浅议热处理工艺对齿轮性能的改变

梁丽红

久益环球(天津)装备制造有限公司 天津 300300

在机械设备当中，除了较为常见的一般性零件外，还会使用到螺母、螺栓、齿轮和弹簧等的标准件、常用件。国家标准对这些零件的尺寸、结构和具体参数、技术都做了完备的规定，以求降低制造的设计工作量，提高制造的效率和产量。但是国家方面只是对这些构件的基本情况做了规定，但是材料不同、热处理工艺的不同，材料的性能也会发生变化，本文就主要围绕齿轮这种最为基本的构件，探究热处理工艺对其性能的影响。

1 不同材料制造的齿轮性能存在差异化

齿轮需要按照具体的工作条件和特定需求，选择合适的材料，不同的材料对齿轮的工作性能以及寿命都会产生至关重要的影响。比如速度比较高的齿轮传动，便容易产生疲劳点蚀，因此就需要选择齿面硬度比较坚硬的材料；对于有冲击载荷的齿轮传动，因为其比较容易折断，所以尽可能选择韧性比较理想的材料；低速重载的齿轮传动，因为其比较容易折断，所以就应该选择机械程度高、齿面硬度更高的材料进行制造[1]。

首先，45钢热处理后制造的齿轮，会具有非常理想的综合机械性能。而经过调质或正火，齿轮的金相组织以及材料的可削性，并且降低表面的粗糙程度。因为45钢本身的淬透性并不理想，而且经过淬火以后的变形程度较高，所以大多会采用齿轮表面淬火的方式进行加工制造。

其次，400Cr是中碳合金钢，用其制造的齿轮和45钢相比，因为加入了少量铬合金的缘故，让金属晶粒更加细化，减少了淬火时变形的可能性。

再次，使用低碳合金钢18CrMnTi，其能够确保齿轮的表面获得较高的硬度、而内心却又能够拥有足够的韧性以及较高的抗弯曲、抗疲劳程度。这种材料具有非常理想的切削性，渗碳时工件的变形程度也会比较低，多用于汽车、拖拉机中需要有较大承载压力的齿轮。

最后，38CrMoAIA氮化钢，经氮化处理后生成的齿轮具有更好的耐腐蚀性和耐磨性，其变形的可能性更低，甚至于可以不用磨齿就投入使用，目前此类型材料制作的齿轮大多用于高速传动的设备和机械当中[2]。

2 在齿轮制造过程中不同阶段，不同的热处理也可提高齿轮的性能

齿轮制作主要分为两个非常重要的阶段，其在各自的阶段借助不同的热处理方式，也会产生不同的性能效果。

2.1 齿轮毛胚的制造

齿轮毛胚的形式主要是使用锻件、棒料、铸件等尺寸比较小、结构相对简单的齿轮。锻件则用于齿轮相对要求较高，强度性、耐冲性和耐磨性都有着明确要求的齿轮制造，当齿轮的直径处于400-600mm之间时，就可以采用铸造的方法铸造齿轮，以求降低机械加工量，制造出低精度、大尺寸的齿轮。

齿坯的热处理最常用的就是正火或者调质的方法，正火一般安排在锻造或者锻造之后，正式进行切削加工之前，如此就可以全面消除钢件当中残存的内应力，更调整了锻造以后组织上的不均匀性，让结晶得到重新组织，改善了齿轮表面的粗糙程度，更降低了因为淬火而出现的变形倾向[3]。调质同样还具有均匀组织和细化颗粒的作用，只是其切削性相对较差、韧性相对较高；而对于棒料齿坯，处于消除粗车生成的内应力的目的，正火或调质一般安排在粗车之后。

2.2 轮齿的热处理

轮齿常用的热处理工艺主要包括三种，分别是高频淬火、氮化以及渗碳。其中高频淬火可以形成较之普通淬火更加强硬的表面，且维持了中心的强度以及韧性；氮化则是将齿轮放置在氮气当中直接加热到520-560度范围，让活性的氮原子彻底渗入轮齿表面，形成高硬度的氮化物薄层；渗碳则是让齿轮在经历过淬火以后，表面具有更高的硬度、而且更加耐磨，同时齿轮的心部同样能够保持较高的硬度和韧性[4]。

3 热处理工艺与材料金相组织的变化阐释

3.1 正火对渗碳齿轮产生的影响

正火组织中存在着粗大的粒状贝氏体，遇到锻造时的高温加热、就有可能面临奥氏体晶粒的粗大、不均匀等一系列问题；另一方面，奥氏体晶粒内含的低碳合金钢具有非常鲜明的组织遗传性，在经过锻造后冷却时，粗大晶粒部分很容易获得非常稳定的显微组织；而晶粒细小部分则更容易获得F+P。同时，在后期加热的过程中，渗碳会因组织遗传形成新的粗大晶粒，促使淬火内应力分布不均，基于此则可以采用较长时间的二次正火和高温的方法，通过相变硬化，让奥氏体在高温的条件下再度结晶，进而达到消除组织遗传、细化精粒、保障齿轮正常使用的效果和作用。

3.2 碳、氮共渗及淬火对齿轮产生的影响

低碳钢件经过渗碳可以让钢件的表面获得较高的碳浓度，再经过适当的回火或淬火处理，就可以提高钢件表面的耐磨性、硬度以及抗疲劳程度，同时让心部保持很好的韧性及塑性[5]。但是因为奥氏体晶粒大、渗碳温度高，残余的奥氏体耐磨性降低、变形程度高、组织也会变得非常粗大；采用碳氮共渗则温度较低，晶粒不断长大的可能性很低，而且在预冷淬火后可以得到含氮马氏体、残余奥氏体及碳氮化合物全新物体，其不仅变形小、颗粒程度低，而且经过如此操作得到的齿轮其耐磨性更为理想，内部组织更保证了其本身具有极高的抗冲击性和强度。

4 结语

通过对以上内容展开分析，我们可知要想借助热处理帮助齿轮发挥更为理想的性能，需要从这样几个角度来实现：

第一，合理选择用以制造齿轮的材料；第二，合理选择热处理工艺，避免齿轮当中出现缺陷组织；第三，合理锻造、降低碳化物的带状偏析，确保齿轮内部组织的均匀性、进而减少内应力。