常用材料零件--齿轮零件

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1、 齿轮传动是机械传动中最主要的一种传动型式，历史悠久，应用非常广泛。齿轮传动的优点主要是：1. 传动的适用功率和传动速度范围广，从极小到 10万kW，从极低到40m/s以上。2. 传动平稳，传动比恒定。3. 传动效率高，可达99%。4. 结构紧凑，传动方式多样。就齿轮传动装置的密封形式来说，分为开式、半开式及闭式三种；就使用情况来说，有低速、高速及轻载、中载、重载之别；就齿轮热处 理的不同，齿轮又分为硬齿面齿轮（如经整体或渗碳淬火、表面淬火或氮化处理，齿面硬度HRC55）、中硬齿面（齿轮经过整体淬火或表面淬 火，齿面硬度大约载55HRC38，HB350）和软齿面齿轮（如经调质、常化的齿轮，齿面

2、硬度HB350）。齿轮传动的失效形式主要为齿面的疲劳点蚀、胶合、磨损、轮齿的疲劳断裂和塑性变形等，常见的是点蚀和断齿，开式齿轮主要是磨损和 断齿。在设计齿轮传动时，齿轮材料及其热处理的选择是首要问题。原则上，承受较大载荷的齿轮的材料质量和热处理的齿面硬度要求也高， 原则是齿面要硬、齿芯要韧。对高速或传动精度要求高的齿轮，多采用硬齿面和磨齿方案。对不重要的齿轮或载荷较小的齿轮，多从经济性考 虑，材料要求不高，如优质或普通碳素钢调质或正火处理。 齿轮材料的重要热处理特性淬透性 含义: 指钢接受淬火而获得马氏体的能力，不同钢种接受淬火的能力不同。 淬透性不同的钢，淬火后得到的淬透层深度不同，从而沿截

3、面分布的金相组织以及机械性能也不同。淬透层深度是指由淬火表面马 氏体到50%马氏体层的深度。全部淬透的工件通常表面残留着拉力，容易产生变形和开裂，同时对工作的疲劳性能也不利。 设计时考虑要点： 1. 零件尺寸越大，内部热容量越大，淬火时零件的冷却速度越慢，因此，淬透层越薄，性能越差，这种现象叫做“钢材的尺寸效应” 。所以，不能根据小尺寸的性能数据用于大尺寸零件的强度计算，而必须考虑钢材的淬透性。 2. 大截面或结构复杂的齿轮采用多元合金钢，保证足够而适当的淬透性，保证沿整个截面有良好的综合机械性能，同时，减少变形，防止开裂。 3. 对碳钢齿轮，由于碳钢的淬透性低，在设计大尺寸时，正火和调质效果

4、相似，而正火可降低成本，不必要求调质。 4. 大模数高质齿轮由于受到钢材淬透性的限制，应当开齿后调质。 淬硬性 含义：指钢在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成马氏体组织能够达到最高硬度。 设计时考虑要点：淬硬性与淬透性不同，它主要取决于钢中的含碳量。钢中含碳量越高，淬火后硬度越高，而与合金元素关系不大。 所以，淬火硬度高的钢不一定就淬透性高，而硬度低的钢，也可能具有高的淬透性。 过热敏感性 含义：指钢在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成马氏体组织能够达到最高硬度。 设计时考虑要点：淬硬性与淬透性不同，它主要取决于钢中的含碳量。钢中含碳量越高，淬火后硬度越高，而与合金元素关系不大。

5、所以，淬火硬度高的钢不一定就淬透性高，而硬度低的钢，也可能具有高的淬透性。 回火稳定性 含义：指钢在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成马氏体组织能够达到最高硬度。 设计时考虑要点：淬硬性与淬透性不同，它主要取决于钢中的含碳量。钢中含碳量越高，淬火后硬度越高，而与合金元素关系不大。 所以，淬火硬度高的钢不一定就淬透性高，而硬度低的钢，也可能具有高的淬透性。 变形开裂倾向 含义：指钢在加热和冷却过程中产生热应力和组织应力，其综合作用超过钢的s或b而产生变形开裂的倾向。 设计时考虑要点： 加热或冷却速度太快，加热和冷却不均匀都容易造成工件变形甚至开裂，因此： 1. 设计齿轮时，在结构上应尽量避

