上海水泵集團技術之齒輪材料與熱處理

一個齒輪裝置的成功或失敗，材料的選擇和熱處理最為關鍵、尤其對于大功率齒輪的設計更是如此,美國齒輪制造業協會規定按齒輪的強度和耐久性選定材料和熱處理方法。要縮小一個齒輪箱的尺寸，往往只需將低或中硬度(300HB)的齒輪，換為高硬度(55～60RC)齒輪，就可以實現。常用的硬化齒輪的方法有：

1. 透淬

2. 氮化處理

3. 高頻淬火

4. 滲碳處理

5. 火焰表面硬化

在一定的負載下，選用經熱處理的高硬度鋼材做齒輪，不用增大尺寸和重量，壽命就可以提高10倍。但硬化的齒輪必須和一個較軟的齒輪配合使用。齒輪精度越高，壽命也越長。

透淬  適用于中等和深度透淬的鋼材為4140和4340，這種鋼的含碳量為0.35～0.5，可淬性與其它合金鋼相似，用這種材料所做的齒輪耐磨性好，負載能力強。碳鋼1040、1050、1137和1340適宜于表面淬火，不宜深淬。用這些材料制造的齒輪具有中等強度并能承受沖擊載荷。4140鋼淬火后，硬度為HB 300～350，4340鋼淬火后硬度為HB350～400，后者適用于重載荷。一般說來，切制硬度在HB380～400的齒輪是比較困難和較慢的。

氮化處理  這種方法的特殊價值在于它使材料變形很小。它的工藝是在較低的溫度（975～1050°F）下進行，無需淬火，因而可以避免像其它熱處理方法所導致的變形和由此而引起的精加工。因滲氮層很薄，所以它只適用于小節距的齒輪（節徑小于4），然而，兩次滲氮的工藝可處理兩個節徑的齒輪。

任何含有可以形成氮化物元素，如鉻、釩、鉬等的合金鋼都可以滲氮。4140、4340、6140和8740鋼材滲氮后，通常里層硬度為HB300～340，而外表硬度可達RC47～52。如需更硬些，可用氮化合金鋼，這種鋼經處理后，表面可得硬度RC65～70，內層硬度為HB300～340。4140和4340鋼材硬層厚度取決于它在爐中氮化處理的時間，經72小時的單循環滲氮，可得硬層厚度0.025～0.030英寸。如時間加倍，則可得之硬層厚度為0.045～0.050英寸。氮化合金鋼滲氮層要比其它合金鋼淺些，如合金鋼4140和4340在相同的時間內滲氮層深度可超過它的50%，但硬度略低。

高頻淬火  齒輪制造業中感應式淬火的兩種基本類型是線圈式和齒廓感應式。線圈式的方法是將工件放在線圈內旋轉，以產生高頻電流，高頻電流使工件加熱，然后迅速放入油或水中淬火，使表面硬化。這種方法能使硬度為RC 50～58，它與所用的材料有關。用這種方法可使輪齒全部或齒根以下均得到硬化。

齒廓感應式熱處理方法是一種經濟而有效的方法，可用于大尺寸的正齒、斜齒和人字齒，其表面硬化過程是利用一個感應體依次沿齒廓由齒根至齒頂移動，在經過的地方連續產生局部加熱，達到淬火的溫度(然后在空氣中冷卻)，所以這種方法不致引起工件變形。 4140和4340 合金鋼廣泛采用這種工藝方法，表面硬度可達到RC50～58，齒側硬化深度可達 0.160 英寸。對普通碳素鋼諸如1040、1045 也能用這種方法進行熱處理，但它們必須在水中淬火。

滲碳處理  這是使表面硬化的一種好方法，它既可得到齒輪耐久所需的高硬度，又可使齒輪得到高的抗彎強度和抗摩強度。在滲碳層中的殘余擠壓應力有助于改善這種熱處理材料的抗疲勞特性。正常情況下滲碳層深度約為0.03～0.25英寸，硬度RC55～62，內層硬度HB 250～320。適用于滲碳處理的鋼材為4620、4320、3310和9310。滲碳和淬火會使齒輪變形，因而它的使用也受到一定限制。工藝發展已經可使變形達到最小程度，但一般還需在滲碳和淬火后進行磨齒和研磨，以達到所需的齒輪精度。

