齒輪減速機(jī)齒輪材料及齒輪工藝：好的齒輪減速機(jī)齒輪材料將在很大程度上影響一臺(tái)機(jī)器的使用壽命，而材料的不同，齒輪減速機(jī)的制作成本也會(huì)有很大不同，這也是目前市面上齒輪減速機(jī)價(jià)格參差不齊的原因之一(也可參考此文：硬齒面減速機(jī)價(jià)格是多少？ ）， 而不同的制造工藝也會(huì)對(duì)一臺(tái)齒輪減速機(jī)的制造成本及性能造成很大影響。如滲碳淬火工藝不夠成熟，將導(dǎo)致后期齒輪齒面硬度不統(tǒng)一等問題的發(fā)生。上層的，合理的齒輪減速機(jī)齒輪材料及先進(jìn)的齒輪加工工藝才是齒輪減速機(jī)質(zhì)量的保證。
我國(guó)目前常用的滲碳材料大致分為三類:
(1)低淬透性滲碳鋼:如15#、20#、20Cr. 20Mn2鋼等，這類鋼淬透性低，經(jīng)表面處理后心部強(qiáng)度較低，使用于制造沖擊載荷較小的耐磨零件，如小型齒輪減速機(jī)里的小齒輪、小軸、蝸桿等。
(2)中淬透性滲碳鋼:如20CrMnMo, 20CrMnTi等，這類材料主要用于制造較大沖擊載荷和要求較高耐磨性的零件，如減速機(jī)齒輪、齒軸、花鍵軸套等。
(3)高淬透性滲碳鋼，如18Cr2Ni4W. 20Cr2NiaA等。這類材料經(jīng)表面處理后強(qiáng)度很高，表面耐磨性好，常用于制造承受重載和強(qiáng)烈磨損的大型零件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸及變速齒輪等。
目前國(guó)內(nèi)外的高速、重載齒輪主要采用低碳合金鋼滲碳淬火或中碳合金鋼氮化處理。滲碳鋼材主要為12Cr2Ni4, 20 Cr2Ni4. 18 Cr2Ni4 W. 2OCrNi2Mo, 20CrNi4 .15CrNi3Mo, 17CrNiMo6，這些鋼種含碳量均在0.1%^-0.25%之間，以保證零件心部有足夠的韌性和塑性，并含Cr, Ni. Mo三種合金元素，C:有利于在滲碳層中獲得細(xì)小碳化物，Ni有利于提高心部的韌性和強(qiáng)度，Mo的作用是阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒，防止?jié)B碳層剝落及提高心部性能。這類鋼滲碳淬火后心部強(qiáng)度可達(dá)到Q，=1100--1300MN/m2，沖擊韌性可達(dá)。a k=80- 100J/cm 2。
從國(guó)內(nèi)外低速重載齒輪的應(yīng)用看，經(jīng)歷了由軟齒面向滲碳硬齒面的發(fā)展過程。如法國(guó)雪鐵龍齒輪公司的重載齒輪生產(chǎn)經(jīng)歷了三個(gè)階段:(1)大、小齒輪均調(diào)質(zhì)，體積和質(zhì)量都很大，(2)小齒輪滲碳淬火，大齒輪調(diào)質(zhì)，(3)大、小齒輪均采用滲碳淬火并磨齒，提高了精度，承載能力也大大提高，相應(yīng)還帶來齒輪箱體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、節(jié)約鋼材、減小設(shè)備規(guī)格及占地面積小等一系列優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)齒輪毛坯的制造方法，鋼制齒輪可以鍛造、鑄造或用軋制圓鋼制造，其中鍛造齒輪因強(qiáng)度較高，故應(yīng)用較廣。各種齒輪用鋼，其冶煉質(zhì)量均有一定的要求，熱處理工藝也有很大的區(qū)別，熱處理工藝主要包括.
