齿轮的材料选择及热处理.pdf

齿轮的材料选择及热处理 3 赵越超 付 莹 辽宁工程技术大学 机械工程学院 辽宁 阜新 123000 摘 要 介绍了齿轮工作中的失效形式和性能要求 针对钢制齿轮 根据齿轮工作时载荷的大小 转速的高低及齿轮的精度 分析了齿 轮材料的选择和相应的热处理工艺 同时还介绍了钢制齿轮常用的热处理方法 最后论述了典型零件的选材及工艺路线 关键词 钢制齿轮 载荷 转速 精度 热处理 中图分类号 TG14 文献标识码 A 文章编号 1007 4414 2007 05 0070 02 Material selection and heat treatment of gears Zhao Yue Chao Fu Ying School of mechanical engineering L iaoning technical university Fuxin Liaoning 123000 China Abstract In this paper the failure mode and performance requirements of gears are introduced In view of steel gears the material selection and the corresponding heat treatmentprocess is analysed based on the size ofwork load speed and the accu2 racy of gears The author also introduces the methods of heat treatment used in steel gears finally discusses the choices and process routes of typical parts Key words steel gear load speed accuracy heat treatment 齿轮用于机械装置中功率的传递与速度的调节 在汽车 拖拉机 机床 起重机械等产品中不仅有重要的作用 而且用 量相当大 齿轮工作时 通过齿面的接触传递动力 齿部承受 很大的交变弯曲应力和接触应力 在相互啮合的齿面上会有 强烈的摩擦 啮合不均匀时还会产生冲击力 齿轮的主要损 坏形式是齿部折断和齿面的过渡磨损 齿轮一般都需经过适 当的热处理 以提高承载能力和延长使用寿命 齿轮在热处理 后应满足下列性能要求 较高的弯曲疲劳强度和接触疲劳 强度 抗疲劳点蚀 齿面具有较高的硬度和耐磨性 齿 轮心部具有足够的强度和韧性 齿轮的材料及热处理对齿轮的内在质量和使用性能都有 很大的影响 因此 要合理地选择齿轮材料和制定热处理工 艺 下面主要介绍钢制齿轮的材料选择及热处理工艺 1 齿轮材料的选择 具体齿轮材料的选用主要是根据齿轮工作时载荷的大 小 转速的高低及齿轮的精度要求来确定 载荷大小是指齿 轮传递转矩的大小 通常以齿面上单位压应力作为衡量标志 一般分为轻载荷 中载荷 重载荷和超重载荷 齿轮工作时转 速越大 齿面和齿根受到的交变应力次数越多 齿面磨损越严 重 因此 可把齿轮转动的圆周速度v的大小作为材料承受 疲劳和磨损的尺度 一般分为 低速齿轮 1 9 m s 中速齿 轮 6 10 m s 高速齿轮 10 15 m s 齿轮的精度高 则 齿形准确 公差小 啮合紧密 传动平稳且无噪声 机床齿轮 精度一般为6 8级 中 低速 和8 12级 高速 汽车 拖 拉机齿轮精度一般为6 8级 1 1 轻载 低速或中速 冲击力小 精度较低的一般齿轮 选用中碳钢如Q235 Q275 40 45 50 50Mn等钢制造 常用正 火或调质等热处理制成软齿面齿轮 正火硬度为160 200HBS 调质硬度一般为200 280HBS 因硬度适中 精切齿 廓可在热处理后进行 工艺简单 成本低 齿面硬度不高则易 于磨合 但承载能力也不高 这种齿轮主要用于标准系列减 