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(55～60 RC)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 HB300～350，4340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HB 380～400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HB250～320。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