7.3.1 齿轮类
齿轮是机器中传递动力、变速和改变方向的重要零件。和其他传动件相比，齿轮具有传动效率高、结构紧凑、速比稳定、传动平衡、寿命长等优点，因此，生产中应用十分广泛。
1.对齿轮材料的性能要求
（1）齿轮工作时，齿面相对滚动和滑动，相互作用着很大的接触应力，长此下去，齿面会出现点状剥落，即所谓接触疲劳。对这种破坏形式，应从提高齿面硬度来防止，可根据接触应力的大小对齿轮材料提出一定的硬度要求，提高硬度的同时也改善了耐磨性。
（2）齿部承受很大的交变弯曲应力，尤其是需要正、反转的齿轮，齿根部易发生疲劳断裂。对这类损坏形式，应从提高材料弯曲疲劳强度来防止。因此，提高材料的抗拉强度就能满足要求。
（3）齿轮在启动、换挡及啮合不均匀时，都会发生很大的冲击力，有可能出现断齿现象，所以，要求齿轮材料有足够的韧度。
此外，齿轮加工比较复杂，生产批量较大，所以，在选用材料时还要考虑到应具有良好的切削加工性和热处理工艺性。
2.常用齿轮材料的选择和热处理
常用齿轮按其材料及热处理方法不同可分为三类。
（1）调质类齿轮。这类齿轮多用中碳钢（如45钢）及中碳合金钢（如40Cr、40MnB）经调质处理制成。调质后硬度一般为220HBW～250HBW，如果硬度再高则难以切削加工。由于硬度不高，磨损快，又不能承受较高的接触应力，所以，调质类齿轮多用于低速、轻载荷的场合。其工艺路线：下料→锻造→退火（或正火）→粗车→调质→齿形加工。
（2）表面淬火类齿轮。这类齿轮多用中碳钢（如45钢）及中碳合金钢（如40Cr、40MnB）经调质后再进行淬火处理。由于表面淬火提高了表面硬度，表面淬火类齿轮具有较好的抗疲劳能力和耐磨性，多用于高速、重载荷的场合。其工艺路线：下料→锻造→退火（或正火）→粗车→调质→精车及齿形加工→表面淬火→回火→磨齿。
这类齿轮表面淬火后硬化层分布对齿轮承受载荷能力影响较大。
对小模数（m＜2.5）齿轮，高频淬火后，往往是全齿淬透，轮齿抵抗冲击能力差，易从齿根部折断。对大模数（m＞4.5）齿轮，高频淬火后，往往是根部淬不硬，因此，弯曲疲劳能力较差。
（3）渗碳淬火类齿轮。这类齿轮一般采用低碳钢（如15钢、20钢）及低碳合金钢（如20Cr、20CrMnTi）经渗碳淬火制得。渗碳淬火比表面淬火工艺要复杂得多，而且变形大，但齿轮经渗碳后齿面含碳量高，淬火后硬度较高，因此，抗接触应力及耐磨性都较好，淬硬层又沿齿廓均匀分布，抗冲击性能也好。矿山机械中一些冲击大、载荷重的齿轮都采用渗碳淬火处理。其工艺路线：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火→低温回火→磨齿。
生产中，根据齿轮工作时的受力情况，分析其对齿轮材料的性能要求，然后选择相应的材料，并确定其热处理方法。
如图7－1所示，为某采煤机组截割部齿轮，属于中速、重载、受冲击的重要传动齿轮，工作条件差，要求齿部有高的耐磨性和弯曲疲劳强度，心部有较高的强度和韧度，因此选用20CrMnTi钢进行渗碳、淬火处理。热处理技术要求：渗碳深度为1.0mm～1.4mm，齿面硬度为58HRC～62HRC。工艺路线：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火→低温回火→磨齿。
正火的目的是消除锻造应力、细化晶粒、均匀组织，使同一批毛坯具有相同的硬度，便于切削加工；渗碳是为了提高齿面含碳量，以便在淬火后得到很高的齿面硬度，提高齿轮的耐磨性和抗压强度；渗碳后一般采用高频淬火，使齿部得到均匀的表面硬化层，使齿面硬而耐磨，而心部具有较高的强度和韧度；低温回火是为了消除内应力。齿轮的热处理工艺曲线如图7－2所示。
图7－1 齿轮简图
图7－2 热处理工艺曲线
7.3.2 轴类零件
