常用铸造齿轮材料及其热处理工艺方法

1、常用铸造齿轮材料及其热处理工艺方法铸造齿轮因其加工性能好、耐磨性高、噪声低及成本低等优点，在机械制造行业得到广泛应用。常用铸造齿轮材料主要包括铸铁及铸钢。常用齿轮铸铁材料是灰铸铁和球墨铸铁，因铸铁中存在游离石墨和多孔性结构，故齿轮的耐磨性良好、噪声小。与铸铁齿轮材料相比，铸钢材料具有较高强度、硬度和耐磨性能，可用于负荷较大的大型齿轮。一、铸铁齿轮材料及其热处理铸铁齿轮常用材料为灰铸铁及球墨铸铁。1.齿轮用灰铸铁灰铸铁抗拉强度低，脆性较高，抗弯及耐冲击能力很差，但它易于铸造，易切削，具有良好的耐磨性、缺口敏感性小、减振性及成本低特点，可用于低速、载荷不大的开式齿轮传动。（1）齿轮用灰铸铁的牌号及

2、力学性能齿轮用灰铸铁的牌号及抗拉强度见表1。（2）灰铸铁齿轮表面硬度和耐磨性灰铸铁表面热处理前最好先正火处理。表面热处理，如高中频感应淬火及化学热处理等，其中高中频感应淬火应用最多。高中频感应淬火温度通常采用850950加热淬火，由于铸铁导热性差，因此加热速度不易太快，单位功率要比同样的钢件小一些。否则，会产生裂纹和熔化现象。铸铁经高频感应加热后，淬火冷却介质一般采用水、PAG进行冷却。回火温度一般在200400，铸铁齿轮经淬火、回火后硬度为4050HRC。灰铸铁齿轮金相检验执行GB/T7216灰铸铁金相检验标准。2.齿轮用球墨铸铁球墨铸铁的性能介于钢和灰铸铁之间，强度比灰铸铁高很多，具有良好

3、的韧性和塑性，在冲击不大的情况下，可代替钢制齿轮。齿轮制造主要使用珠光体和贝氏体球墨铸铁，牌号在QT500以上，热处理一般采用正火+回火。（1）球墨铸铁牌号、基体组织、力学性能及其各热处理状态下的力学性能球墨铸铁牌号、基体组织、力学性能见表2。（2）球墨铸铁热处理铸造齿轮毛坯的预处理一般采用退火、正火，也可进行正火+回火，或调质处理。球墨铸铁齿轮的常用热处理工艺见表3。（3）球墨铸铁金相检验执行GB/T9441球墨铸铁金相检验标准。（4）应用例1：球墨铸铁齿轮，材料为球墨铸铁QT700-2，要求正火+回火处理。提高铸件的综合力学性能，特别是提高铸件的塑性和韧性。热处理方法是中温部分奥氏体化正火

4、+回火，其热处理工艺如图1所示。热处理后检验其力学性能：抗拉强度b700840MPa，伸长率2%5%，冲击韧度K1622J/cm2，硬度为212254HBW。金相组织：珠光体+破碎铁素体+球状石墨。例2：收获机双联齿轮，材料为球墨铸铁QT600-3，重量0.92kg，要求正火处理。热处理方法是球墨铸铁齿轮采用正火，其热处理工艺如图2所示。热处理后检验其抗拉强度b640MPa，伸长率3.5%。例3：汽车主、从动弧齿锥齿轮，材料为高强度高韧性球墨铸铁。力学性能要求：抗拉强度b13001500MPa，冲击韧度K60100J/cm2，硬度为4549HRC。部分化学成分要求：wSi2.8%3.0%，wM

5、n0.5%，wMg0.2%，wCu0.6%0.7%。热处理的目的是提高铸件综合力学性能。热处理方法是球墨铸铁齿轮采用等温淬火，其热处理工艺如图3所示。例4：球墨铸铁齿轮，材料为球墨铸铁QT700-2。热处理的目的是使铸件获得较好的塑性和韧性。热处理方法是采用低温奥氏体化正火+回火，其热处理工艺如图4所示。热处理后检验，其力学性能：抗拉强度b720730MPa，伸长率6.4%7.2%，冲击韧度K50J/cm2，硬度为247HBW。金相组织：粒状珠光体+少量点状铁素体+球状石墨。化学成分：wC3.8%，wSi2.2%，wMn0.6%，wMg0.05%，wRE=0.025%，wS0.026%，wP0

6、.1%。（5）球墨铸铁齿轮的感应热处理球墨铸铁齿轮采用感应热处理工艺处理后，不仅可以获得高的齿面硬度及耐磨性能，而且齿轮变形较小，生产成本较低。实例：轨道起重机用大模数球墨铸铁齿轮，模数为18mm，要求中频感应淬火，齿面硬度35HRC，硬化层深度23mm。齿轮的铸态性能：抗拉强度b600MPa，伸长率7.8%。预备热处理采用正火方法：8802.5h。采用BPSD100/8000中频机组单齿淬火。其工艺参数为：比功率0.008kW/mm2，加热温度9801030，加热时间35s，喷水冷却时间10s，回火工艺为3801h。检验结果：齿面硬度4245HRC，硬化层深度23mm，经磁粉无损检测齿面无裂

