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发表于 2009-3-24 11:11:31
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来自： 中国北京
齿轮材料的选择
锻造坯料：锻件是金属坯料经过锻造产生塑性变形而获得具有一定机械性能、外形和尺寸。锻造可以通过下列几方面来改善原材料的组织和性能：: Y1 e# V. w5 d5 C/ K& @, Q
1）打碎柱状晶，改善宏观偏析，把铸态组织变为锻态组织，并在合适的温度和应力条件下，焊合内部孔隙，提高材料的致密度；
2 L8 ~5 t/ q$ ~+ ^' T3 T 2）铸锭经过锻造形成纤维组织，进一步通过轧制、挤压、模锻，使锻件得到合理的纤维方向分布；
! _2 P4 R: W! V# W. o! p 3）控制晶粒的大小和均匀度；
5 ^; I% Y) L6 w( \0 H 4）改善第二相（例如：莱氏体钢中的合金碳化物）的分布；: z* F9 [- L, i6 _2 U3 ?/ } q
5）使组织得到形变强化或形变——相变强化等。' J/ n$ {4 ]2 H+ s* F' q! g
由于上述组织的改善，使锻件的塑性、冲击韧度、疲劳强度及持久性能等也随之得到了提高，然后通过零件的最后热处理就能得到零件所要求的硬度、强度和塑性等良好的综合性能。4 q3 G- O# n+ Q! Y
6 s" V, o" M% Y4 B* j热轧坯料：一般的钢板和棒料均采用此工艺，因轧制是局部辊轧成形，工作载荷只有锻造的几十分之一，容易出现材质成分层和横折缺陷，材质内部一致性较差，并且存在很大的内应力，其力学性能具有方向局限性的（如横向或纵向）
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铸钢坯料：毛坯易有气孔、沙眼等缺陷，组织疏松，力学性能较差
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深受楼主鼓励，连夜另凑了一篇，同时感谢楼主馈赠：
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《齿轮材料的选择》9 Q$ c; p* ^, n, r7 G7 ^
齿轮应按照使用时的工作条件选用合适的材料。齿轮材料的选择对齿轮的加工性能和使用寿命都有直接的影响。 : ~$ [( a! `9 A) C* p- y" r# N
速度教高的齿轮传动，齿面容易产生疲劳点蚀，应选择齿面硬度较高而硬层较厚的材料；有冲击载荷的齿轮传动，轮齿容易折断，应选择韧性较好的材料；低速重载的齿轮传动，轮齿容易折断，齿面易磨损，应选择机械强度大，齿面硬度高的材料。4 r/ N4 w) v* i
45钢热处理后有较好的综合机械性能。经过正火或调质可改善金相组织和材料的可切削性，降低加工后的表面粗糙度，并可减少淬火过程中的变形。因为45钢淬透性差 整体淬火后材料变脆，变形也大，所以一般采用齿面表面淬火，硬度可达HRC52-58。适合于机床行业，7级精度以下的齿轮。; A9 L- p5 y3 C& [
40Cr是中碳合金钢，和45钢相比，少量铬合金的加入可以使金属晶粒细化，提高强度、改善淬透性，减少了淬火时的变形。
' {& t8 m4 Y" u* {1 ~ 使齿轮获得高的齿面硬度而心部又有足够韧性和教高的抗弯曲疲劳强度的方法是渗碳淬火，一般选用低碳合金钢18CrMnTi，它具有良好的切削性能，渗碳时工件的变形小，淬火硬度可达到HRC56-62，残留的奥氏体量也少，多用于汽车，、拖拉机中承载大而有冲击的齿轮。
$ \9 n! v3 p* _' j9 u& l" q 38CrMoAlA氮化钢经氮化处理后，比渗碳淬火的齿轮具有更高的耐磨性与耐腐蚀性，变形很小，可以不磨齿，多用来作为高速传动中需要耐磨的齿轮材料。 铸铁容易铸成复杂的形状，容易切削，成本低，但其抗弯强度、耐冲击和耐磨性能差。故常用于受力不大、无冲击、低速的齿轮， 有色金属作为齿轮材料的有黄铜HPB59-1青铜QSNP10-1和铝合金LC4。 非金属材料中的夹布胶木、尼龙、塑料也常用于制造齿轮。这些材料具有易加工、传动噪声小、耐磨、减振性好等优点，使用于轻载、需减振、低噪声、润滑条件差的场合。
6 e5 I9 D8 F+ I. X. z0 X 1.齿坯热处理 钢料齿坯最常用的热处理为正火或调质。正火安排在铸造或锻造之后，切削加工之前。这样可以消除钢件中残留的铸造或锻造内应力，并且使铸造或锻造后组织上的不均匀性通过重新结晶得到细化而均匀的组织，从而改善了切削性能和表面粗糙度，还可以减少淬火时变形和开裂的倾向。调质同样起到了细化晶粒和均匀组织的作用，只不过它可以使齿坯韧性更高些，但切削性能差一些。 对于棒料齿坯，正火或调质一般安排在粗车之后，这样可以消除粗车形成的内应力。3 Y m% L: f4 s' n6 a
2.轮齿热处理 轮齿常用的热处理为高频淬火、渗碳、氮化。 高频淬火可以形成比普通淬火稍高硬度的表层，并保持了心部的强度与韧性。 渗碳可以使齿轮在淬火后表面具有高硬度且耐磨，心部依然保持一定的强度和较高的韧性。 氮化是将论置于氨气中并加热到520-560度，使活性氮原子渗入轮齿表面层，形成硬度很高的氮化物薄层。 在齿轮生产中，热处理质量对齿轮加工精度和表面粗糙度影响很大。往往因热处理质量不稳定，引起齿轮定位基面及齿面变形过大或表面粗糙度太大而大批报废，成为齿轮生产中的关键问题。 " e. r' C$ C- K$ d/ a$ e2 f$ k
3.齿轮毛坯的制造 齿轮毛坯形式主要有棒料、锻件、铸件。棒料用于小尺寸、结构简单而且对强度要求低的齿轮。锻件多用于齿轮要求强度高、耐冲击和耐磨。当齿轮直径大于400-600毫米时，常用铸造方法铸造齿坯。为了减少机械加工量，对大尺寸、低精度齿轮，可以直接铸出轮齿；压力铸造，精密铸造、粉末冶金、热扎和冷挤等新工艺，可制造出具有轮齿的齿坯等新工艺，可制造出具有轮齿的齿坯，以提高劳动生产率，节约原材料。
