齿轮材料及工艺知识丨郑矿小课堂

齿轮材料及其热处理是影响齿轮承载能力和使用寿命的关键因素，也是影响齿轮生产质量和成本的主要环节。选择齿轮材料及其热处理时， 要综合考虑轮齿的工作条件 (如载荷性质和大小 、工作环境等 )、 加工工艺 、 材料来源及经济性等因素，以使齿轮在满足性能要求的同时，生产成本也最低 。

1.0 齿轮材料的选择原则

齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件，合理的选择和使用齿轮材料及其最要。总体上讲，应主要满足齿轮材料所需的机械性能、工艺性能和经济性三个方面：

1.1 满足齿轮的机械性能

材料的机械性能包括硬度、强度、塑性及韧性，反应材料在生产使用中所表现出来的特性。齿轮在啮合传动时在齿面接触处有接触应力，齿根部有最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面间的滑动会产生磨损。齿轮主要的失效形式包括点蚀、胶合、塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮材料要有较高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，齿芯要有足够的强度和韧性。

1.2 满足齿轮材料的工艺性能

材料的工艺性能主要指材料适应各种加工工艺的能力。齿轮制造过程包括锻造(铸造)、切削和热处理等几道工序，因此选材时要对材料的工艺性有充分了解。比如碳钢的锻造、切削工艺性较好，但强度和淬透性较差。而合金钢淬透性较好、强度高，但锻造、切削性能较差。我们可以通过热处理工艺来改善材料性能来满足齿轮对材质的要求。

1.3 满足齿轮材料的经济性要求

所谓经济性简单来说就是用最小的消耗取得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下，选用最低成本的齿轮材料。我们可以几方面考虑：

1.3.1首先从材料本身的价格考虑。碳钢和铸铁的价格相对低廉，因此在满足零件机械性能的情况下优先选用碳钢和铸铁。

1.3.2 从金属资源和供应情况来看，应尽可能地减少进口材料及昂贵金属的使用。

1.3.3 从齿轮生产过程的耗费来考虑，可采用合理经济的热处理工艺来降低成本。

2.0 主要齿轮材料及热处理

齿轮用材料主要有钢 (碳钢和合金钢)、铸铁 、铜合金 。

齿轮用钢主要有调质钢、渗碳钢、氮化钢。

2.1 调质钢

调质钢通过调质或正火后可广泛用于对强度和精度要求不太高的一般中低速齿轮传动以热处理和齿面精加工比较困难的大型齿轮。而调质钢经过高频淬火后主要用于要求承载能力高、体积小的齿轮。调质钢主要有45、40Cr、42SiMn、45MnB、40Mn、35CrMo、40CrMnMo等中高碳钢

2.2 渗碳钢

渗碳钢经渗碳淬火后被广泛用于要求承载能力高、耐冲击性能好、精度高、体积小的中型以下齿轮。适用于渗碳处理的钢材包括20Cr、20CrMnMo、20CrMo、12Cr2Ni4等低碳合金钢。

2.3 氮化钢

经过氮化处理后适用于较大较平稳的载荷下工作的齿轮以及没有齿面精加工设备而又需要硬齿面的情况下的齿轮。适用于渗氮处理的钢材有20Cr、4Cr、20CrMnTi、35CrMo、40CrMo等。

2.4 铸钢和铸铁

铸钢热处理为正火或调质，以及高频淬火。主要用于不能锻造的大型齿轮。而铸铁齿轮主要为一些慢速、轻载无冲击的工况。球磨铸铁齿轮也可承受较大载荷和冲击。

2.5 铜合金

铜合金齿轮广泛用于轻工业，精密仪器，仪表等行业。