齿轮的材料和毛坯

8.2　齿轮的材料和毛坯

齿轮是机械设备中的重要传动部件，其工作的可靠性与齿轮的制造材料密切相关。在齿轮传递动力及改变速度的运动过程中，啮合齿面之间同时存在滚动和滑动，齿面还受到脉动或交变弯曲应力的作用，同时齿面可能发生磨损、胶合及疲劳破坏，因此要求齿轮具有优良的耐磨性能、抗接触疲劳性能和抗弯曲疲劳性能，即要求齿轮材料表面硬度高、强度高，芯部韧性好且硬化层分布合理。在实际选用齿轮材料时还应当根据使用需要和使用条件如负荷、速度、温度、可靠性、质量、精度和价格等因素来确定齿轮选材。

根据使用要求，齿轮材料以钢为主，包括各种低碳钢、中碳钢、高碳钢和合金钢。而铝、镁、钛、铜合金、铸铁、木材、塑料等材料也可用于制作齿轮。为了改善和提高齿轮材料的性能或降低制造成本，可以采用化学处理、表面强化处理以及复合处理等表面改性技术。

选取齿轮材料时要充分考虑材料的经济性、材料的强度及齿轮的精度等，必须高度关注齿轮材料的许用弯曲应力、许用接触应力、耐磨性能、冲击强度、加工成本、尺寸、质量、可靠性及对润滑的要求等。

8.2.1　齿轮的材料与热处理

1．齿轮材料的选择

① 钢材

由于齿轮形状复杂，故制造齿轮的材料选用十分讲究，应在综合考虑齿轮使用条件，如负荷、速度、润滑、制造成本等的基础上加以选用。齿轮用钢大多为合金钢，少量为碳钢。大多数齿轮不仅要求高强度，而且要求韧性和耐磨性能好，同时要求具有良好的截面淬透性，以保证齿轮的综合力学性能。通常，为了降低成本，可以对中碳钢和低合金钢进行各种热处理以提高其强度和硬度；表面硬化处理也可提高合金齿轮材料的强度，从而使其适用于高负荷和中等温度使用工况。当齿轮的使用条件提高时，往往需要对齿轮进行淬火以提高其强度和硬度，或通过表面渗碳及表面氧化处理使齿轮表面硬化，以提高其抗疲劳性能，改善其抗胶合和抗磨性能；部分合金钢材料经淬火处理后硬度及承载能力均得到提高。此外，通过改善润滑条件也可以提高齿轮的承载能力以及抗磨和抗疲劳性能。就发展趋势而言，应当大力推广使用强度和硬度较高的硬齿面齿轮，并通过优化齿轮选材及润滑方式来延长齿轮的使用寿命。

普通齿轮可选用45号钢，通过调质或高频淬火以提高45号钢的性能。中速、大截面等重要齿轮一般采用调质或高频淬火合金钢（40CrMn，40CrMnMo等）制造。汽车、坦克和大型轧机齿轮一般采用渗碳钢，如20CrMnMo，18CrNi4W等。大模数、重负荷汽车齿轮应当优先选择Cr-Ni或Cr-Ni-Mo系列钢。如17CrNiMo6钢不仅淬透性好，而且Ni含量低，价格适中，完全能够满足使用要求，也可以在生产工程机械用大模数、重负荷齿轮。对于汽轮机盘车齿轮，一般盘车是低速、高强度齿轮，采用调质合金钢，如35CrMoV，42CrMoA，34CrNi3M。

对齿轮用钢进行适当热处理，可以保证齿轮毛坯具有均匀一致的组织，从而有利于保证齿轮具有良好的接触面，并降低噪声，改善材料的组织结构，提高齿轮的使用寿命。

② 铸铁

齿轮常用的铸铁材料主要包括灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和合金铸铁等四类。同钢相比，铸铁的合金成分较低，加工性能更好。此外，铸铁中存在游离石墨和多孔性结构，故其耐磨性能良好，噪声小，成本低，因此广泛用于各类齿轮传动。由于铸铁良好的滑动性能，在许多负荷不大、工作条件不苛刻的涡轮传动中可以用铸铁涡轮代替铜合金涡轮。

③ 有色金属

在齿轮工业中应用最多的有色金属材料为铜和铜合金。其中常用的铜合金为锡青铜和铝铁青铜，大多用于制造涡轮。青铜合金大多具有耐磨性能好、强度高、易加工等特点，因此广泛应用于涡轮传动中。