(1)正火處理。將鋼加熱至Ac3（鐵一碳合金平衡圖中奧氏體析出的開始線)或Acm(鐵-碳合金平衡圖中滲碳體從奧氏體中析出的開始線)以上30-500C，保溫一段時(shí)間后在空氣中冷卻，這種熱處理操作叫正火。正火處理可消除齒輪內(nèi)部過大的應(yīng)力，增加齒輪的韌性，改善材料的切削性能。正火處理常用于含碳量0.3%^-0.5%的優(yōu)質(zhì)碳鋼或合金鋼制造的齒輪。
(2)調(diào)質(zhì)處理。將鋼淬火后進(jìn)行高溫(500^"6500C)回火，這種熱處理操作稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理常用于含碳量0.3%-0.5%的優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金鋼制造的齒輪。調(diào)質(zhì)處理可細(xì)化晶粒，并獲得均勻的具有一定彌散度的和具有優(yōu)良綜合機(jī)械性能的細(xì)密球狀珠光體類組織—回火索氏體。一般經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，輪齒硬度可達(dá)HB220-285，對(duì)尺寸較小的齒輪，其硬度可再高些。
(3)表面淬火。表面淬火多用于中碳鋼或中碳合金鋼制齒輪，它是通過改變零件表層組織以獲得硬度很高的馬氏體，而保留芯部韌性和塑性。齒輪經(jīng)表面淬火后須進(jìn)行低溫回火，以便降低內(nèi)應(yīng)力和脆性。表面淬火齒輪承載能力高，并能承受沖擊載荷。通常淬火齒輪的毛坯可先經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理，以便使輪齒芯部有一定的強(qiáng)度和韌度。
(4)滲碳淬火。滲碳淬火是先將齒輪放入滲碳介質(zhì)中，在900-950℃下加熱、保溫，使輪齒表面增碳，然后進(jìn)行淬火，使表層得到馬氏體。滲碳淬火齒輪常用含碳量為0.1%-0.25%的合金鋼或高合金鋼制造。滲碳淬火后，齒面硬度為HRC58^-62，一般需進(jìn)行磨齒或f7齒，以消除熱處理后引起的變形。
(5)滲氮。滲氮是向輪齒表面滲入氮原子形成氮化層。滲氮可提高輪齒的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度及抗蝕能力。滲氮處理溫度低，故齒輪變形極小，無需磨削或只需精磨即可。滲氮齒輪的材料主要有38CrMoA1A. 30CrMoSiA, 20CrMnTi等。滲氮齒輪由于滲氮層薄(約為0.15^-0.75mm)，硬化層有剝落的危險(xiǎn)，故其承載能力一般不及滲碳齒輪高，不宜于承受沖擊載荷或有強(qiáng)烈磨損的場(chǎng)合使用。
英國(guó)GKN-Westland直升機(jī)公司研究開發(fā)了低碳、高鉻、高鋁、高鎳的低碳高合金鋼M50Ni1，其合金成分相當(dāng)于高速鋼，淬火后需經(jīng)三次高溫回火通過合金第二相的沉淀產(chǎn)生二次硬化，具有很高的整體強(qiáng)度和高溫硬度。Birmingham大學(xué)進(jìn)一步進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，M5ONi1鋼經(jīng)滲碳和低溫氮化后，屈服強(qiáng)度在1000 MPa以上，且斷裂韌性保持在IOOMPa "m1/2以上，赫茲應(yīng)力大幅度增加，齒輪的使用溫度得到了很大提高。
我國(guó)目前常用的滲碳材料大致分為三類:
(1)低淬透性滲碳鋼:如15#、20#、20Cr. 20Mn2鋼等，這類鋼淬透性低，經(jīng)表面處理后心部強(qiáng)度較低，使用于制造沖擊載荷較小的耐磨零件，如小型齒輪減速機(jī)里的小齒輪、小軸、蝸桿等。
(2)中淬透性滲碳鋼:如20CrMnMo, 20CrMnTi等，這類材料主要用于制造較大沖擊載荷和要求較高耐磨性的零件，如減速機(jī)齒輪、齒軸、花鍵軸套等。
(3)高淬透性滲碳鋼，如18Cr2Ni4W. 20Cr2NiaA等。這類材料經(jīng)表面處理后強(qiáng)度很高，表面耐磨性好，常用于制造承受重載和強(qiáng)烈磨損的大型零件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸及變速齒輪等。
目前國(guó)內(nèi)外的高速、重載齒輪主要采用低碳合金鋼滲碳淬火或中碳合金鋼氮化處理。滲碳鋼材主要為12Cr2Ni4, 20 Cr2Ni4. 18 Cr2Ni4 W. 2OCrNi2Mo, 20CrNi4 .15CrNi3Mo, 17CrNiMo6，這些鋼種含碳量均在0.1%^-0.25%之間，以保證零件心部有足夠的韌性和塑性，并含Cr, Ni. Mo三種合金元素，C:有利于在滲碳層中獲得細(xì)小碳化物，Ni有利于提高心部的韌性和強(qiáng)度，Mo的作用是阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒，防止?jié)B碳層剝落及提高心部性能。這類鋼滲碳淬火后心部強(qiáng)度可達(dá)到Q，=1100--1300MN/m2，沖擊韌性可達(dá)。a k=80- 100J/cm 2。
從國(guó)內(nèi)外低速重載齒輪的應(yīng)用看，經(jīng)歷了由軟齒面向滲碳硬齒面的發(fā)展過程。如法國(guó)雪鐵龍齒輪公司的重載齒輪生產(chǎn)經(jīng)歷了三個(gè)階段:(1)大、小齒輪均調(diào)質(zhì)，體積和質(zhì)量都很大，(2)小齒輪滲碳淬火，大齒輪調(diào)質(zhì)，(3)大、小齒輪均采用滲碳淬火并磨齒，提高了精度，承載能力也大大提高，相應(yīng)還帶來齒輪箱體結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、節(jié)約鋼材、減小設(shè)備規(guī)格及占地面積小等一系列優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)齒輪毛坯的制造方法，鋼制齒輪可以鍛造、鑄造或用軋制圓鋼制造，其中鍛造齒輪因強(qiáng)度較高，故應(yīng)用較廣。各種齒輪用鋼，其冶煉質(zhì)量均有一定的要求，熱處理工藝也有很大的區(qū)別，熱處理工藝主要包括.