6、免尖角和厚薄断面的突然变化。 2. 采用缓和的淬火介质或淬火方法。 尺寸稳定性 含义：指零件在长期存放或使用中尺寸稳定不变的性能。这对精密齿轮是很重要的。 设计时考虑要点：引起尺寸变化的主要原因是内应力的存在以及组织中残余奥氏体的分解，因此，设计精密齿轮时，应当要求稳定 化处理，如淬火后进行冷处理或低温时效。使马氏体趋于稳定，并减少内应力，以使齿轮尺寸稳定。回火脆性 含义：指钢在某一温度范围回火时所发生的冲击性降低现象。 产生回火脆性的钢，不仅室温下冲击韧性较正常为低，而且使钢的冷脆温度大为提高。 设计时考虑要点： 合金结构钢在250400回火时引起冲击韧性及断裂韧性下降，这种现象一般称为第一

7、类回火脆性。它不能通过热处理方法来消 除，设计时应考虑到这一点。 某些合金结构钢(如Cr钢、Cr-Ni钢及Cr-Mn钢)在375575回火后缓慢冷却时也会产生脆性，一般称为第二类回火脆性，快冷 可以予以消除。对于截面较大的齿轮，可选用含有Mo或W的钢，以消除或减小回火脆性。 齿轮材料调质及表面淬火齿轮用钢 齿轮种类 钢 号 备 注 汽车、拖拉机及机床中的不重要齿轮 45 调质 中速、中载车床变速箱、钻床变速箱次要齿轮 及高速、中载磨床砂轮齿轮 45 调质+高频淬火 中速、中载较大截面机床齿轮 调质 中速、中载并带一定冲击的机床变速箱齿轮及 高速、重载并要求齿面硬度高的机床齿轮 40Cr、42S

8、iMn、35SiMn、45MnB 调质+高频淬火 一般载荷不大、截面尺寸也不大、 要求不太高的齿轮 I 40Mn、50Mn2、40Cr、35Si Mn、42SiMn 截面尺寸较大，承受较大载荷、 要求较高的齿轮 II 35CrMo、42CrMo、40CrMnM o、35CrMnSi、40CrNi、40 CrNiMo、45CrNiMoV III 35CrNi2Mo、40CiNi2Mo 起重机械、 运输机械、 建筑机械、 水泥机械、 冶金机械、 矿山机械、 工程机械等 设备中的低 速重载大齿 轮 截面尺寸很大、承受载荷大并要 求有足够韧性的重要齿轮 30CrNi3、34CrNi3Mo、37S iM

9、n2MoV 1.少数直径大、负荷 低、转速不高的末级 传动大齿轮可采用 SiMn钢正火 2.根据齿 轮截面尺寸大小及重 要程度分别选用各类 钢材（从I到V淬透 性逐渐提高）3.根据 设计，要求表面硬度 大于HRC40者应采用 调质+表面淬火。注：调质和表面淬火钢一般应是中碳钢(结构碳钢、合金钢、铸钢)。渗碳齿轮用钢齿轮种类 钢 号 汽车变速箱、分动箱、起动机及驱动桥的各类齿轮 20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、20MnTiB、20MnV B、20CrMo 拖拉机传动装置中的各类齿轮 20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、25MnTiB、20MnV B、20CrMo 机床变速

10、箱、龙门铣电动机及立车等中的高速、重载、受冲击的齿轮 20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、25MnTiB、20MnV B、20CrMo 起重、运输、矿山、通用、化工、机车等机械的变速箱中的小齿轮 20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、25MnTiB、20MnV B、20CrMo 化工、冶金、电站、铁路、宇航、海运等设备中的汽轮发电机、工业汽轮机、燃 气轮机、高速鼓风机、头平压缩机等的高速齿轮、要求长周期、安全可靠地运行 12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、20CrNi2、18Cr2Ni4W、 20CrwMn2Mo、 大型轧钢机减速器齿轮、人自己座轴齿轮、大型皮带运输机传动轴、

11、锥齿轮、大 型挖掘机传动箱主动齿轮、井下采煤机传动齿轮、坦克齿轮等低速重载并受冲击 载荷的传动齿轮 12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、20CrNi2、18Cr2Ni4W、 20CrwMn2Mo、 渗氮齿轮用钢 齿轮种类 性能要求 钢 号 一般齿轮 表面耐磨 20Cr、20CrMnTi、40Cr 在冲击载荷下工作的 齿轮 表面耐磨、心部韧性高 18CrNiWA、35CrMo、18Cr2Ni4WA、3 0CrNi3 在重载荷下工作的齿轮 表面耐磨、心部强度高 30CrMnSi、35CrMoV、25Cr2MoV、42 CrMo 在重载荷及冲击载荷下 工作的齿轮 表面耐磨、心部强度高、韧性高 30C

