齒輪材料的選擇

1、齒輪傳動如何合理地選擇和使用材料齒輪是現(xiàn)代機械中應(yīng)用最廣泛的一種機械傳動零件。齒輪傳動通過輪齒互相嚙合來傳遞空間任意兩軸間的運動和動力，并可以改變運動的形式和速度。齒輪傳動 使用范圍廣，傳動比恒定，效率較高，使用壽命長。在機械零件產(chǎn)品的設(shè)計與制 造過程中，不僅要考慮材料的性能能夠適應(yīng)零件的工作條件，使零件經(jīng)久耐用， 而且要求材料有較好的加工工藝性能和經(jīng)濟性，以便提高零件的生產(chǎn)率，降低成本，減少消耗。如果齒輪材料選擇不當，則會出現(xiàn)零件的過早損傷，甚至失效。 因此如何合理地選擇和使用金屬材料是一項十分重要的工作。滿足材料的機械性能材料的機械性能包括強度、硬度、塑性及韌性等，反映材料在使用過程中所表

2、現(xiàn) 出來的特性。齒輪在嚙合時齒面接觸處有接觸應(yīng)力， 齒根部有最大彎曲應(yīng)力，可 能產(chǎn)生齒面或齒體強度失效。齒面各點都有相對滑動，會產(chǎn)生磨損。齒輪主要的 失效形式有齒面點蝕、齒面膠合、齒面塑性變形和輪齒折斷等。因此要求齒輪材 料有高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，齒面要有足夠的硬度和耐磨性，芯部要有一定的強度和韌性。例如，在確定大、小齒輪硬度時應(yīng)注意使小齒輪的齒面硬度比大齒輪的齒面硬度 高30-50HBS,這是因為小齒輪受載荷次數(shù)比大齒輪多，且小齒輪齒根較薄，強 度低于大齒輪。為使兩齒輪的輪齒接近等強度，小齒輪的齒面要比大齒輪的齒面 硬一些。另一方面，根據(jù)材料的使用性能確定了材料牌號后。 要明確材料

3、的機械性能或材 料硬度，然后我們可以通過不同的熱處理工藝達到所要求的硬度范圍，從而賦予材料不同的機械性能。如材料為40Cr合金鋼的齒輪，當840-860C油淬，540-620C 回火時，調(diào)質(zhì)硬度可達28-32HRC,可改善組織、提高綜合機械性能；當860-880C 油淬，240280c回火時，硬度可達46-51HRC,則鋼的表面耐磨性能好，芯部 韌性好，變形小；當500-560C氮化處理，氮化層0.15-0.6mm時，硬度可達 52-54HRC,則鋼具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲勞強度，較高的抗蝕 性和抗膠合性能且變形極??；當通過電鍍或表面合金化處里后，則可改善齒輪工 作表面摩擦性能，提

4、高抗腐蝕性能。滿足材料的工藝性能材料的工藝性能是指材料本身能夠適應(yīng)各種加工工藝要求的能力。齒輪的制造要經(jīng)過鍛造、切削加工和熱處理等幾種加工，因此選材時要對材料的工藝性能加以 注意。一般來說，碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好，其機械性能可以滿足 一般工作條件的要求。但強度不夠高，淬透性較差。而合金鋼淬透性好、強度高， 但鍛造、切削加工性能較差。我們可以通過改變工藝規(guī)程、熱處理方法等途經(jīng)來 改善材料的工藝性能。例如汽車變速箱中的齒輪選擇 20CrMnTi鋼，該鋼具有較高的機械性能，在滲碳 淬火低溫回火后，表面硬度為 58-62HRC,芯部硬度為30-45HRC。20CrMnTi的 工藝性能較好，

5、鍛造后以正火來改善其切削加工性。此外， 20 CrMnTi還具有較 好的淬透性，由于合金元素鈦的影響，對過熱不敏感，故在滲碳后可直接降溫淬 火。且滲碳速度較快，過渡層較均勻，滲碳淬火后變形小。適合于制造承受高速 中載及沖擊、摩擦的重要零件，因此根據(jù)齒輪的工作條件選用20CrMnTi鋼是比較合適的。材料的經(jīng)濟性要求所謂經(jīng)濟性是指最小的耗費取得最大的經(jīng)濟效益。在滿足使用性能的前提下，選用齒輪材料還應(yīng)注意盡量降低零件的總成本。我們可以從以下幾方面考慮：從材料本身價格來考慮。碳鋼和鑄鐵的價格是比較低廉的，因此在滿足零件機械 性能的前提下選用碳鋼和鑄鐵，不僅具有較好的加工工藝性能，而且可降低成本。 從金

