齿轮材料的合理选择.doc

齿轮材料的合理选择及热处理

齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。齿轮传动通过轮齿互相啮合来传递空间任意两轴间的运动和动力，并可以改变运动的形式和速度。齿轮传动使用范围广，传动比恒定，效率较高，使用寿命长。在机械零件产品的设计与制造过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗。如果齿轮材料选择不当，则会出现零件的过早损伤，甚至失效。因此如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。
齿轮材料的选择和齿轮的工作可靠性、使用寿命、工作效率、润滑要求等密切相关。在齿轮传递动力和改变速度的运动过程中，啮合齿面之间同时存在滚动和滑动摩擦，齿面还受到脉动或交变弯曲应力的作用，还有齿面可能发生磨损、胶合及疲劳破坏，因此要求齿轮具有优良的耐磨性能、抗接触疲劳性能和抗弯曲疲劳性能，即要求齿轮材料表面硬度高、强度高、芯部韧性好且硬化层分布合理。在实际选用中还应根据需要和使用条件如负荷、速度、温度、可靠性、质量、精度、价格等因素来确定齿轮选材。
目前，工业制造领域的齿轮选材主要以钢为主，包括各种低碳钢、中碳钢、高碳钢和合金钢。而铝、镁、钛、铜合金、铸铁，甚至塑料和木材等都可用于制作齿轮。通常，为了改善和提高齿轮材料的性能或降低成本，可以采用化学处理、表面强化处理以及复合处理等表面改性技术。
选取齿轮材料要充分考虑材料的经济性、强度和齿轮精度等，不同设备的需求自然也大为不同。就仪器设备、家用器具、玩具等小负荷齿轮而言，可以选择造价低、生产率高的复合塑料齿轮。而坦克、冷轧机等重负荷执行机械，则需要材料及加工要求更高的各种金属和合金材料。如果在航空航天工业中应用，则要求更高的可靠性、精度和轻重量，制造成本放在次要位置。
下面就主要几类齿轮材料一一进行分析：
1、钢材
齿轮用钢多为合金钢，少数为碳钢。通常为降低成本，可以对中碳钢和低合金钢进行各种热处理以提高其强度和硬度。表面硬化处理亦可提高合金钢齿轮材料的强度，使其适用于高负载和中等温度使用的工况。而当齿轮的使用条件进一步提高时，往往需要对齿轮进行淬火以提高其强度和硬度。或通过表面渗碳及表面氧化处理事齿轮表面硬化，以提高其抗疲劳性能，改善其抗胶合和抗磨性能。就发展趋势而言，应大力推广使用强度和硬度较高的硬齿面齿轮，并通过优化齿轮选材及润滑方式来延长齿轮的使用寿命。
2、铸铁
常用的铸铁主要包括：灰铸铁、球墨铸铁、可煅铸铁和合金铸铁等4种。与钢相比较，铸铁的合金成分较低，加工性能更好。铸铁中存在的游离石墨和多孔性结构使齿轮的耐磨性良好、噪音小、成本低，可以广泛应用于各类齿轮传动。由于铸铁具有的良好滑动特性，在许多负荷不大、工作条件不苛刻的涡轮传动中可用铸铁涡轮替换铜合金涡轮。总而言之，铸铁是经济适用的齿轮材料。
3、有色金属
齿轮工业中应用最多的是有色金属为铜和铜合金。其中常用的是锡青铜和铝铁青铜，大多数用于制造涡轮。但含硫添加剂对铜具有腐蚀作用，应尽量慎用。另外，强度较高和机械加工性能较好的铸造铝合金适合制作齿轮或涡轮，但滑动性和抗磨性能稍差，因此仅可用于轻、中负荷和中低转速齿轮。
4、非金属材料
目前，随着材料科学的飞速发展，不少非金属材料也越来越多的应用在齿轮产品的制作上，并且某些性能接近或超过了金属材料。比如，过去在较低负荷下使用的木材齿轮，已逐渐被部分聚合物复合材料成功替代，用于制作轻负荷、中负荷条件下运行的中小型齿轮。高聚合物材料在制作中引入了金属、金属氧化物、纳米微粒、增强纤维等，可以大幅度提高在各种润滑条件下的抗摩擦磨损性能。特别是某些要求无油润滑、可靠性高、污染小等条件的领域，如家用电器、医疗器械、食品机械和纺织机械等则更适合以聚合物复合材料制作的齿轮。此外，大批量的生产塑料或塑料金属齿轮可以有效降低生产成本，并且更适用于存在污染及多粉尘的不利环境。
5、粉末烧结金属
粉末烧结金属是指通过在烧结粉末中引入添加剂（如在铁粉中添加铜粉），以提高其强度的一种制备工艺较先进的材料形式。另外，将金属粉末烧结预成型件加热到锻造温度后还可以对零件进行锻造加工，从而使得相应齿轮的强度和力学性能接近由锻造材料制作的齿轮，而成本明显低于机加工或常规锻造工艺，是用于制作高强度齿轮
满足材料的机械性能材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。齿轮在啮合时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。齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此要求齿轮材料有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，芯部要有一定的强度和韧性。例如，在确定大、小齿轮硬度时应注