7、纹。（6）球墨铸铁齿轮的化学热处理球墨铸铁齿轮采用化学热处理方法，可以获得较高的硬度、接触疲劳强度等，使齿轮使用寿命大幅度提高。例1：铁素体球墨铸铁齿轮，要求氮碳共渗。氮碳共渗介质：CO2NH35100，氨分解率为62%63%。氮碳共渗处理温度为570，处理时间4h，然后随炉冷却。热处理后检验：齿轮硬度64HRC；白亮层深度7m；扩散层深度143m；接触疲劳极限提高73%（热处理前569MPa，热处理后1060MPa）。例2：195型拖拉机球墨铸铁齿轮，要求离子渗氮。离子渗氮温度540550，处理时间68h。电压750850V，电流25A，氨气压力133266Pa，真空度13.3Pa。热处理后

8、检验：齿轮硬化层深度0.2mm，渗氮后内孔尺寸基本不变，不需要再磨削内孔。使用试验表明齿轮耐磨性良好。（7）贝氏体球墨铸铁及其热处理贝氏体球墨铸铁具有高强度、高伸长率和高冲击值的良好综合力学性能，还具有很高的弯曲疲劳强度和良好的耐磨性能。热处理后的齿轮在工作时，残留奥氏体会发生强化效应，即轮齿表面层的奥氏体发生加工硬化作用，使表面具有优良的耐磨性，这是一般渗碳、渗氮等表面处理所不能做到的。从齿轮结构和生产工艺看，贝氏体球墨铸铁更适合于制造大齿轮。热处理工艺方法：经贝氏体等温淬火后组织为贝氏体+残留奥氏体，强度高，韧性好。国内外大多采用传统的硝盐等温淬火获得贝氏体组织，或采用高温油代替盐浴进行等

9、温淬火。实例1：农用车后桥齿圈（模数3mm），采用贝氏体球墨铸铁代替20CrMnTi钢。采用中温箱式炉，加热温度880900，保温80min，使之完全奥氏体化后放入260290的硝盐槽中冷却90min，取出空冷。球墨铸铁齿圈经等温淬火后，石墨形态为球化13级；球径57级；基体为13级的下贝氏体和等量残留奥氏体。力学性能：b11001200MPa；1%1.5%；K2025J/cm2；硬度为4045HRC。通过装车2万余辆使用情况看，无一发现问题。实例2：拖拉机最终传动从动齿轮，材料为贝氏体球墨铸铁。采用井式渗碳炉，自动控制碳势，每炉48件，合计500kg。奥氏体化温度900，保温2h出炉，为减小

10、变形采用盐浴等温淬火工艺，等温淬火温度为290，等温时间1.5h。等温淬火采用B35型盐浴炉，并配以搅拌及冷却装置。等温处理后的金相组织级别及硬度见表4，得到金相组织为下贝氏体+残留奥氏体，金相检验按GB/T9441。经抛丸处理后，齿根部位的弯曲疲劳强度提高到357MPa，达到了齿轮的设计要求。经装车试验，运行600h后齿面无裂纹及点蚀，磨损量很小，并降低成本20%。二、铸钢齿轮材料及其热处理同前面铸铁齿轮材料相比，铸钢材料具有较高强度、硬度和耐磨性能，可用于负荷较大的大齿轮。1.齿轮用铸钢的牌号、特性与用途齿轮用铸钢多为合金钢，少数为碳钢。齿轮在铣齿前需经退火、正火或调质处理，以提高齿轮的硬

11、度和强度。齿轮用铸钢的牌号、特性与用途见表5。2.铸钢齿轮的热处理（1）铸钢齿轮的预备热处理铸钢齿轮的预备热处理一般采用退火或正火工艺。但应视情况，分别采用不同的预备热处理方法：低碳钢一般选用正火处理，获得均匀的铁素体+细片状珠光体组织。中碳钢及合金钢一般采用完全退火或等温退火，获得铁素体+片状（或球状）珠光体组织。以上两种预备热处理方式，都可以清除铸造中出现的粗大晶粒、网状铁素体和魏氏体组织等微观缺陷和应力。改善了工件的切削性能，并细化了组织，为最终热处理做好了组织准备，同时也减少了变形开裂。若为消除铸造应力，可采用低温退火工艺。对大型铸件，往往出现枝晶偏析，可采用均匀化退火。由于均匀化退火

12、温度较高，处理后组织变得异常粗大，因此在均匀化退火后，还应进行一次完全退火或正火，细化晶粒，提高力学性能，改善加工性能，为最终热处理做好组织准备。应用实例：CYTJ100型抽油机左右斜齿轮（见图5），材料为铸造合金钢ZG35SiMn，毛坯重量200kg。铸件材料及技术要求为：力学性能b580MPa，S350MPa，514%。金相组织要求基体为珠光体+铁素体，细颗粒碳化物1.5%（体积分数）。通过超声波无损检测是否有疏松、夹杂及裂纹等缺陷。采用完全退火，其热处理工艺如图6所示。热处理后检验，力学性能：抗拉强度b617MPa，屈服强度S355MPa，伸长率6%。金相组织：珠光体+铁素体，具有细小颗

13、粒状碳化物为1.5%（体积分数）。无损检测：无疏松、夹杂及裂纹等缺陷。（2）铸钢齿轮的调质齿轮铸造后预备热处理（如退火或正火等），为调质处理做好组织准备。再经过调质处理后齿轮获得良好的综合力学性能。应用实例：橡胶机械设备XM250/20G密炼机齿轮（见图7），毛坯重4780kg，法面模数16mm，齿数116，铸造后正火。铸件材料及技术要求：铸件材料为铸造碳钢ZG310-570。化学成分，其中wC0.5%，wSi0.6%，wMn0.9%1.2%，wS0.04%，wP0.04%。力学性能为b570MPa，s310MPa，15%，调质硬度要求为220250HBW。正火+回火工艺如图8所示。调质工艺如图9所示。热处理后检验：调质处理后金相组织为回火