要實(shí)現(xiàn)齒輪產(chǎn)品的性能，一方面需要一個(gè)好的設(shè)計(jì)，另一個(gè)很重要的方面就是齒輪材料的選擇和質(zhì)量控制。本文討論這個(gè)問題。

齒輪材料的基本要求：

為保證齒輪工作的可靠性，提高齒輪的使用壽命，應(yīng)根據(jù)工作條件和材料特性選擇齒輪的材料和熱處理。齒面應(yīng)具有足夠的硬度和耐磨性，齒心應(yīng)有足夠的韌性，以防止齒面發(fā)生各種失效。同時(shí)應(yīng)具有良好的冷熱加工工藝，以滿足齒輪的各種技術(shù)要求。

常用的齒輪材料有各種牌號(hào)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼、鑄鐵和非金屬材料。一般使用鍛件或軋鋼。當(dāng)齒輪結(jié)構(gòu)尺寸較大、輪坯不易鍛造時(shí)，可采用鑄鋼。開式低速傳動(dòng)可采用灰鑄鐵或球墨鑄鐵。低速重載齒輪齒面容易發(fā)生塑性變形，齒輪齒也容易折斷。宜選用綜合性能較好的鋼材。高速齒輪齒面容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕，應(yīng)采用硬度高的材料。承受沖擊載荷的齒輪應(yīng)采用韌性好的材料。對于高速、輕載、低噪聲的齒輪傳動(dòng)，也可采用布匹膠木、尼龍等非金屬材料。

鋼制齒輪的熱處理方法

主要有以下幾個(gè)方面：

1.表面淬火：常用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr鋼等，表面淬火后，齒面硬度一般為40～55HRC。其特點(diǎn)是抗疲勞點(diǎn)蝕，抗膠合能力強(qiáng)，耐磨性好。由于齒芯未硬化，齒輪仍有足夠的韌性承受較小的沖擊載荷。

2.滲碳淬火：常用于低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr鋼等，滲碳淬火后，齒面硬度可達(dá)56～62HRC，齒心仍保持較高的韌性。齒的彎曲強(qiáng)度和齒面接觸強(qiáng)度高，耐磨性好。通常用于沖擊載荷。齒輪傳動(dòng)。齒輪滲碳淬火后，輪齒變形較大，應(yīng)進(jìn)行磨削。

3.滲氮：滲氮是一種表面化學(xué)熱處理。滲氮后無需其他熱處理，齒面硬度可達(dá)700-900HV。由于滲氮后齒輪硬度高、工藝溫度低、變形小，適用于內(nèi)齒輪和難以磨削的齒輪。常用于含鉻、銅、鉛等合金元素的鋼滲氮，如38CrMoAlA。

4.回火：回火一般用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr、35SiMn鋼等，調(diào)質(zhì)后齒面硬度一般為220～280HBS。由于輪齒硬度較低，可在熱處理后進(jìn)行精加工。

5.正火：正火可以消除內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒，提高機(jī)械性能和切削性能。機(jī)械強(qiáng)度低的齒輪可采用中碳鋼正火，大直徑齒輪可采用鑄鋼正火。

一般規(guī)定的傳動(dòng)齒輪可選用軟齒面?zhèn)鲃?dòng)齒輪。以便減少膠合板的概率，并使匹配的尺寸傳動(dòng)齒輪使用壽命非常，一般 使傳動(dòng)齒輪軸頸強(qiáng)度比傳動(dòng)輪軸頸強(qiáng)度高于30-50HBS。對于高速、重載或重要的齒輪傳動(dòng)，可采用硬齒面齒輪組合，齒面硬度可大致相同。

從齒輪設(shè)計(jì)的角度看，對材料和熱處理的要求：材料要求成分體系合理，基本為細(xì)晶粒鋼，具有適當(dāng)?shù)拇阃感院透呒兌?。其中熱處理要求主要包括表面硬度、芯部硬度、殘余?yīng)力、組織（非馬氏體、殘余奧氏體、晶粒尺寸）。確保其符合GB3480.5《正齒輪和斜齒輪承載能力計(jì)算第5部分：材料強(qiáng)度和質(zhì)量》中ME級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