速箱齿轮 冶金机械 中载机械和机床中的一些次要齿轮 2 中载 中速 承受一定冲击载荷 运动较为平稳的齿 轮 选用中碳钢或合金调质钢 如45 50Mn 40Cr 42Si Mn等 钢 也可采用55Tid 60Tid等低淬透性钢 其最终热处理采用 高频或中频淬火及低温回火 制成硬齿面齿轮 齿面硬度可达 50 55HRC 齿轮心部保持正火或调质状态 具有较好的韧 性 感应加热表面淬火的齿轮变形小 若精度要求不高 如7 级以下 可不必磨齿 机床中大多数齿轮是这种类型 对表 面硬化的齿轮 应注意控制硬化层深度及硬化层沿齿廓的合 理分布 3 重载 高速或中速 且受较大冲击载荷的齿轮 选用 低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢 如20Cr 20Cr MnTi 20Cr Ni3 18Cr2Ni4WA 40Cr 30Cr MnTi等钢 其热处理采用渗碳 淬 火 低温回火 齿轮表面获得58 63HRC的高硬度 因淬透性 较高 齿轮心部有较高的强度和韧性 这种齿轮的表面耐磨 性 抗解除疲劳强度和齿根的抗弯强度及心部的抗冲击能力 都比表面淬火的齿轮高 但热处理变形大 精度要求较高时 一般要安排磨削 它适用于工作条件较恶劣的汽车 拖拉机 的变速箱和后桥齿轮 碳氮共渗与渗碳相比 热处理变形小 生产周期短 力学 性能高 还可应用于中碳钢或中碳合金钢 所以许多齿轮可用 碳氮共渗来代替渗碳工艺 内燃机车 坦克 飞机上的变速齿 轮的负载和工作条件比汽车的更重 更恶劣 要求材料的性能 更高 应选用含合金元素高的合金渗碳钢 以获得更高的强度 和耐磨性 4 精密传动齿轮或磨齿有困难的硬齿面齿轮 如内齿 轮 主要要求精度高 热处理变形小 宜采用氮化钢 如 07 Vol 20 No 5 2007210 机械研究与应用 MECHAN ICAL RESEARCH 但其硬化层较脆 不耐冲 击 且氰有剧毒 须有安全设施 3 典型齿轮选材 3 1 机器齿轮 一般机器都需齿轮传动 对低速运转 1 6m s 磨损较 轻或不太重要的齿轮 如分度齿轮 重型机器上的大尺寸大模 数齿轮等 选用中碳钢或中碳合金钢经调质处理即可 大 中型齿轮用软调质 190 230HB 小型齿轮可用硬调质 230 260HB 其加工路线为 下料 锻造 正火 粗加工 调 质 齿形加工 磨削 3 3 2 机床齿轮 机床齿轮承担着传递动力 改变运动速度和运动方向的 任务 但机床齿轮相对于汽车 拖拉机而言 其工作负荷不太 大 中速运转 6 10m s 较平稳 因此常选用钢或40Cr钢制 造 其工艺路线 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 3 3 汽车齿轮 汽车变速齿轮工作条件比机床齿轮差 特别是主传动系 统中的齿轮 受力较大 受冲击较频繁 因此对材料要求较高 由于弯曲与接触应力都很大 所以重要齿轮都需渗碳 淬火处 理 以提高耐磨性和疲劳抗力 为保证心部有足够的强度及 韧性 材料的淬透性要求较高 心部硬度应在35 45HRC之 间 另外 汽车生产批量大 因此选钢材时 在满足力学性能 的前提 下对 工 艺性 能 必须 予 以 足 够 重 视 实 践 证 明 20Cr MnTi钢具有较高的力学性能 在渗碳 淬火 低温回火 后 表面硬度可达58 62HRC 心部硬度30 45HRC 正火态 切削加工工艺性和热处理工艺性均较好 为提高齿轮的耐用 性 渗碳 淬火 回火后 还可采用喷丸处理 增大表面压应力 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 4 结 语 以上就钢制齿轮材料及热处理工艺进行了分析 而在齿 轮的生产中 还会遇见一些具有特殊性能要求的齿轮 设计人 员必须按照选材的基本原则进行全面分析及综合考虑 选择 出最合适的材料及热处理工艺方法 参考文献 1 石 英 齿轮材料性能要求及正确选材 J 通