轴的用途是支持机器中的旋转零件（如齿轮、链轮等）构成旋转中心，传递动力。轴质量的高低，直接影响机器的精度和使用寿命，所以，合理选择材料和采用正确的热处理方法是满足设计要求、延长使用寿命的重要保证。
1.对轴类零件的性能要求
（1）一般轴类零件在工作中受到弯曲、扭转及冲击等不同载荷，当弯曲载荷很大而转速又很高时，还承受着疲劳应力作用，故要求轴类零件材料具有足够的强度、韧度及耐疲劳能力。
（2）各种轴的轴颈部分受着不同的摩擦，其摩擦程度与轴承种类有关。
在滑动轴承中，轴颈与轴瓦直接摩擦，所以，要求很高的耐磨性，随着转速的提高，对耐磨性的要求也提高。
如果是滚动轴承，摩擦转移给轴承套圈和滚珠，轴颈部分并不需要较高的耐磨性，但为了改善装配工艺和保证装配精度，通常要求轴颈淬硬至40HRC～45HRC。
（3）对于经常装卸的配件接触面（如内锥孔、外锥面），为防止表面划伤而影响配合，一般要求硬度在45HRC以上。
2.轴类零件的材料选择和热处理
常用轴类零件的选材及热处理可分三种情况。
（1）一般，不重要的轴类零件可用Q235A、Q275制造，不进行热处理。
（2）要求综合力学性能好的轴，可选用45钢或40Cr。其中，在滚动轴承内运转的轴，不要求具有很高的耐磨性，可进行正火或调质处理；如果在滑动轴承内运转，则要求轴颈表面有较高的硬度和耐磨性，可在调质后再进行表面淬火，其工艺路线：下料→锻造→正火→车削→调质→表面淬火及回火→磨削。
一些直径较小的轴可直接用圆钢车削，无须锻造和正火。
（3）一些高转速、重载荷、大冲击的轴，要求高强度、高韧度好和很高的疲劳强度，可选用合金渗碳钢（如20CrMnTi、20MnVB）进行渗碳淬火，其工艺路线：下料→锻造→正火→车削→渗碳→淬火及回火→粗磨→时效→精磨。
根据轴的工作特点和对材料的性能要求，选择相应的材料并确定其热处理方法。如图7－3所示为矿用刮板运输机减速器从动轴简图，矿用刮板运输机减速器从动轴转速较高，承受载荷大，且受到冲击外力作用，要求有高的强度和冲击韧度，即要求有良好的综合力学性能，花键部分要求有高的硬度，以保证足够的耐磨性，因此，选用40MnVB进行调质处理，花键部分进行高频表面淬火处理。
图7－3 减速器从动轴简图
热处理技术要求：调质后硬度为277HBW～302HBW；花键齿面硬度为45HRC～55 HRC。其工艺路线：下料→锻造→正火→粗车→调质→半精车→表面淬火→磨削。
热处理工艺曲线如图7－4所示。
图7－4 减速器从动轴热处理工艺曲线图
正火目的是为了细化晶粒，改善锻件组织；调质处理可以获得良好的综合力学性能；表面淬火是为了使花键表面获得高硬度和耐磨性。表面淬火采用高频加热至880℃后水冷，自回火。
7.3.3 模具、刃具类
模具根据其工作状态分为冷作模具和热作模具：冷作模具如冷镦模、冷挤模等；热作模具如热锻模、热冲模、压铸模等。刃具分为手工刃具和机加工刃具。
1.冷作模具的选材及热处理
冷作模具应有高的耐磨性、一定的硬度和硬化层深度、足够的强度和韧度，常用碳素工具钢（如T8A、T10A）及合金工具钢（如9CrSi、CrWMn、Cr12MoV）经淬火及低温回火处理制得。其工艺路线：下料→锻造→球化退火→机加工成形→淬火→低温回火→精加工（钳工修整及装配）。
2.热作模具的选材和热处理
热作模具是在热态下使金属变形的工具，应具有一定的高温强度、良好的冲击韧度和淬透性、足够的耐热疲劳性能和抗氧化能力。常用合金工具钢（如5CrNiMo、5CrMnMo和3Cr2W8）经淬火及高温回火处理。其工艺路线与冷作模具的基本相同，但回火温度较高（一般在450℃以上）。
生产中，根据模具的工作状态及性能要求选择材料，并确定其热处理方法。
［例］ 冲制硅钢片凹模材料选用及工艺路线分析。
