要實現(xiàn)齒輪產(chǎn)品的性能,一方面需要一個好的設(shè)計,另一個很重要的方面就是齒輪材料的選擇和質(zhì)量控制。本文討論這個問題。
齒輪材料的基本要求:
為保證齒輪工作的可靠性,提高齒輪的使用壽命,應(yīng)根據(jù)工作條件和材料特性選擇齒輪的材料和熱處理。齒面應(yīng)具有足夠的硬度和耐磨性,齒心應(yīng)有足夠的韌性,以防止齒面發(fā)生各種失效。同時應(yīng)具有良好的冷熱加工工藝,以滿足齒輪的各種技術(shù)要求。
常用的齒輪材料有各種牌號的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼、鑄鐵和非金屬材料。一般使用鍛件或軋鋼。當(dāng)齒輪結(jié)構(gòu)尺寸較大、輪坯不易鍛造時,可采用鑄鋼。開式低速傳動可采用灰鑄鐵或球墨鑄鐵。低速重載齒輪齒面容易發(fā)生塑性變形,齒輪齒也容易折斷。宜選用綜合性能較好的鋼材。高速齒輪齒面容易產(chǎn)生點蝕,應(yīng)采用硬度高的材料。承受沖擊載荷的齒輪應(yīng)采用韌性好的材料。對于高速、輕載、低噪聲的齒輪傳動,也可采用布匹膠木、尼龍等非金屬材料。
鋼制齒輪的熱處理方法
主要有以下幾個方面:
1.表面淬火:常用于中碳鋼和中碳合金鋼,如45、40Cr鋼等,表面淬火后,齒面硬度一般為40~55HRC。其特點是抗疲勞點蝕,抗膠合能力強(qiáng),耐磨性好。由于齒芯未硬化,齒輪仍有足夠的韌性承受較小的沖擊載荷。
2.滲碳淬火:常用于低碳鋼和低碳合金鋼,如20、20Cr鋼等,滲碳淬火后,齒面硬度可達(dá)56~62HRC,齒心仍保持較高的韌性。齒的彎曲強(qiáng)度和齒面接觸強(qiáng)度高,耐磨性好。通常用于沖擊載荷。齒輪傳動。齒輪滲碳淬火后,輪齒變形較大,應(yīng)進(jìn)行磨削。
3.滲氮:滲氮是一種表面化學(xué)熱處理。滲氮后無需其他熱處理,齒面硬度可達(dá)700-900HV。由于滲氮后齒輪硬度高、工藝溫度低、變形小,適用于內(nèi)齒輪和難以磨削的齒輪。常用于含鉻、銅、鉛等合金元素的鋼滲氮,如38CrMoAlA。
4.回火:回火一般用于中碳鋼和中碳合金鋼,如45、40Cr、35SiMn鋼等,調(diào)質(zhì)后齒面硬度一般為220~280HBS。由于輪齒硬度較低,可在熱處理后進(jìn)行精加工。
5.正火:正火可以消除內(nèi)應(yīng)力,細(xì)化晶粒,提高機(jī)械性能和切削性能。機(jī)械強(qiáng)度低的齒輪可采用中碳鋼正火,大直徑齒輪可采用鑄鋼正火。
一般規(guī)定的傳動齒輪可選用軟齒面?zhèn)鲃育X輪。以便減少膠合板的概率,并使匹配的尺寸傳動齒輪使用壽命非常,一般 使傳動齒輪軸頸強(qiáng)度比傳動輪軸頸強(qiáng)度高于30-50HBS。對于高速、重載或重要的齒輪傳動,可采用硬齒面齒輪組合,齒面硬度可大致相同。
從齒輪設(shè)計的角度看,對材料和熱處理的要求:材料要求成分體系合理,基本為細(xì)晶粒鋼,具有適當(dāng)?shù)拇阃感院透呒兌?。其中熱處理要求主要包括表面硬度、芯部硬度、殘余?yīng)力、組織(非馬氏體、殘余奧氏體、晶粒尺寸)。確保其符合GB3480.5《正齒輪和斜齒輪承載能力計算第5部分:材料強(qiáng)度和質(zhì)量》中ME級標(biāo)準(zhǔn)的要求。
齒輪材料相關(guān)研究重點:
為了獲得更好的齒輪成品,齒輪鋼應(yīng)注意以下幾點:
