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齿轮硬度要求
齿轮硬度要求
IMBstandardizationoffice[IMB5AB-IMBK08-IMB2C]
二、典型寒部件选材及工艺分析
金屈材料、高分子材料.陶瓷材料及复合材料是目前的主要工程材料。
高分子材料的强度、刚度较低、易老化,一般不能用于制作承受载荷较大的机械冬件:
>但其减振性好,耐磨性较好,适于制作受力小、减振、耐磨、密封琴件,如轻载齿轮、轮胎等。
陶瓷材料硬而脆,一般也不能用于制作重要的受力冬部件。
但其具有高熔点、高啖度、耐蚀性好、红陵性高等特点,可用于制作高温下工作的冬部件、耐磨耐蚀竽部件及切削刀具等。
复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足,具有高比强度、高减振性、高抗疲劳能力、高耐磨性等优异性能,是一种很有发展前途的工程材料。
与以上三类工程材料相比,金屈材料具有优良的使用性能和工艺性能,储藏呈大,生产成本比较低.广泛用于制作各种垂要的机械零件和工程构件,是机械工业中最主要、应用最广泛的一类工程结构材料。
下面介绍几种钢制冬部件的选材及热处理工艺分析。
㈠齿轮类零件的选材
齿轮是机械工业中应用广泛的重要零件之一,主要用于传递动力、调节速度或方向。
1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。
(D齿轮的工作条件:
1啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。
:
2传递动力时,轮齿类似于悬臂梁,轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。
3换挡、启动、制动或啮合不均匀时,承受冲击载荷。
(2)齿轮的主要失效形式:
T断齿:
除因过载(主要星冲击载荷过大)产生断齿外,大多数情况下的断齿,是由于传递动力时,在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。
②齿面磨损:
由于齿面接触区的磨擦,使齿厚变小、齿隙加大。
③接触疲劳;在交变接触应力作用下,齿面产生微裂纹,遂渐剥落,形成麻点。
⑶对齿轮材料的性能要求:
1高的弯曲疲劳强度;2高的耐磨性和接触疲劳强度;3轮齿心部要有足够的强度和韧性。
2、典型齿轮的选材
⑴机床齿轮
机床齿轮的选材是依其工作条件(园周速度、载荷性质与大小、梢度要求等)而定的。
表13-3列出了机床齿轮的选材及热处理。
表137机床齿轮的选材及热处理
序号
齿轮工作条件
钢种
热处理工艺
硬度要求
1
在低载荷下工作,要求耐磨性好的齿
:
纶
15
900为50°C渗碳,直接淬火,或780、800°C水冷,180"200°C回火
58'63HRC
2
低速(<0.lm/s)、低载荷下工作的不垂要的变速箱齿轮和挂轮架齿轮
45
840'860°C正火
156"217HB
3
低速(<0.lm/s)、低载荷下工作的齿轮(如车床溜板上的齿轮)
15
820、840°C水冷,500'550°C回火
200、250HB
4
中速、中载荷或大载荷下工作齿轮(如车床变速箱中的次要齿轮)
45
高频加热,水冷,300~340°C回火
45'50HRC
5
速度较大或中等荷下工作的齿轮,齿部陵度要求较高(如钻床变速箱中的次要齿轮)
45
高频加热,水冷,240、230°C回火
50'55HRC
6
高速、中等载荷,要求齿面锁度高的齿轮(如磨床砂轮箱齿轮)
45
高频加热,水冷,180、200七回火
54'60HRC
7
速度不大,中等载荷,断面较大的齿轮(如铳