冲制硅钢片凹模如图7－5所示，其尺寸为φ130×20mm，它是用来冲制厚0.30mm硅钢片的模具。由于冲制件厚度小，抗剪切强度低，故凹模所受载荷较轻，但凹模在淬火时变形超差，无法用磨削法修正，同时，凹模内腔较复杂，且有螺纹孔，壁厚也不均匀，如选碳素工具钢，淬火变形与开裂倾向较大；如选用CrWMn钢，它虽属微变形钢，淬火变形小，但碳化物偏析较严重，磨削时易产生磨削裂纹。因热处理技术要求硬度为58HRC～62HRC，高耐磨性，热处理变形尽量小，故选用Cr12MoV钢。其工艺路线：下料→锻造→球化退火→机械粗加工→消除应力退火→机械精加工→淬火、低温回火→磨削及电火花加工成型→试模。
Cr12MoV钢是高碳高铬钢，属莱氏体钢，含有大量碳化物，有很高耐磨性，但它需要通过锻造加工，来改善碳化物的大小和分布。如果不锻造，容易产生热处理变形，且模具在工作过程中也容易崩刃或掉块。
Cr12MoV钢的锻件硬度较高，为改善切削加工性能，锻件应进行球化退火，退火后的组织为索氏体基体上分布着合金碳化物，硬度为207HBW～255HBW。
Cr12MoV钢虽然变形小，但生产中用一次硬化法处理后，变形易超过图纸要求。为减少变形，可在一次硬化处理前增加一道消除机械加工应力退火的工序。Cr12MoV钢的组织与性能和淬火温度有很大关系。本例是采用一次硬化法，即较低的淬火温度（1 020℃～1 040℃），并用低温回火（200℃～220℃），这种方法的特点是硬度较高（58HRC～62HRC），淬火变形较小。
图7－5 Cr12MoV钢冲制硅钢片凹模
此外，为了减少凹模淬火时变形与开裂的倾向，淬火加热时，在500℃～550℃预热，以消除热应力与机械加工应力，并将螺孔用耐火泥堵住。
3.刃具——手用丝锥
（1）工作条件、失效形式及性能要求。手用丝锥是加工金属零件内孔螺纹的刃具，如图7－6所示。因它属于手动攻丝，故承受载荷较小，切削速度很低，失效形式主要是磨损及扭断，因此，齿刃部要求高硬度和高耐磨性以抵抗磨损，而心部和柄部要有足够强度与韧度以抵抗扭断。
图7－6 手用丝锥
（2）选用材料。手用丝锥的齿刃部硬度为59HRC～63HRC，心部和柄部硬度为30HRC～45HRC，因此，选用碳含量较高的钢，使淬火后获得高硬度，并形成较多的碳化物以提高耐磨性。不过，手用丝锥对红硬性、淬透性要求较低，承受载荷很小，因此，常选用含碳量为1.0％～1.2％的碳素工具钢。另外，考虑到提高丝锥的韧度及减少淬火时开裂的倾向，应选用硫、磷杂质含量极小的高级优质碳素工具钢。
为了使丝锥齿刃部具有高硬度，而心部具有足够韧度，且考虑到螺纹齿刃部很薄，淬火后又不再磨削，要求淬火变形尽量小，故可采用等温淬火或分级淬火。
选用碳素工具钢制造手用丝锥，原材料成本低，热、冷加工容易，可节省合金钢，因此，使用广泛。为了提高手用丝锥寿命与抗扭断能力，也可采用GCr9滚动轴承钢。
（3）M12手用丝锥的选材及工艺路线分析。选用材料为T12A，工艺路线：下料→球化退火→机械加工→淬火、低温回火→柄部处理→防锈处理→检验。
球化退火是使材料获得优良的球状（粒状）珠光体组织，以便机械加工，并为以后的淬火作组织准备。T12A钢轧材供应状态是经球化退火的，若硬度和金相组织合格，便可不再进行球化退火。
大量生产时，通常用滚压方法加工螺纹。淬火冷却时，采用硝盐等温冷却，如图7－7所示。淬火后，丝锥表面层2mm～3mm为贝氏体+马氏体+渗碳体+残余奥氏体，硬度大于60HRC，具有高的耐磨性，心部组织为屈氏体+贝氏体+马氏体+渗碳体+残余奥氏体，硬度为30HRC～45HRC，具有足够的韧度。丝锥等温淬火后变形量在允许范围内。对于M12以上的手用丝锥，要得到淬硬的表面，应先在碱浴中分级淬火，再在硝盐中等温停留，然后空冷。
图7－7 手用丝锥淬火冷却曲线
丝锥柄部因硬度要求较低，故采用浸入600℃硝盐炉中快速回火处理。
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