12、rNiMoA、40CrNiMoA、30CrNi2Mo 精密耐磨齿轮 表面高硬度、变形小 38CrMoA1A、30CrMoAl 说明： 1. 渗氮齿轮在渗氮前采用调质处理，渗氮可以获得高的表面硬度。 2. 渗氮温度较低，一般在480580下进行，因此，热处理变形小。 3. 渗氮深度一般在0.150.6mm，约0.1m n 。齿轮用铸铁铸铁齿轮与钢制齿轮相比,具有成本低、被切削性能好、耐磨性高、噪声低等优点。 灰铸铁强度低、塑性差，常用来制作对强度要求不高、但需耐磨的齿轮。常用牌号有HT200、HT250、HT300、HT350、HT400。球墨铸铁具有较高的强度和一定的塑性和韧性、适合于制作开式

13、齿轮，有较高的抗磨性；还可以用来制造某些对噪声控制要求较严的齿 轮。常用球铁牌号有：QT400-17、QT500-5、QT700-2、QT1200-1。齿轮用有色金属齿轮用有色金属主要是铜合金，而且多为蜗轮选用。如：铸锡青铜、铸铝铁青铜1. 铸锡青铜 分砂模铸、金属模（冷激）铸和离心铸三种。以离心铸的机械性能最好，晶粒致密均匀，砂模铸则较逊。锡青铜是较理想的蜗轮材料。它是由铜（约90左右）和锡（约10左右）软硬二相组成的合金。软组织易于磨合，硬组织则用以承 载。磨合后使接触表面能相互适配，增加支承面积。青铜熔铸过程中，如工艺不当，锡易氧化成坚硬的氧化结晶体，宛如金刚砂研磨剂，使 表面很快磨损，

14、因此熔铸时须加入少量的磷作为脱氧剂。锡青铜由此常被别称为磷锡青铜或磷青铜。锡青铜中亦有加入锌、铅等元素的；锌 比铅能增加些强度而价格比锡便宜，但它的磨合和适配性能较逊，加锌后无非能省一些锡和铜而已。铅较软较弱，容易很快磨合，但强度不 足，主要用以改善切削性能。国外常在锡青铜中加入镍元素（2左右），称为镍锡青铜，镍虽贵，但强度较高，且能提高磨损强度和硬度， 并促使合金结构均匀。 铸锡青铜用作蜗轮齿圈的国产牌号为ZCuSnl0Pb1、ZCuSn6Zn6Pb3。国内蜗轮大多用前者，有较成熟的使用经验；后者含锡量较前者小，因 此在强度硬度等性能上较逊。2.铸铝铁青铜 这类含铝青铜铸成后有较高强度，如再

15、进行热处理，强度还能提高，价廉。缺点是抗胶合性能差，当温度超过75时， 点蚀强度和磨损强度将显著下降，表面硬度也较高，跑合困难，接触适配性能差，影响效率的提高。因此仅适用于滑动速度s4m/s场合， 相配的蜗杆硬度须45HRC。国产牌号有 ZCuAl10Fe3Mn2等。各种铜合金的特性及用途 齿轮用非金属材料对高速、轻载及精度不高的齿轮传动，为了降低噪声，常用非金属材料（如夹布塑胶，尼龙等）做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。 为使大齿轮具有足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为250350HBS。 齿轮种类 钢 号 适用范围 尼龙6、尼龙66 有较高的疲劳强度和耐震性，但吸湿性较大 在中等或

16、较低负荷，中等温度(80以下)，少润滑或 无润滑条件下工作 尼龙610、尼龙1010、尼龙9 强度与耐热性较尼龙6略差，但吸湿性小、尺寸稳定 性好 在中等或较低负荷，中等温度(80以下)，少润滑或 无润滑条件下工作，并可在湿度波动较大的情况下工 作 铸型尼龙（MC尼龙） 强度、刚性较前两种高，耐磨性也更好 适宜于铸造大型齿轮 玻纤增强尼龙 强度、刚性、耐热性均优于未增强者，尺寸稳定性也 显著提高 在高负荷、高温下使用，传动效率高。速度较高时， 应用油润滑 聚甲醛 耐疲劳，刚性高于尼龙，吸湿性小，而磨性好，但成 型收缩率较大 在中等或较低负荷，中等温度(100以下)，少润滑或 无润滑条件下工作 聚碳酸酯 成型收缩率小，精度高，但耐疲劳强度较小，且有应 力开裂倾向 大量生产，一次加工。当速度高时，应用油润滑 玻纤增强聚碳酸酯 强度、刚性、耐热性与增强尼龙相同，但尺寸稳定性 更好，而磨性稍差 在较高负荷和温度下使用，适宜于制备精密齿轮。速 度较高时，应用油润滑 改性