& g. l- k0 x0 {5 _1 D" v1 l ` 齿轮材料的合理选择 + ?+ T4 r4 s" p( Z5 Q
A满足材料的机械性能 : o8 ]. v$ ^1 n, w# `7 `9 K
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、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高30-50HBS，这是因为小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄，强度低于大齿轮。为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。 另一方面，根据材料的使用性能确定了材料牌号后。要明确材料的机械性能或材料硬度，然后我们可以通过不同的热处理工艺达到所要求的硬度范围，从而赋予材料不同的机械性能。如材料为40Cr合金钢的齿轮，当840-860℃油淬，540-620℃回火时，调质硬度可达28-32HRC，可改善组织、提高综合机械性能；当860-880℃油淬，240—280℃回火时，硬度可达46-51HRC，则钢的表面耐磨性能好，芯部韧性好，变形小；当500-560℃氮化处理，氮化层0.15-0.6mm时，硬度可达52-54HRC，则钢具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲劳强度，较高的抗蚀性和抗胶合性能且变形极小；当通过电镀或表面合金化处里后，则可改善齿轮工作表面摩擦性能，提高抗腐蚀性能。
5 x. x; O! N; ] B满足材料的工艺性能 & b5 q7 Z1 \+ D9 R) H
材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。 例如汽车变速箱中的齿轮选择20CrMnTi钢，该钢具有较高的机械性能，在渗碳淬火低温回火后，表面硬度为58-62HRC，芯部硬度为30-45HRC。20CrMnTi的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。此外，20 CrMnTi还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火。且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。适合于制造承受高速中载及冲击、摩擦的重要零件，因此根据齿轮的工作条件选用20CrMnTi钢是比较合适的。
2 R+ a7 J5 D0 X9 J C材料的经济性要求 8 g+ M6 B6 o0 v+ o
所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。我们可以从以下几方面考虑： 从材料本身价格来考虑。碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。 从齿轮生产过程的耗费来考虑。首先，采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样，如12CrNi3A钢渗碳表面淬火的费用要比氮化处理的费用少得多，而碳氮共渗又具有生产周期短和成本低的特点。其次，通过改进热处理工艺也可以降低成本。如某齿轮工作时在高速、中载且承受中等冲击条件下，原选用中合金高级渗碳钢18cr2Ni4WA材料，其经过910-940℃渗碳，850℃淬火，180-200℃回火后机械性能的抗拉强度≥1177Mpa、屈服强度≥834Mpa、延伸率≥10％、断面收缩率≥45％，冲击韧性≥980kJ／m2，硬度为58-62HRC。虽能满足齿轮的使用性能和工艺性能，但零件的价格高。现选用价格相对便宜的低碳中合金、中淬透性渗碳钢20CrMnTi。经过910-940℃渗碳，870℃淬火，180-200℃回火后机械性能的抗拉强度≥1100Mpa、屈服强度≥850Mpa、延伸率≥10％、断面收缩率≥45％，冲击韧性≥680，硬度为58-62HRC。仅此一项改进，材料费用不仅大大降低，而且满足了其使用性能和工艺性能。第三，所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理。随着齿轮形状、尺寸和材料向着多品种、多系列和个性化的方向发展，尤其是在型号多、产量小时，在齿轮锻造、机加工和热处理等生产工艺方面，存在着设计量大，生产周期长、效率低、成本高、能耗大、管理难和质量不易保证等不利状况，因此在齿轮选材时精选、优选和压缩材料牌号和规格有利于提高选材通用化、系列化和标准化程度，提高材料的利用率，提高材料采购的计划性，以减少库存积压、加快资金流动，方便储存和保管以及降低材料的成本消耗。最后，我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。如模锻件生产的模锻工艺已突破传统工艺的要求，在提供成型毛坯时，可利用少无切削工艺，模锻与机械精加工相结合，部分或全部取代切削加工直接生产零件，或在生产中采用成组技术与工艺，也可提高产品质量、生产效率和降低成本。
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9 e, h8 ?' y+ m# }6 t4 p4 N& ~$ W[ 本帖最后由 chaaaaaa 于 2009-3-24 13:19 编辑 ] |
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发表于 2009-3-22 22:02:56