床工作面变速箱齿轮、立车齿轮)
lOCr
•12SiMn
•15MnB
840、860°C油冷,600、650°C回
火
200、230HB
8
中等速度(2、4Es)、中等载荷下工作的高速机床走刀箱、变速箱齿轮
40Cr
42SiMn
调质后高频加热,乳化液冷却,260、300七回火
50'55HRC
9
高速、高载荷、齿部要求高硬度的齿轮
•lOCr
42SiMn
调质后高频加热,乳化液冷却,180"200°C回火,
54、60HRC
10
高速、中载荷、受冲击、模数©的齿轮(如机床变速箱齿轮、龙门铳床的电动机齿轮)
20Cr
20Mn2B
900'950°C渗碳,直接淬火,或800、820°C油淬,180'200°C回火
58、63HRC
11
高速、重载荷、受冲击.模数>6的齿轮(如立车上的重要齿轮)
20SiMnVB
20CrMnTi
900、950°C渗碳,降温至
820^850°C淬火,1SO^2OO°C回火
58、63HRC
12
高速、重载荷、形状复杂,要求热处理变形小的齿轮
38CrMoAl
38CrAl
正火或调质后510"550°C氮化
850HV以上
13
在不高载荷下工作的大型齿轮
50Mn2
65Mn
820、840°C空冷
<241HB
L1
传动精度高,要求具有一定耐磨性的
大齿轮
35CrMo
850、870°C空冷,600、650°C回火(热处理后精切齿形)
255、302HB
林咖越伽劝不丸甜時隐轴臨冲旺辟卿卿破求不古二时嘶⑷如
45钢)经正火或调质后,再经高频感应抑热表面淬火强化,提高耐磨性,表面锁度可达52、58HRC。
对于性能要求较高的齿轮,可选用中碳合金钢(例如lOCr等)。
其工艺路线为:
备料「锻造「正火「粗机械加工「调质「精机械加工「高频淬火•低温回火「装配。
正火工序作为预备热处理,可改善组织,消除锻造应力,调整硬度便于机械加工,并为后续的调质工序做好组织准备。
正火后陵度一般为180、207HB:
其切削加工性能好。
经调质处理后可获得较高的综合力学性能,提高齿轮心部的强度和韧性,以承受较大的弯曲应力和冲击载荷。
调质后的陵度为33"48HRCO高频淬火+低温回火可提高齿轮表面的硬度和耐磨性,提高齿轮表面接触疲劳强度。
高频加热表面淬火加热速度快,淬火后脱碳倾向和淬火变形小,同时齿面陵度比普通淬火高约2HRC,表面形成压应力层,从而提高齿轮的疲劳强度:
,齿轮使用状态下的显微组织为:
表面是回火马氏体■残余奥氏体,心部是回火索氏体C
(2)汽车、拖拉机齿轮
汽车、拖拉机齿轮的选材及热处理详见表13-4。
表13-4汽车、拖拉机齿轮常用钢种及热处理
序号
齿轮类型
常用钢种
热处理
主要工序
技术条件
1
汽车变速箱和分动箱齿轮
20CrMnTi
20CrMo等
渗碳
层深:
mJ①<3时,-1.0mm;3
齿面硬度:
58-61HRC
心部皎度:
时,32-45HRC;nv.>5时,29-
45HRC
lOCr
(浅层)碳氮共渗
层深:
>0.2mm
表面硬度:
51-61HRC
2
汽车驱动桥主动及从动圆柱齿轮
20CrMnTi
20CrMo
渗碳
渗层深度按图纸要求,锁要求同序号1中渗碳工序层深:
m*;2w5时,-1.3mm;5<咲<8时,-
1.4mm;
mx>8时,-1・6mm
齿面锁度:
58-64HRC
心部硬度:
0W8时,32-45HRC;nu>8时,29-
45HRC
汽车驱动桥主动及从动圆锥齿轮
20CrMnTi
20CrMnMo
渗碳
3
汽车驱动桥差速器行星及半轴齿轮
20CrMnTi
20CrMo
20CrMnMo
渗碳
同序号1滲碳的技术条件
4
汽车发动机凸轮轴齿轮
灰口铸铁
HT180
HT200
170-229HB
5
汽车曲轴正时齿轮
35、40.