6、屬資源和供應(yīng)情況來看，應(yīng)盡可能減少材料的進口量及價格昂貴材料的使用 量。從齒輪生產(chǎn)過程的耗費來考慮。首先，采用不同的熱處理方法相對加工費用也不 一樣，如12CrNi3A鋼滲碳表面淬火的費用要比氮化處理的費用少得多，而碳氮 共滲又具有生產(chǎn)周期短和成本低的特點。 其次，通過改進熱處理工藝也可以降低 成本。如某齒輪工作時在高速、中載且承受中等沖擊條件下，原選用中合金高級 滲碳鋼18cr2Ni4WA材料，其經(jīng)過910-940C滲碳，850c淬火，180-200C回火 后機械性能的抗拉強度1177Mpa屈服強度834Mpa延伸率1%、斷面收縮 率4%,沖擊韌性980kJm2,硬度為58-62HRC。雖能

7、滿足齒輪的使用性能 和工藝性能，但零件的價格高?，F(xiàn)選用價格相對便宜的低碳中合金、中淬透性滲 碳鋼20CrMnTi。經(jīng)過910-940C滲碳,870c淬火，180-200C回火后機械性能的 抗拉強度1100Mpa屈服強度850Mpa延伸率1%、斷面收縮率4%,沖 擊韌性680硬度為58-62HRC。僅此一項改進，材料費用不僅大大降低，而且 滿足了其使用性能和工藝性能。第三，所選鋼種應(yīng)盡量少而集中，以便采購和管 理。隨著齒輪形狀、尺寸和材料向著多品種、多系列和個性化的方向發(fā)展，尤其 是在型號多、產(chǎn)量小時，在齒輪鍛造、機加工和熱處理等生產(chǎn)工藝方面，存在著 設(shè)計量大，生產(chǎn)周期長、效率低、成本高、能耗大

8、、管理難和質(zhì)量不易保證等不 利狀況，因此在齒輪選材時精選、優(yōu)選和壓縮材料牌號和規(guī)格有利于提高選材通 用化、系列化和標準化程度，提高材料的利用率，提高材料采購的計劃性，以減 少庫存積壓、加快資金流動，方便儲存和保管以及降低材料的成本消耗。最后， 我們還可以通過改進工藝來提高經(jīng)濟效益。如模鍛件生產(chǎn)的模鍛工藝已突破傳統(tǒng) 工藝的要求，在提供成型毛坯時，可利用少無切削工藝，模鍛與機械精加工相結(jié) 合，部分或全部取代切削加工直接生產(chǎn)零件，或在生產(chǎn)中采用成組技術(shù)與工藝， 也可提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和降低成本。結(jié)束語綜上所述，在選擇齒輪材料時。必須了解我國工業(yè)發(fā)展形式，結(jié)合我國資源和生 產(chǎn)條件，從實際出發(fā)，全面

9、考慮機械性能、工藝性能和經(jīng)濟性等方面的問題，只 有合理選材才能保證齒輪質(zhì)量、降低產(chǎn)品成本，從而提高市場競爭力。表1齒輪常用材料及其機械性能材料牌號熱處理方法強度極限屈服極限硬度oPm&(qBMTxHBSHRC(WW)45正火588294169217調(diào)質(zhì)647373229286表面淬火-405035SiMn42SiMn調(diào)質(zhì)785510229286表面淬火455538SiMnMo調(diào)質(zhì)735588229286表面淬火455540Cr調(diào)質(zhì)735539241286表面淬火485538CrMoA1A調(diào)質(zhì)890834229氮化HV85020Cr滲碳淬火637392566220CrMnTi滲碳淬火107983

10、45662ZG310 570正火570310162197ZG340 640正火640340179207調(diào)質(zhì)700380241269HT300250169255HT350290182273QT500- 7正火500320170230QT600- 3正火600370190270夾布膠木10025 35表2使用系數(shù)K工作機 的工作 特性原動機工作特性及其示例工作機器電動機、勻速 轉(zhuǎn)動的汽輪機蒸汽機，燃氣 輪機液壓裝置多缸內(nèi)燃機單缸內(nèi)燃 機均勻平 穩(wěn)發(fā)電機，均勻傳送的帶式輸送機或板 式輸送機，螺旋輸送機，輕微升降機，包裝 機，機床進給機構(gòu)，通風機，均勻密度材料 ,拌機等1.001.101.251.50

11、輕微沖擊不均勻傳送的帶式輸送機或板式輸送 機，機床的主傳動機構(gòu)，重型升降機，工業(yè) 與礦用風機，重型離心機，變密度材料攪拌 機等1.251.351.501.75中等沖 擊橡膠擠壓機，橡膠和塑料作間斷工作 的攪拌機，輕型球磨機，木工機械，鋼坯初 軋機，提升裝置，單缸活塞泵等1.501.601.752.00嚴重沖擊挖掘機，重型球磨機，橡膠揉合機，破 碎機，重型給水泵，旋轉(zhuǎn)式鉆探裝置，壓磚 機，帶材冷軋機，壓坯機等1.751.852.002.25或更大注：表中所列KA值僅適用于減速傳動；若為增速傳動，KA值約為表值的1.1倍。當外部機械與齒輪裝置間有撓性連接時，通常KA值可適當減少。表3齒間載荷分配系數(shù) AKKAFt/b100