另外，部分强度较高且机械加工性能较好的铸造铝合金也适用于制作齿轮或涡轮。但铝的滑动性及抗磨性能不佳，且难以润滑，故铝质齿轮的应用受到限制。铝合金齿轮大多适用于轻负荷、中等负荷以及低速或中等速度工况。

④ 非金属材料

随着科学技术的发展，新型材料不断涌现，很多非金属材料在性能上接近或超过了金属材料，其中不少非金属材料广泛应用于齿轮制造。早期在较低负荷下使用的齿轮大多数用木材等制作，随着聚合物及其复合材料的发展，部分新型聚合物复合材料已成功用于制作轻负荷及中等负荷下运行的中、小型齿轮，为实现无油润滑创造了条件。

⑤ 粉末烧结金属

利用金属粉末烧结方法制作齿轮在制备工艺上具有先进性。粉末烧结齿轮成本低，在批量生产时其价格比机加工齿轮的价格低一个数量级，因此适用于批量生产。由于材料的原因，该方法仅适用于制作具有中等强度且尺寸公差适中的齿轮。

2． 不同齿轮对材料的要求

就一对共轭齿轮而言，由于两齿轮大小不同，齿数差别大，为了保证其共轭齿轮的寿命，应使两个齿轮的硬度维持适当的差异，因此可对其进行不同的表面淬火和化学热处理。就软齿面齿轮（硬度≤350HB）而言，直齿轮中小齿轮的最小硬度应比共轭大齿轮的最大硬度高20～25HB；就斜齿或人字齿轮而言，小齿轮的最小硬度应比共轭大齿轮的最大硬度高40～50HB；就硬齿面齿轮（硬度＞350HB）而言，共轭齿轮的硬度配合同软齿面齿轮相同。另外，就软—硬齿面配合而言，如果小齿轮采用表面淬火处理，则大齿轮可以采用渗氮、渗碳等处理，以汽轮机减速器为例，主动齿轮轴的硬度为285～320HB，被动齿轮的硬度为245～285HB。在实际工作中，共轭齿轮的齿面配合并不绝对服从以上规律，但共轭小齿轮的强度必定高于共轭大齿轮的硬度。

一般机床齿轮大多数采用中碳钢制作，经感应加热表面淬火处理后，其硬度、耐磨性能、强度及韧性等均可满足使用要求，而且感应加热表面淬火件具有不易氧化及脱碳、变形小、生产率高等优点。

3．齿轮的热处理

根据不同的要求，齿轮的热处理有两类工序。

（1）毛坯热处理　在齿坯加工前后进行预备热处理——正火或调质，是为了消除残余应力，改善材料的可切削性和增强综合力学性能。

（2）齿面热处理　齿形加工完毕后，进行渗碳淬火，高频淬火，碳氮共渗和氮化处理等热处理，以提高齿面的硬度和耐磨性，

8.2.2　齿轮毛坯

毛坯形式主要有棒料、锻件和铸件。棒料用于小尺寸、结构简单且对强度要求不太高的齿轮，当机械性能要求较高时，用锻件毛坯。当齿轮的直径大于φ400时，常用铸造齿坯。并可采用先进制造技术如粉末冶金、精密铸造、压力铸造、精密锻造等制造出齿坯，以提高劳动生产率，节约材料，改进质量。

8.2.3　齿坯加工

指齿形加工之前的加工内容称为齿坯加工，齿坯的内孔、端面或外圆经常是齿轮齿形加工的工序基准、测量基准和装配的基准，齿坯的精度对齿轮的加工精度有着重要的影响。

1．齿坯加工精度

在齿坯加工中，主要要求保证基准孔的尺寸精度和形状精度、基准端面相对于基准孔的位置精度。不同精度的孔的齿坯公差以及表面粗糙度等要求分别列于表8.1、表8.2和表8.3中。

表8.1　齿坯公差

注：①当三个公差组的精度等级不同时，按最高精度等级确定公差值。

②当顶圆不作为测量齿厚基准时，尺寸公差按IT11给定，但应小于0.1mm。

表8.2　齿轮基准面径向和端面圆跳动公差（μm）

表8.3　齿坯基准面的表面粗糙度参数Ra（μm）

2．齿坯加工方案

齿坯加工方案的选择主要与齿轮的轮体结构、技术要求和生产批量等因素有关。对轴、套筒类齿轮的齿坯，其加工工艺与一般轴、套筒零件的加工工艺相类同。下面主要对盘齿轮的齿坯加工方案作介绍。