(1)正火處理。將鋼加熱至Ac3（鐵一碳合金平衡圖中奧氏體析出的開始線)或Acm(鐵-碳合金平衡圖中滲碳體從奧氏體中析出的開始線)以上30-500C，保溫一段時(shí)間后在空氣中冷卻，這種熱處理操作叫正火。正火處理可消除齒輪內(nèi)部過大的應(yīng)力，增加齒輪的韌性，改善材料的切削性能。正火處理常用于含碳量0.3%^-0.5%的優(yōu)質(zhì)碳鋼或合金鋼制造的齒輪。
(2)調(diào)質(zhì)處理。將鋼淬火后進(jìn)行高溫(500^"6500C)回火，這種熱處理操作稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理常用于含碳量0.3%-0.5%的優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金鋼制造的齒輪。調(diào)質(zhì)處理可細(xì)化晶粒，并獲得均勻的具有一定彌散度的和具有優(yōu)良綜合機(jī)械性能的細(xì)密球狀珠光體類組織—回火索氏體。一般經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，輪齒硬度可達(dá)HB220-285，對(duì)尺寸較小的齒輪，其硬度可再高些。
(3)表面淬火。表面淬火多用于中碳鋼或中碳合金鋼制齒輪，它是通過改變零件表層組織以獲得硬度很高的馬氏體，而保留芯部韌性和塑性。齒輪經(jīng)表面淬火后須進(jìn)行低溫回火，以便降低內(nèi)應(yīng)力和脆性。表面淬火齒輪承載能力高，并能承受沖擊載荷。通常淬火齒輪的毛坯可先經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理，以便使輪齒芯部有一定的強(qiáng)度和韌度。
(4)滲碳淬火。滲碳淬火是先將齒輪放入滲碳介質(zhì)中，在900-950℃下加熱、保溫，使輪齒表面增碳，然后進(jìn)行淬火，使表層得到馬氏體。滲碳淬火齒輪常用含碳量為0.1%-0.25%的合金鋼或高合金鋼制造。滲碳淬火后，齒面硬度為HRC58^-62，一般需進(jìn)行磨齒或f7齒，以消除熱處理后引起的變形。
(5)滲氮。滲氮是向輪齒表面滲入氮原子形成氮化層。滲氮可提高輪齒的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度及抗蝕能力。滲氮處理溫度低，故齒輪變形極小，無需磨削或只需精磨即可。滲氮齒輪的材料主要有38CrMoA1A. 30CrMoSiA, 20CrMnTi等。滲氮齒輪由于滲氮層薄(約為0.15^-0.75mm)，硬化層有剝落的危險(xiǎn)，故其承載能力一般不及滲碳齒輪高，不宜于承受沖擊載荷或有強(qiáng)烈磨損的場(chǎng)合使用。
英國(guó)GKN-Westland直升機(jī)公司研究開發(fā)了低碳、高鉻、高鋁、高鎳的低碳高合金鋼M50Ni1，其合金成分相當(dāng)于高速鋼，淬火后需經(jīng)三次高溫回火通過合金第二相的沉淀產(chǎn)生二次硬化，具有很高的整體強(qiáng)度和高溫硬度。Birmingham大學(xué)進(jìn)一步進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，M5ONi1鋼經(jīng)滲碳和低溫氮化后，屈服強(qiáng)度在1000 MPa以上，且斷裂韌性保持在IOOMPa "m1/2以上，赫茲應(yīng)力大幅度增加，齒輪的使用溫度得到了很大提高。
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