45
4OCr
正火
149-179HB
调质
207-241HB
6
汽车起动机齿轮
15Cr
20Cr
20CrMo
15CrMnM,
20CrMnTi
渗碳
层深:
1mm
表面硬度:
58-63HRC
心部硬度:
33-43HRC
7
汽车里程表齿轮
20
(浅层)碳氮共渗
层深:
-0・35mm
8
拖拉机传动齿轮:
动力传动装普中的圆柱齿轮,圆锥齿轮及轴齿轮
20Cr
20CrMo,20CrMnMo20CrMnTi,30CrMnTi
渗碳
层深:
*模数的倍,但>2.1mm
各种齿轮渗层深度的上下限》0・5血,硬度要求序号lx2
40Cr,
40Cr
(浅层)碳氮共渗
同序号1中碳氮共滲的技术条件
9
拖拉机曲轴正时齿轮,凸轮轴齿轮,喷油泵驱动齿轮
45
正火
156-217HB
调质
217-255HB
灰口铸铁
HT180
170-229HB
10
汽车拖拉机油泵齿轮
•10,45
调质
28-35HRC
①法向模数;②口一端面模数
与机床齿轮比较,汽车.拖拉机齿轮工作时受力较大,受冲击频繁:
因而对性能的要求较高。
这类齿轮通常使用合金渗碳钢(例如:
20CrMnTis20MnVB)制造。
其工艺路线为:
备料「锻造「正火-机械加工「渗碳「淬火+低温回大「喷丸「磨削「装配:
)正火处理的作用与机床齿轮相同。
经渗碳、淬火+低温回火后,齿面锁度可达58^62HRC,心部硬度为35^15HRC0齿轮的耐冲击能力、弯曲疲劳强度和接触疲劳强度均相应提高」喷丸处理能使齿面陵度提高约2、3HRC,并提高齿面的压应力,进一步提高接触疲劳强度。
齿轮在使用状态下的显微组织为:
表面是回火马氏体+残余奥氏体+碳化物颗粒,心部淬透时是低碳回火马氏体(+铁素体),未淬透时,是索氏体+铁素体。
㈡轴类零部件的选材
轴是机械工业中最基础的竽部件之一,主要用以支承传动零部件并传递运动和动力。
1、轴的工作条件,主要失效形式及对性能的要求。
(D轴的工作条件传递扭矩,承受交变扭转载荷作用。
同时也往往承受交变弯曲载荷或拉、压载荷的作用「②轴颈承受较大的磨擦。
3承受一定的过载或冲击载荷:
,
(2)轴的主要失效形式:
0疲劳断裂由于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用,造成轴的疲劳断裂,这是哉主要的失效形式。
:
2断裂失效由于受过载或冲击载荷的作用,造成轴折断或扭断「3磨损失效轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。
(3)对轴用材料的性能要求:
①高的疲劳强度,以防止疲劳断裂「②良好的综合力学性能,以防止冲击或过载断裂「③良好的耐磨性,以防止轴颈磨损。
2、典型轴的选材
对轴类冬部件进行选材时,应根据工作条件和技术要求来决定。
承受中等载荷,转速又不高的轴,大多选用中碳钢(例如45钢),进行调质或正火处理。
对于要求高一些的轴,可选用合金调质钢(例如WCr)并进行调质处理。
对要求耐磨的轴颈和锥孔部位,在调质处理后需进行表面淬火。
当轴承受重载荷、高转速、大冲击时,应选用合金渗碳钢(例如20CrMnTi)进行渗碳淬火处理。
⑴机床主轴
图13-8为C620车床主轴简图.该主轴承受交变扭转和弯曲载荷。
但载荷和转速不高,冲击载荷也不大。
轴颈和锥孔处有磨擦。
按以上分析,C620车床主轴可选用45钢,经调质处理后,硬度为220、250HB,轴颈和锥孔需进行表面淬火,锁度为46"54HRCd其工艺路
图13-8C620车床主轴简图
线为:
备料「锻造「正火「粗机械加工「调质「楕机械加工「表面淬火+低温回火「磨削「装配。
正火可改善组织、消除锻造缺陷,调整硬度便于机械加工,并为调质做好组织准备。
调质可获得回火索氏体,具有较高的综合力学性能,提高疲劳强度初抗冲击能力。
表面淬火■低温回火可获得高硬度和高耐磨性。
表13-5给岀了机床主轴的选材和热处理。
表1旷5根据工作条件推荐选用的机床主紬材料及其热处理工艺
序号
工作条件
选用钢号
热处理工艺
硬度要求
应用举例
1
(1)在滚动轴承内运转
(2H氐速、轻或中等载荷
(3牆度要求不高
(4)稍有冲击载何
15
调质:
820、840°C淬火,550、580°C回火
220、250HB
一般简易机床主轴
2
(1)在滚动轴承内运转
(2)转速稍高、轻或中载荷
(3牆度要求不太高
(4)冲击、交变载荷不大
花
整体淬破:
820'810-C水淬,
350、400°C回火
40=15HRC
龙门铳床.立式铳床、小型立式车床的主轴
正火或调质后局部淬火
正火:
840、860°C空冷
调质:
820、840°C水淬,550'580°C回火
局部淬火:
820、840°C水淬,240^280°C回火
W229HB
220、250HB
46^51HRC
3
(1)在滚动或滑动轴承内
(2H氐速、轻或中载荷
(3牆度要求不很高
(4)有一定的冲击、交变载荷
45
正火或调质后轴颈部分表面淬火
正火:
840"860cC空冷
调质:
820'840cC水淬,550'580°C回火
轴颈表面淬火:
S60'900°C高频淬火(水淬),160'250°C回火
W229HB
220、250HB
46"57HRC
(表面)
CW61100.
