，可采用铸钢。开式低速传动时，可采用灰铸铁或球墨铸铁。低速重载的齿轮易产生齿面塑性变形，轮齿也易折断，宜选用综合性能较好的钢材。高速齿轮易产生齿面点蚀，宜选用齿面硬度高的材料。受冲击载荷的齿轮，宜选用韧性好的材料。对高速、轻载而又要求低噪声的齿轮传动，也可采用非金属材料、如夹布胶木、尼龙等。钢制齿轮的热处理方法主要有以下几种：1．表面淬火常用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr钢等。表面淬火后，齿面硬度一般为40～55HRC。特点是抗疲劳点蚀、抗胶合能力高，耐磨性好。由于齿心部末淬硬，齿轮仍有足够的韧性，能承受不大的冲击载荷。2．渗碳淬火常用于低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr钢等。渗碳淬火后齿面硬度可达56～62HRC，而齿心部仍保持较高的韧性，轮齿的执弯强度和齿面接触强度高，耐磨性较好，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。齿轮经渗碳淬火后，轮齿变形较大，应进行磨齿。3．渗氮渗氮是一种表面化学热处理。渗氮后不需要进行其他热处理，齿面硬度可达700～900HV。由于渗氮处理后的齿轮硬度高，工艺温度低，变形小，故适用于内齿轮和难以磨削的齿轮，常用于含铬、铜、铅等合金元素的渗氮钢，如38CrMoAlA。4．调质调质一般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、35SiMn钢等。调质处理后齿面硬度一般为220～280HBS。因硬度不高，轮齿精加工可在热处理后进行。5．正火正火能消除内应力，细化晶粒，改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可采用中碳钢正火处理，大直径的齿轮可采用铸钢正火处理。一般要求的齿轮传动可采用软齿面齿轮。为了减小胶合的可能性，并使配对的大小齿轮寿命相当，通常使小齿轮齿面硬度比大齿轮齿面硬度高出30-50HBS。对于高速、重载或重要的齿轮传动，可采用硬齿面齿轮组合，齿面硬度可大致相同。材料的经济性要求所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。我们可以从以下几方面考虑：从材料本身价格来考虑。碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。从齿轮生产过程的耗费来考虑。首先，采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样，如12CrNi3A钢渗碳表面淬火的费用要比氮化处理的费用少得多，而碳氮共渗又具有生产周期短和成本低的特点。其次，通过改进热处理工艺也可以降低成本。如某GearreasonablechoiceofmaterialsGearsisthemostwidelyusedinmodernmachinesofamechanicaltransmissionparts.Gearsmeshingwitheachothertopassthroughthetoothspacebetweenanytwoaxesofmotionandmomentumandcanchangetheformofmovementandspeed.Theuseofawiderangeofgear,transmissionratioconstant,higherefficiencyandlongservicelife.Inthemechanicalpartsproductdesignandmanufacturingprocess,notonlytoconsiderthepropertiesofthematerialstoadaptpartsoftheworkingconditions,sothatpartsdurableandrequirematerialsprocessingtechnologybetterperformanceandeconomyinordertoimprovepartsproductivity,reducecostsandreduceconsumption.Iftheimpropergearmaterialselectionoccursearlypartsdamageandevenfailure.Therefore,rationalselectionanduseofmetalmaterialsisaveryimportanttask.TomeetthemechanicalpropertiesofmaterialsMaterials,mechanicalproperties,includingstrength,hardness,ductilityandtoughness,whichreflectsthematerialsusedintheprocessof