齿轮常用材料的选择及其热处理工艺分析

咸长城

摘 要：齿轮材料的选择和热处理工艺的应用都会在一定程度上决定齿轮材料的质量和性能。现在随着工艺水平的提高，应用于齿轮制造的材料类型越来越多，很多常用的材料如锻钢、铸钢、铸铁和其他金属、非金属材料都可以应用于制造齿轮。同时热处理方式也非常多，如渗碳、渗氮、表面淬火等等方式都已经得到了推广，所以总体上来看，齿轮的热处理工艺更复杂。针对不同的齿轮，我们要在材料的选择和工艺的采用上都加以重视，这样才能保证齿轮材料的性能可以得到发挥。

关键词：齿轮材料；热处理；性能；承载能力

齿轮零件应用于各种传动系统当中，在齿轮材料工作过程中，也往往承受着最为复杂的应力，不仅仅要齿轮齿根所给的循环弯曲应力，同时也有齿面之间有所形成的力，如果齿面有较大的摩擦力，在齿轮啮合过程中，也会承受一定量的冲击力。所以在正常情况下，齿轮的使用过程中，要避免齿面的严重磨损，否则非常出现断齿和疲劳点的生成。对已经加工完毕的齿轮零件进行热处理，可以大大提高齿轮材料的抗弯曲能力和硬度，本文针对这些问题进行了总结和分析。

1 齿轮材料的选择

1.1 齿轮材料选择的原则

如果齿轮轮齿的冲击载荷能力和自身的刚度有所不足，则要应用有着较强韧性的材料，比如将低碳钢来进行渗碳淬火的方式来进行处理，以此来提高材料刚度。

如果闭式变速器和齿轮面在工作中容易出现点蚀，则可以就用具有较高齿面硬度的材料，将碳钢进行表面硬化处理就可以取得较好的效果。

对于运行速度较低、中度荷载并且较易折断同时较易出现磨损的齿轮，可以应用具有较高机械强度和硬度的材料，可能将碳钢进行调质精切，以此来提高材料的综合机械性。

为了可以便于管理，需要尽量保证所有的齿轮应用相同的材料来进行加工，这对材料的供应也有一定的要求。

如果对于齿轮零件有着较高的尺寸精度需要，可以应用合金钢材料，其有着较强的耐磨性，可以适合于使用需要。

1.2 铸铁

铸铁材料一般情况下用于制造开式传动齿轮。灰铸铁当中有石墨材料，可以在工作中起到一定的润滑作用，大大降低了摩擦力，同时其成本低廉，有着很好的加工性能，所以得到了很广泛的应用。但是铸铁材料也有着一定的缺陷，如抗弯能力不足，并且材料脆性较强，这会直接影响到其抗冲击能力。在灰铸铁当中，很多常见的基础型号都可以应用于一些承载能力、传送速度不高，同时对抗冲击能力没过高的要求但是设计紧凑性很强的齿轮体系结构中。如果要应用于闭式传动体系，则可以应用球墨铸铁，现在已经得到了一定的推广。铸铁齿轮对于耐磨性有较高的要求，需要经过表面淬火处理，这对齿轮综合性能的保证来说非常重要。

1.3 铸钢材料

如果所需要加工的齿轮有着较大的外廓尺寸，则多应用和铸钢材料，铸钢材料有着较强的承载能力，可以用于制造结构更为复杂的齿轮，但是和锻钢齿轮相比起来，铸钢齿轮的强度要低一些。农用机械对于齿轮机械的精度要求并不高，所以并不需要进行特殊处理，但是用作传动结构当中的齿轮，则需要进行处理来保证整体结构的精度，在这种情况下，可以从加工工艺的过程入手，通过正火和退火处理来将应力不符合标准的材料加以处理和消除，保证切削加工性能，让其可以更适合于复杂加工的需要。如果铸钢齿轮的要求较低，并且工作中的转动速度较低，则可以应用表面淬火处理，这对于其耐磨性能的提来也说也非常有利。ZG270-500、ZG310-570等铸钢齿轮，铸造之后正火，粗加工后表面淬火+低温回火，可满足性能要求。

1.4 锻钢

根据齿面的软硬程度，钢制齿轮包括软齿面齿轮和硬齿面齿轮，它们之间的分界线是布氏硬度为350HBS的时候，大于350HBS为硬齿面，反之则是软齿面。

（1）软齿面齿轮。软尺面齿轮，工艺路线：锻造毛坯→正火→粗车→调质、精加工。常用材料；45#、35SiMn、40Cr、40CrNi、40MnB等。软齿面齿轮的特点：性能优良，齿面本身的硬度、强度都理想，齿心的韧性好；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）硬齿面齿轮。采用中碳钢时的加工工艺过程为：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。硬齿面齿轮的特点有以下几点：a.齿面硬度高HRC=48-55，接触强度高，耐磨性好。b.齿芯保持调质后的韧性高，耐冲击能力好，承载能力较高。c.精度下降半数，可达7级精度。d.适合批量化生产，如：汽车、机床等中速中载变速箱齿轮。

1.5 有色金属

黄铜、铝青铜、硅青铜、锡青铜制造的齿轮比较常见。对于抗腐蚀，耐磨性要求较高的齿轮或者是承载能力不大的齿轮而言，这些材料都是非常理想的选择。而对于要求质量比较小的齿轮而言，硬铝和超硬铝则是首选。

2 典型齿轮选材及热处理工艺

2.1 机床齿轮

机床齿轮的作用是传递动力、改变运动速度和方向，相对于汽车、拖拉机的齿轮而言，机床齿轮所承载的工作负荷小很多，并且一般都处于中等工作速度（6～10m/s）运转比较平稳，因此常选用钢或40Cr钢制造，工艺路线为：下料-锻造-正火-粗加工-调质-粗加工-高频淬火及低温回火-精磨。锻造以使同一批毛坯具有相同的硬度，便于加工，使组织均匀，减少锻件的应力。普通齿轮，正火处理也可作预先热处理工序。

2.2 汽车齿轮

汽车齿轮的工作条件比机床齿轮的工作条件差很多，在主传动系统中，齿轮的应力较大，对齿轮的影响很大，所以对齿轮材料的要求很高。由于汽车齿轮的弯曲应力和接触应力较大，对于如此重要的齿轮，需要进行渗碳处理和淬火热处理，使齿轮的耐磨性和耐疲劳性增强。齿轮芯应具有足够的强度和韧性，需要淬透性要求较高的材料，心部硬度应为35到45HRC之间。此外，在批量生产时，必须注意材料的力学性能和工艺性能。选用20CrMnTi钢具有较高的机械性能，经过淬火和低温回火的热处理后，其表面硬度可达到58～62HRC，心部硬度可以达到30～45HRC。如果想增加表面应力也应采用喷丸处理，使表面压应力增大。因此渗碳齿轮的工艺路线为：下料-锻造-正火-切削加工-渗碳、淬火及低温回火-喷丸-磨削加工。锻造能够是工件齿轮成形，改善组织，使韧性增大。

3 总结

经过前文分析我们不难发现，齿轮材料和选择可以直接决定齿轮的成品质量，同时热处理工艺的选择也会在一定程度上提高的齿轮的使用周期，这就需要工作人员可以對于各种材料都有足够的了解，结合齿轮的使用要求和使用环境选择最为合适的加工工艺，保证齿轮材料的质量，这对于齿轮零件质量的提高来说非常有利。本文针对齿轮常用材料的选择和热处理和工艺进行了总结和分析，希望可以给相关工作的开展提供一些参考。

参考文献

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