齿轮减速机齿轮材料及齿轮工艺

好的齿轮减速机齿轮材料将在很大程度上影响一台机器的使用寿命，而材料的不同，齿轮减速机的制作成本也会有很大不同，这也是目前市面上齿轮减速机价格参差不齐的原因之一(也可参考此文：硬齿面减速机价格是多少？ ）， 而不同的制造工艺也会对一台齿轮减速机的制造成本及性能造成很大影响。如渗碳淬火工艺不够成熟，将导致后期齿轮齿面硬度不统一等问题的发生。上层的，合理的齿轮减速机齿轮材料及先进的齿轮加工工艺才是齿轮减速机质量的保证。
    我国目前常用的渗碳材料大致分为三类:
    (1)低淬透性渗碳钢:如15#、20#、20Cr. 20Mn2钢等，这类钢淬透性低，经表面处理后心部强度较低，使用于制造冲击载荷较小的耐磨零件，如小型齿轮减速机里的小齿轮、小轴、蜗杆等。
    (2)中淬透性渗碳钢:如20CrMnMo, 20CrMnTi等，这类材料主要用于制造较大冲击载荷和要求较高耐磨性的零件，如减速机齿轮、齿轴、花键轴套等。
    (3)高淬透性渗碳钢，如18Cr2Ni4W. 20Cr2NiaA等。这类材料经表面处理后强度很高，表面耐磨性好，是渗碳钢中最好的钢种，常用于制造承受重载和强烈磨损的大型零件，如航空发动机轴及变速齿轮等。
    目前国内外的高速、重载齿轮主要采用低碳合金钢渗碳淬火或中碳合金钢氮化处理。渗碳钢材主要为12Cr2Ni4, 20 Cr2Ni4. 18 Cr2Ni4 W. 2OCrNi2Mo, 20CrNi4 .15CrNi3Mo, 17CrNiMo6，这些钢种含碳量均在0.1%^-0.25%之间，以保证零件心部有足够的韧性和塑性，并含Cr, Ni. Mo三种合金元素，C:有利于在渗碳层中获得细小碳化物，Ni有利于提高心部的韧性和强度，Mo的作用是阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒，防止渗碳层剥落及提高心部性能。这类钢渗碳淬火后心部强度可达到Q，=1100--1300MN/m2，冲击韧性可达。a k=80- 100J/cm 2。
    从国内外低速重载齿轮的应用看，经历了由软齿面向渗碳硬齿面的发展过程。如法国雪铁龙齿轮公司的重载齿轮生产经历了三个阶段:(1)大、小齿轮均调质，体积和质量都很大，(2)小齿轮渗碳淬火，大齿轮调质，(3)大、小齿轮均采用渗碳淬火并磨齿，提高了精度，承载能力也大大提高，相应还带来齿轮箱体结构紧凑、体积小、节约钢材、减小设备规格及占地面积小等一系列优点。
    根据齿轮毛坯的制造方法，钢制齿轮可以锻造、铸造或用轧制圆钢制造，其中锻造齿轮因强度较高，故应用较广。各种齿轮用钢，其冶炼质量均有一定的要求，热处理工艺也有很大的区别，热处理工艺主要包括.
    (1)正火处理。将钢加热至Ac3（铁一碳合金平衡图中奥氏体析出的开始线)或Acm(铁-碳合金平衡图中渗碳体从奥氏体中析出的开始线)以上30-500C，保温一段时间后在空气中冷却，这种热处理操作叫正火。正火处理可消除齿轮内部过大的应力，增加齿轮的韧性，改善材料的切削性能。正火处理常用于含碳量0.3%^-0.5%的优质碳钢或合金钢制造的齿轮。
    (2)调质处理。将钢淬火后进行高温(500^"6500C)回火，这种热处理操作称为调质处理。调质处理常用于含碳量0.3%-0.5%的优质碳素钢或合金钢制造的齿轮。调质处理可细化晶粒，并获得均匀的具有一定弥散度的和具有优良综合机械性能的细密球状珠光体类组织—回火索氏体。一般经调质处理后，轮齿硬度可达HB220-285，对尺寸较小的齿轮，其硬度可再高些。
    (3)表面淬火。表面淬火多用于中碳钢或中碳合金钢制齿轮，它是通过改变零件表层组织以获得硬度很高的马氏体，而保留芯部韧性和塑性。齿轮经表面淬火后须进行低温回火，以便降低内应力和脆性，齿面硬度一般为HRC45-55。表面淬火齿轮承载能力高，并能承受冲击载荷。通常淬火齿轮的毛坯可先经正火或调质处理，以便使轮齿芯部有一定的强度和韧度。
    (4)渗碳淬火。渗碳淬火是先将齿轮放入渗碳介质中，在900-950℃下加热、保温，使轮齿表面增碳，然后进行淬火，使表层得到马氏体。渗碳淬火齿轮常用含碳量为0.1%-0.25%的合金钢或高合金钢制造。渗碳淬火后，齿面硬度为HRC58^-62，一般需进行磨齿或f7齿，以消除热处理后引起的变形。
    (5)渗氮。渗氮是向轮齿表面渗入氮原子形成氮化层。渗氮可提高轮齿的表面硬度、耐磨性、疲劳强度及抗蚀能力。渗氮处理温度低，故齿轮变形极小，无需磨削或只需精磨即可。渗氮齿轮的材料主要有38CrMoA1A. 30CrMoSiA, 20CrMnTi等。渗氮齿轮由于渗氮层薄(约为0.15^-0.75mm)，硬化层有剥落的危险，故其承载能力一般不及渗碳齿轮高，不宜于承受冲击载荷或有强烈磨损的场合使用。
    英国GKN-Westland直升机公司研究开发了低碳、高铬、高铝、高镍的低碳高合金钢M50Ni1，其合金成分相当于高速钢，淬火后需经三次高温回火通过合金第二相的沉淀产生二次硬化，具有很高的整体强度和高温硬度。Birmingham大学进一步进行研究发现，M5ONi1钢经渗碳和低温氮化后，屈服强度在1000 MPa以上，且断裂韧性保持在IOOMPa "m1/2以上，赫兹应力大幅度增加，齿轮的使用温度得到了很大提高。