CB3463、
CA6140.
C61200等堇型车床主轴
4
(1)在滚动轴承内运转
(2)中等载荷、转速略高
(3牆度要求较高
(4)交变、冲击载荷较小
40CrlOMnB40MnVB
整体淬锁:
830、580乜油淬,
360"400°C回火
10'45HRC
滚齿机、铳齿机、组合机床的主轴
调质后局部淬酸
调质:
840'860°C油淬,600"650°C回火
局部淬硬:
830、850记油淬,
280、320°C回火
220、250HB
46、51HRC
5
(1)在滑动轴承内运转
(2)中或堇载荷、转速略高
(3牆度要求较高
(4)有较高的交变、冲击载荷
10CrlOMnB40MnVB
调质后轴颈表面淬火
调质:
840、860°C油淬,540、620°C回火
轴颈淬火:
860"880cC高频淬火,乳化液冷,160、2S0°C回火
220、280HB
46、55HRC
铳床、
C6132车床主轴,
M7475B磨床砂轮主轴
6
(1)在滚动或滑动轴承内运转
(2)轻、中载荷,转速较低
50Mn2
正火:
820'840空冷
SW241HB
重型机床主轴
7
(1)在滑动轴承内运转
(2)中等或重载荷
(3)要求轴颈部分有更高的耐磨性
(4艄度很高
(5)有较高的交变应力,冲击载荷较小
65Mn
调质后轴颈和方头处局部淬火
调质:
790、820°C油淬,580'620°C回火
轴颈淬火820、810°C高频淬
火,200、220°C回火
头部淬火:
790"820cC油淬,
260、300°C回火
250'280HB
56、61HRC
50、55HRC
M1150磨床主轴
8
工作条件同上,但表面硬度要求更高
GCrl5
9Mn2V
调质后轴颈和方头处局部淬火
调质:
840、860°C油淬,650'680七回火
局部淬火:
840、860°C油淬f160'200°C回央
250、280HB
M50HRC
MQ1120
MB1432A磨床砂轮主轴
9
(1)动轴承内运转
(2)等载荷、转速很高
(3牆度要求不很高
(4)有很高的交变、冲击载荷
38CrMoAlA
调质后渗氮
调质:
930、950°C油淬,630'650°C回火
渗氮:
510、560七渗氮
W260HB
M850HV
(表面)
M1G1432高精度磨床砂轮主轴、
T4240A坐标逢床主轴、
C215056多轴自动车床中心轴、
T68镇杆
10
(1)在滑动轴承内运转
(2)中等载荷、转速很高
(3牆度要求不很高
(4)冲击载何不大,但交变应力较高
20Cr
20Mn2B
20MnVB
20CrMnTi
渗碳淬火
910为40°C渗碳
790'8200C淬火(油)
160^20000回火
A血
>59HRC
Y236刨齿机、Y58插齿机主轴,外圆磨床头架主轴和内圆磨床主轴
11
(1)在滑动轴承内运转
(2)重载荷,转速很高
(3)高的冲击载荷
(4)很高的交交应力
20CrMnTi
12CrNi3
滲碳淬火
910-9100C渗碳
320-3400C油淬
160-2000C回火
表面
M59HRC
Y7163齿轮磨床,、CG1107车床、SG8030精密车床主轴
资料来源:
合金刚手册下册第三分册,治金工业出版,1979年版。
(2)汽轮机主轴
汽轮机主轴尺寸大、工作负荷大,承受弯曲、扭转载荷及离心力和温度的联合作用。