1、嚴(yán)格控制材料中的夾雜物。大尺寸夾雜物的危害尤為嚴(yán)重,表層、亞表層和齒根的危害尤為嚴(yán)重。一般認(rèn)為氧化物夾雜的危害性高于硫化物夾雜。嚴(yán)格控制夾雜物,可采取以下措施:對每一澆注時間的實際首末分別進(jìn)行標(biāo)識、單獨(dú)管理、單獨(dú)取樣檢測;增加取樣量和取樣面積,從檢測方面進(jìn)行控制;技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中明確了發(fā)紋要求,加強(qiáng)對宏觀非金屬夾雜物的檢測;提高檢測水平要求,部分鋼種要求浸水檢測。
2、嚴(yán)格控制材料的淬透性。材料的淬透性直接影響熱處理后鋼的硬度(力學(xué)術(shù)性能),進(jìn)而影響零件的壽命,零件的熱處理變形,即零件的尺寸精度,進(jìn)而影響零件的壽命。采用兩臺不同淬透性材料零件的熔爐,在相同的加工和熱處理條件下,對熱處理后的零件進(jìn)行累積比較,發(fā)現(xiàn)材料淬透性對零件熱處理后的尺寸有顯著影響。我們可以采取的措施是:細(xì)化標(biāo)準(zhǔn),對同一種材料制定不同的淬透性版本,與設(shè)計部門溝通,明確不同淬透性版本材料的使用范圍。目前,世界一流的齒輪制造企業(yè)一般按照4HRC控制材料的淬透性帶寬。對于專用齒輪,帶寬甚至應(yīng)控制在HRC2以內(nèi)。
3、開發(fā)非調(diào)質(zhì)鋼系列在齒輪上的應(yīng)用。非調(diào)質(zhì)鋼不需要調(diào)質(zhì),就可以獲得調(diào)質(zhì)后能達(dá)到機(jī)械性能的碳鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼,避免了調(diào)質(zhì)時硬化層深度較淺的問題。減少空調(diào)過程,提高效率,節(jié)能減排。相關(guān)廠家研制的用于滲氮的非調(diào)質(zhì)鋼強(qiáng)度與42CrMoH相當(dāng),滲氮速度快,比42CrMoH高30%;滲氮后表面硬度高于42CrMoH。
4、精確控制相關(guān)熱處理參數(shù)。隨著離子滲氮、真空滲氮和現(xiàn)代計算機(jī)控制技術(shù)在熱處理工藝中的應(yīng)用,使?jié)B氮層成分的控制變得容易。德國Cl?ckner-離子公司在離子滲氮?dú)怏w滲氮方面有著突出的成就,加拿大NITREX金屬公司和德國IVA公司已經(jīng)形成了一個共同的公司商業(yè)軟硬件系統(tǒng)。由于真空滲氮可以活化和清潔金屬表面,在加熱、保溫和冷卻的整個過程中排出不純凈的微量氣體,并將含有活性物質(zhì)的純復(fù)合氣體送入,從而控制和調(diào)整表層結(jié)構(gòu)。我國離子滲氮和計算機(jī)滲氮技術(shù)在國際上是先進(jìn)的。新開發(fā)的計算機(jī)控制滲氮工藝徹底改變了傳統(tǒng)的以氨分解速率控制參數(shù)的模式,直接控制氮勢,并提供了形成白亮層的閾值曲線。鄭州機(jī)械研究院深度滲氮單相控制技術(shù)已獲專利。
齒輪材料發(fā)展方向:
對于材料本身,我們的齒輪材料應(yīng)滿足以下條件:材料純度高,非金屬夾雜物含量減少,尺寸減小,間距增大,S鋼和含S化合物的細(xì)小夾雜,O含量≤10ppm,H≤1ppm;淬透性區(qū)窄,帶寬控制在4HRC,同爐波動≤2HRC;采用微合金化技術(shù),采用低晶間氧化物鋼,提高強(qiáng)度和韌性。
熱處理工藝的發(fā)展方向主要是:真空熱處理技術(shù)的推廣和應(yīng)用;采用強(qiáng)化拋丸技術(shù),以表面殘余壓應(yīng)力為評價指標(biāo);應(yīng)用強(qiáng)穿透和滲透技術(shù),大大降低能耗提高生產(chǎn)力。
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