齒輪材料相關(guān)研究重點(diǎn)：

為了獲得更好的齒輪成品，齒輪鋼應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1、嚴(yán)格控制材料中的夾雜物。大尺寸夾雜物的危害尤為嚴(yán)重，表層、亞表層和齒根的危害尤為嚴(yán)重。一般認(rèn)為氧化物夾雜的危害性高于硫化物夾雜。嚴(yán)格控制夾雜物，可采取以下措施：對每一澆注時(shí)間的實(shí)際首末分別進(jìn)行標(biāo)識(shí)、單獨(dú)管理、單獨(dú)取樣檢測；增加取樣量和取樣面積，從檢測方面進(jìn)行控制；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中明確了發(fā)紋要求，加強(qiáng)對宏觀非金屬夾雜物的檢測；提高檢測水平要求，部分鋼種要求浸水檢測。

2、嚴(yán)格控制材料的淬透性。材料的淬透性直接影響熱處理后鋼的硬度（力學(xué)術(shù)性能），進(jìn)而影響零件的壽命，零件的熱處理變形，即零件的尺寸精度，進(jìn)而影響零件的壽命。采用兩臺(tái)不同淬透性材料零件的熔爐，在相同的加工和熱處理?xiàng)l件下，對熱處理后的零件進(jìn)行累積比較，發(fā)現(xiàn)材料淬透性對零件熱處理后的尺寸有顯著影響。我們可以采取的措施是：細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)，對同一種材料制定不同的淬透性版本，與設(shè)計(jì)部門溝通，明確不同淬透性版本材料的使用范圍。目前，世界一流的齒輪制造企業(yè)一般按照4HRC控制材料的淬透性帶寬。對于專用齒輪，帶寬甚至應(yīng)控制在HRC2以內(nèi)。

3、開發(fā)非調(diào)質(zhì)鋼系列在齒輪上的應(yīng)用。非調(diào)質(zhì)鋼不需要調(diào)質(zhì)，就可以獲得調(diào)質(zhì)后能達(dá)到機(jī)械性能的碳鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼，避免了調(diào)質(zhì)時(shí)硬化層深度較淺的問題。減少空調(diào)過程，提高效率，節(jié)能減排。相關(guān)廠家研制的用于滲氮的非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)度與42CrMoH相當(dāng)，滲氮速度快，比42CrMoH高30%；滲氮后表面硬度高于42CrMoH。

4、精確控制相關(guān)熱處理參數(shù)。隨著離子滲氮、真空滲氮和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在熱處理工藝中的應(yīng)用，使?jié)B氮層成分的控制變得容易。德國Cl?ckner-離子公司在離子滲氮?dú)怏w滲氮方面有著突出的成就，加拿大NITREX金屬公司和德國IVA公司已經(jīng)形成了一個(gè)共同的公司商業(yè)軟硬件系統(tǒng)。由于真空滲氮可以活化和清潔金屬表面，在加熱、保溫和冷卻的整個(gè)過程中排出不純凈的微量氣體，并將含有活性物質(zhì)的純復(fù)合氣體送入，從而控制和調(diào)整表層結(jié)構(gòu)。我國離子滲氮和計(jì)算機(jī)滲氮技術(shù)在國際上是先進(jìn)的。新開發(fā)的計(jì)算機(jī)控制滲氮工藝徹底改變了傳統(tǒng)的以氨分解速率控制參數(shù)的模式，直接控制氮?jiǎng)?，并提供了形成白亮層的閾值曲線。鄭州機(jī)械研究院深度滲氮單相控制技術(shù)已獲專利。

齒輪材料發(fā)展方向：

對于材料本身，我們的齒輪材料應(yīng)滿足以下條件：材料純度高，非金屬夾雜物含量減少，尺寸減小，間距增大，S鋼和含S化合物的細(xì)小夾雜，O含量≤10ppm，H≤1ppm；淬透性區(qū)窄，帶寬控制在4HRC，同爐波動(dòng)≤2HRC；采用微合金化技術(shù)，采用低晶間氧化物鋼，提高強(qiáng)度和韌性。

熱處理工藝的發(fā)展方向主要是：真空熱處理技術(shù)的推廣和應(yīng)用；采用強(qiáng)化拋丸技術(shù)，以表面殘余壓應(yīng)力為評價(jià)指標(biāo)；應(yīng)用強(qiáng)穿透和滲透技術(shù)，大大降低能耗提高生產(chǎn)力。

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