汽轮机主轴的主要失效方式是蠕变变形和由白点、夹杂、焊接裂纹等缺陷引起的低应力脆断、疲劳断裂或应力腐蚀开裂。
因此对汽轮机主轴材料除要求其在性能上具有高的强度和足够的塑韧性外,还要求其锻件中不出现较大的夹杂、白点、焊接裂纹等缺陷。
对于在500C。
以上工作的主轴还要求其材料具有一定的高温强度。
根据汽轮机的功率和主轴工作温度的不同,所选用的材料也不同。
对于工作在150C。
以下的材料,可不必考虑高温强度,如果汽轮机功率较小
(<12000庙),且主轴尺寸较小,可选用45钢.如果汽轮机功率较大(>12000庙),且主轴尺寸较大,则须选用35CrMo钢,以提高淬透性。
对于工作在500C。
以上的主轴,由于汽轮机功率大(>125000kW),要求高温强度高,需选用珠光体耐热钢,通常高中压主轴选用25CrMoVA或27Cr2MoVA钢,低压主轴选用ISCrMo或ITCiWoV钢。
对于工作温度更高,要求更高高温强度的主轴,可选用珠光体耐热钢20Cr3MoW(<510C°)或铁基耐热合金Crl4Ni26MoTi(<650C°)xCrl4Ni35MoWTiAl(<680C°)制造。
气轮机主轴的工艺路线为:
备料「锻造「第一次正火「去氢处理「第二次正火「高温回火「机械加工「成品。
第一次正火可消除锻造内应力;去氢处理的目的是使氢从锻件中扩散岀去,防止产生白点;第二次正火是为了细化组织,提高高温强度;高温回火是为了消除正火产生的内应力,使合金元素分布更趋合理(V、Ti充分进入碳化物,M。
充分溶入铁素体),从而进一步提高高温强度。
⑶内燃机曲轴
曲轴是内燃机的脊梁骨,工作时受交变的扭转.弯曲载荷以及振动和冲击力的作用。
按内燃机的转速不同可选用不同的材料。
通常低速内燃机曲轴选用正火态的45钢或球黑铸铁;中速的内燃机曲轴选用调质态的45钢、调质态的中碳合金钢(例如40")或球墨铸铁。
高速内燃机曲轴选用强度级别再高一些的合金钢(例如42CrMo等)。
内燃机曲轴的工艺路线为:
备料「锻造「正火「粗机械加工「调质「精机械加工「轴颈表面淬火+低温回火一>磨削「装配。
各热处理工序的作用与机床主轴的相同。
近年来常采用球墨铸铁代替45钢制作曲轴,其工艺路线为:
备料「熔炼「铸造「正火「高温回火「机械加工「轴颈表面淬火■低温回火「装配。
铸造质量是球墨铸铁的关键,首先要保证铸铁的球化良好、无铸造缺陷,然后再经风冷正火,以增加组织中的珠光体含呈并细化珠光体,提高其强度:
锁度和耐磨性,高温回火的目的是消除正火所造成的内应力。
㈢汽轮机叶片的选材
叶片是汽轮机的关键部件,它直接起着将蒸汽或燃气的热能转变为机械能的作用。
1、叶片的工作条件、失效方式及性能要求
(1)叶片的工作条件:
①受蒸汽或燃气弯矩的作用;②承受中、高压过热蒸汽的冲刷或湿蒸汽的电化学腐蚀或高温燃气的氧化和腐蚀;③受湿蒸汽中的水滴或燃气中的杂质磨损;④气流作用的频率与叶片自振频率相等时产生的共振力的作用。
(2)叶片的失效方式:
叶片的失效方式为嚅变变形、断裂(包括振动疲劳断裂、应力腐蚀开裂、嚅变疲劳断裂及热疲劳开裂)和表面损伤(包括氧化、电化学腐蚀和磨损)。
⑶对叶片的性能要求:
