浅谈合金材料中不同金属元素对齿轮机械性能和热处理的影响

仇 朋

（莱芜钢铁集团粉末冶金有限公司，山东 济南 271104）

齿轮属于高强度、高精度元件，在生产制造过程中，机械性能以及热处理性能是两个重要的技术参数。近年来，随着工业生产现代化水平的逐年提升，新技术、新材料、新工艺应运而生，尤其生产齿轮的合金材料，其中的金属元素种类不断增加，这些金属元素在改善齿轮的机械性能，延长齿轮使用寿命等方面发挥了积极的促进作用，进而为生产企业创造了更多的经济效益。

1 合金材料中不同金属元素对齿轮机械性能的影响分析

1.1 不同金属元素的机械性能分析

20CrMnTi 与20CrNiMo 合金钢材料强度高、塑性好、韧性优良，属于优质的耐磨材料，因此，在生产齿轮等易磨损类元件当中得到普遍应用。这两种材料中铬的含量较高，它在合金钢中的作用主要是提高钢的强度与硬度，使钢材料具有良好的抗腐蚀性与抗氧化性，并阻止石墨化，提高淬透性。锰在合金钢中的主要作用是提高低碳与中碳珠光体钢的强度以及钢材料的高温瞬时强度，并且在热处理工序中起到细化晶粒的作用。钛在合金钢中的主要作用是改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性与高温持久强度，使合金材料在高压下对氢的稳定性达到600℃以上，据试验数据表明，当合金材料中的钛元素含量达到0.018%时，材料的冲击韧性值达到最高，当钛元素含量在0.03—0.1%之间时，合金材料的屈服点也将大幅提升，而且钛元素能够有效阻止高温下的石墨化现象。镍元素在合金材料中的主要作用是提高钢的强度、低温韧性以及抗腐蚀能力，并有效改善钢的加工性与可焊性。而钼元素在合金钢中的主要作用是提高钢的热强性与淬透性，同时对铁素体具有固溶强化作用[1]。

1.2 对齿轮耐磨损性的影响

齿轮耐磨损性的一个重要指标是硬度指标，随着加工温度的变化，合金材料的硬度值也出现较大波动，而作为决定合金材料硬度的贝氏体与马氏体组织，其比例多少将直接影响齿轮成品的硬度。20CrMnTi 合金材料中含有钛元素，由于钛元素韧性值较高，但是硬度值却相对较低，当加工生产的冷却速度介于16.7℃与46.7℃之间时，合金材料中的贝氏体与马氏体的组成比例介于20%—80%之间，此时，合金材料的硬度值为322HV。而20CrNiMo 合金材料在相同的生产加工条件下，贝氏体组织比例下降到15%，马氏体组织比例提升至85%，此时，合金材料的硬度值为411HV，由此可见，20CrNiMo 合金材料对提高齿轮硬度具有显著效果。

2 不同金属元素对齿轮热处理性能的影响分析

2.1 钢的淬透性定义

淬透性是利用试样淬透层深度与硬度分布来表征的材料特征，它与合金材料的临界淬火冷却速度存在直接关联。其淬透层深度是指由钢表面量到钢的半马氏体区组织处的深度，其中半马氏体是指组织中的马氏体含量占50%，珠光体组织占50%的组织，而个别钢种需要量到90%或者95%的半马氏体组织处。淬硬层深度越大，就表明钢的淬透性越好。

此外，影响钢材料淬透性的主要因素包括化学成分影响、奥氏体晶粒大小的影响、奥氏体均匀程度的影响等。其中，化学成分影响主要是指碳元素含量多少决定钢材料淬透性的高低，当碳含量小于0.77%时，临界冷却速度明显降低，此时，碳曲线右移，钢的淬透性增大，当碳元素含量超过0.77%时，钢的冷却速度提升，碳曲线左移，此时，钢的淬透性下降。奥氏体晶粒大小的影响主要是实际晶粒度对钢的淬透性产生较大影响，粗大的奥氏体，降低钢的临界冷却速度，钢的淬透性增大，但是，随着奥氏体晶粒的增大，钢材料也极易发生变形或者开裂现象。奥氏体均匀程度的影响是指在相同冷却速度条件下，奥氏体成分越均匀，珠光体形核率越低，此时钢的淬透性也逐步提升[2]。

2.2 不同金属元素对齿轮淬透性的影响

淬透性是齿轮热处理过程中合金材料的一项重要指标，在齿轮的加工生产过程中，为了提高齿轮的耐磨性以及抗咬合性，防止合金材料变形，可以将钢奥氏体溶化后，调整冷却速度，使合金材料中马氏体组织结构发生转变。

由于20CrMnTi 与20CrNiMo 合金材料中包括锰、铬、钛、镍、钼等金属元素，而这些元素都能够提高合金钢的淬透性，比如以钼元素为例，在提高合金钢淬透性方面的优势明显高于铬元素，但是，当铬、锰、钼三种元素并存于合金材料中时，能够有效抑制和降低因其它金属元素而造成的回火脆性。而对于镍元素来说，也是提高钢材料淬透性的单体金属元素，经过现场试验验证，如果在配比合金材料时，将镍元素的含量以千分之一的比例依次增加，随着镍元素含量的增加，合金材料的淬透性也逐渐提高。

3 结语

综上，20CrMnTi 与20CrNiMo 相比对，利用20CrMnTi合金材料生产的齿轮，热变形较大，齿形、齿向、齿距累积公差等技术参数均不理想，因此，在生产制造齿轮时，20CrMnTi 合金材料是较为理想的首选材料。