火焰表面硬化  這是用乙炔火焰加熱輪齒表面，使其達到規定溫度，然后空冷或水淬。這種方法可使齒輪的耐久性有所改善，但對齒的強度不一定有利，因為齒表面的硬化層不能達到齒根部分，在硬軟交接處會產生應力，削弱了齒的強度，故其使用亦有一定局限性。

在考慮大小齒輪熱處理工藝時，往往需要許多時間。應用于互配的大小齒輪熱處理工藝列舉如下，供齒輪設計時參考：

1. 滲碳的小齒輪—滲碳大齒輪

2. 滲碳的小齒輪—透淬的大齒輪

3. 滲碳的小齒輪—氮化處理的大齒輪

4. 氮化處理的小齒輪—氮化處理的大齒輪

5. 氮化處理的小齒輪—透淬的大齒輪

6. 高頻淬火的小齒輪—透淬的大齒輪

7. 滲碳的小齒輪—高頻淬火的大齒輪

8. 高頻淬火的小齒輪—高頻淬火的大齒輪

9. 透淬的小齒輪—透淬的大齒輪

齒輪裝置的合理化

齒輪的硬度是影響齒輪裝置的壽命，以致于齒輪尺寸的重要因素。將齒輪由中等硬度(約HB300)提高到RC55～60，往往會將齒輪裝置的尺寸縮小一半左右。此外，如齒寬與節徑之比，壓力角與節距之比等也是減小齒輪尺寸的一些重要因素。當根據使用要求設計齒輪時，首先應考慮選擇標準樣本上的齒輪裝置，這樣可以合理地降低成本。一般來說，選用樣本上的齒輪是經濟和有效的，但可能適用范圍有限。對于有些大功率，高速或空間上的特殊要求，應進行專門的齒輪選擇和設計。

減少齒輪噪音  在設計齒輪裝置時，降低噪音和振動的措施與選擇齒輪合理的強度和尺寸是互相矛盾的。一般說來，平行軸齒輪安裝的幾何尺寸精度容易保證，且齒輪接觸的摩擦小，故它比直角齒輪傳動的運轉情況好。斜齒輪嚙合時，重疊系數大，根據經驗，它的噪音比正齒輪的噪音小 12分貝。加工雙斜齒或人字齒輪時存在保證兩個斜齒對稱性的精度問題，所以只有單斜齒輪最適用于寬廣的速度范圍，至于它在嚙合過程中的軸向力和翻轉力矩，在現代設計技術中是容易解決的。

為了取得良好、輕快的傳動，設計時應遵循以下部分或全部原則：

1. 根據負載情況選擇合適的節徑；

2. 應用最小的壓力角：最常用的是14.5°或20°；

3. 修正漸開線齒形的齒頂或齒根，以保證平滑嚙合，沒有沖擊并補償微小的偏心；

4. 考慮到熱膨脹和離心膨脹，應留有適當的齒側間隙，但不應大到妨害正常嚙合；

5. 規定較高的齒輪精度，以減少沖擊動載荷，一般為取得平穩、無噪音運轉，按AGMA標準需選取質量數≥12；

6. 齒表面光潔度至少要達到20 rms；

7. 轉子的同心度和徑向跳動應保持準確；

8. 轉子的不平衡度應小于3  盎斯-英寸，其中W=重量，磅，N=轉速，每分鐘轉數；

9. 齒輪付的齒數應互為質數，以防止齒輪嚙合過程中出現同一對齒的周期性嚙合(所謂振蕩齒)；

10. 運轉系統中部件的臨界速度應至少偏離運轉速度、運轉速度的倍數和齒輪嚙合頻率的30%以上；

11. 齒輪箱支承元件的共振頻率應至少偏離運轉速度、運轉速度的倍數和齒輪嚙合頻率的20%以上；

12. 設計或使用粘性最高的潤滑劑；

13. 軸承對噪音級也有影響，應選用噪音低的滾動軸承。一般滑動軸承比滾動軸承噪音低，但其應用較為復雜；

14. 進一步減少噪音與振動可以從機殼的設計著手，可選用吸振材料或采用隔振，減振措施。