(1高的室温和高温强度、塑性及籾性,以防止蠕变变形和疲劳断裂;②高的化学稳定性,以防止氧化、腐蚀及应力腐蚀开裂;3导热性好,热膨胀系数小,以防止热疲劳破坏;0•耐磨性好,以防止冲刷磨损和机械磨损;⑤减振性好,以防止共振疲劳破坏;⑥良好的冷、热加工性能,以利于叶片成型.提高生产效率。
2、叶片的选材及热处理
叶片材料的选择主要取决于工作温度°对于中、低压汽轮机,叶片工作温度不高(<500C°).其失效的主要方式不是埔变,而是共振疲劳和应力腐蚀开裂,因此,除在结构设计上避免共振外,应选用减振性能好的1CM3和2CC3马氏体不锈钢。
对于工作于过热蒸汽中的前级叶片,虽温度较高(450、475C°),但腐蚀不明显,可采用低合金钢20"比进行氮化、镀唤铅或堆焊硬质合金c汽轮机后级叶片的工艺路线为:
备料「模锻「退火一机械加工「调质「热整形「去应力退火「机械加工叶片根「镀樓A抛光「磁粉探伤「成品。
退火是为了消除锻造应力,细化组织,改善切削加工性能,为调质作组织准备;调质是为了使叶片获得良好的综合力学性能和高温强度;热整形可提高叶片梢度,校正热处理变形;去应力退火是为了消除热整形内应力;镀唤铅是为了提高抗氧化和耐蚀性。
对于高压汽轮机,叶片工作温度高于500C。
,嚅变破坏是其失效的主要方式,1"13钢已不能满足热强性要求,应选用奥氏体耐热钢lCrl8Ni9Ti0工作温度低于600C°的高压汽轮机叶片也可选用马氏体耐热钢5CrllMoVs15Crl2WMoVx15Crl2WMoVNbB、18Crl2WloVNb0
对于燃气轮机叶片,因工作温度更高,其主要失效方式为蛛变和热疲劳破坏。
当叶片工作温度低于650C。
时,可选用奥氏体耐热钢lCrl7Nil3WxlCrl4Nil8W2XbBRE0在700^750C°时,选用CrllNilOMoWTiAl或铁基高温合金。
高于750C。
,可选用寒基耐热合金Xi80Cr20或繰基高温合金。
近年来,線基高温合金的精密铸造、楕密模锻、爆炸成形等新工艺已应用于燃气轮机叶片,TaC及NbC纤维增强縹基合金复合材料、SiC及Si曲等新型陶瓷材料应用于燃气轮机叶片的研究也正在进行中。
范闱本标准规定了同註齿轮减還黑的通用技术条件。
本标准适用于低遼级中心距a1000mm的革级、两纵和三圾圆柱世轮城連塞(以下简称城連轟),也适用于低遠圾转架半径RW300mm的单级、两级和三圾行星宙轮减連舉(以下简称减連蓦)。
2引用标准
下列标准所包合的条夭,通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。
本标准出版时,所示版本均为有效。
所有标准都会皱修订,使用本标准的各方应探讨使用下列标准晟新版本的可能性。
GB191—1990包装储运图示标志
GB/T1184—1996
形状和位費公差耒注公差值
GB/T348O—1988
圆柱齿轮承钱能力计尊
GB/T4879—1985
吩锈包装
GB/T6104—1986
世轮装走噪声声功率级測定方法
GB/T100951988渐开竣圆柱齿轮喘庚
GB/T11368—1989齿轮传动装吳清洁庚
GB/T133O61991标牌
GB/T13384-1992机电卢品包装通用技术条件
JB/-1998重型机械通用技术条件铸铁件
JB/-1998重型机械通用技术条件锻件
JB/-
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- 齿轮 硬度 要求