典型齿轮材料与常用齿轮钢材的化学成份.docx
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典型齿轮材料与常用齿轮钢材的化学成份
齿轮概述
齿轮用钢的冶金质量要求
齿轮材料的重要热处理特性
齿轮材料的选择原则
齿轮传动概述ﻭ 齿轮材料
常用齿轮钢材的化学成份
典型齿轮材料
低速重载及高速齿轮用渗碳钢ﻭ 拖拉机齿轮常用钢及热处理技术要求
汽车齿轮常用钢及热处理技术要求
机床齿轮常用钢及热处理工艺ﻭ 蜗杆蜗轮副材料的选用
国外常用的齿轮材料
渗碳钢
渗碳用硼钢
渗氮钢ﻭ 调质和表面淬火用钢
齿轮用钢的冶金质量要求
项目名称
检验标准
技术要求
疏松和偏析
GB1979-1980《结构钢低倍组织缺陷评级图》
合金钢按GB3077-1988规定
缺陷名称
级数
钢种
一般疏松
中心疏松
偏析
一般疏松和边缘疏松
4级
优质钢
≤3级
≤3级
≤3级
一般点状偏析和边缘点状偏析
4级
高级优质钢
≤2级
≤2级
≤2.5级
非金属夹杂
YB25-1977《钢中非金属夹杂物显微评定法》“钢中非金属夹杂物级别图”
合金钢按GB3077-1988规定
氧化物加硫化物
硫化物
氧化物
≤5.5级
≤3级
≤3级
带状组织
YB31-1964《钢的显微组织(游离渗碳体、带状组织、魏氏组织)》
齿轮渗碳钢要求不大于3级
晶粒度
YB27-1977《钢的晶粒度测定法》
钢的本质晶粒度通常不小于6级
淬透性
GB5216-1985《保证淬透性结构钢技术要求》
根据用户要求,按A、B、C三种方式订货
齿轮传动概述
齿轮传动是机械传动中最主要的一种传动型式,历史悠久,应用非常广泛。
齿轮传动的优点主要是:
1. 传动的适用功率和传动速度范围广,从极小到10万kW,从极低到40m/s以上。
2. 传动平稳,传动比恒定。
3. 传动效率高,可达99%。
4. 结构紧凑,传动方式多样。
就齿轮传动装置的密封形式来说,分为开式、半开式及闭式三种;就使用情况来说,有低速、高速及轻载、中载、重载之别;就齿轮热处理的不同,齿轮又分为硬齿面齿轮(如经整体或渗碳淬火、表面淬火或氮化处理,齿面硬度HRC>55)、中硬齿面(齿轮经过整体淬火或表面淬火,齿面硬度大约载55>HRC>38,HB>350)和软齿面齿轮(如经调质、常化的齿轮,齿面硬度HB<350)。
齿轮传动的失效形式主要为齿面的疲劳点蚀、胶合、磨损、轮齿的疲劳断裂和塑性变形等,常见的是点蚀和断齿,开式齿轮主要是磨损和断齿。
在设计齿轮传动时,齿轮材料及其热处理的选择是首要问题。
原则上,承受较大载荷的齿轮的材料质量和热处理的齿面硬度要求也高,原则是齿面要硬、齿芯要韧。
对高速或传动精度要求高的齿轮,多采用硬齿面和磨齿方案。
对不重要的齿轮或载荷较小的齿轮,多从经济性考虑,材料要求不高,如优质或普通碳素钢调质或正火处理。
齿轮材料的重要热处理特性
淬透性
含义:
指钢接受淬火而获得马氏体的能力,不同钢种接受淬火的能力不同。
淬透性不同的钢,淬火后得到的淬透层深度不同,从而沿截面分布的金相组织以及机械性能也不同。
淬透层深度是指由淬火表面马氏体到50%马氏体层的深度。
全部淬透的工件通常表面残留着拉力,容易产生变形和开裂,同时对工作的疲劳性能也不利。
设计时考虑要点:
1. 零件尺寸越大,内部热容量越大,淬火时零件的冷却速度越慢,因此,淬透层越薄,性能越差,这种现象叫做“钢材的尺寸效应”。
所以,不能根据小尺寸的性能数据用于大尺寸零件的强度计算,而必须考虑钢材的淬透性。
2. 大截面或结构复杂的齿轮采用多元合金钢,保证足够而适当的淬透性,保证沿整个截面有良好的综合机械性能,同时,减少变形,防止开裂。
3. 对碳钢齿轮,由于碳钢的淬透性低,在设计大尺寸时,正火和调质效果相似,而正火可降低成本,不必要求调质。
4. 大模数高质齿轮由于受到钢材淬透性的限制,应当开齿后调质。
淬硬性
含义:
指钢在正常淬火条件下,以超过临界冷却速度所形成马氏体组织能够达到最高硬度。
设计时考虑要点:
淬硬性与淬透性不同,它主要取决于钢中的含碳量。
钢中含碳量越高,淬火后硬度越高,而与合金元素关系不大。
所以,淬火硬度高的钢不一定就淬透性高,而硬度低的钢,也可能具有高的淬透性。
过热敏感性
含义:
指钢在正常淬火条件下,以超过临界冷却速度所形成马氏体组织能够达到最高硬度。
设计时考虑要点:
淬硬性与淬透性不同,它主要取决于钢中的含碳量。
钢中含碳量越高,淬火后硬度越高,而与合金元素关系不大。
所以,淬火硬度高的钢不一定就淬透性高,而硬度低的钢,也可能具有高的淬透性。
回火稳定性
含义:
指钢在正常淬火条件下,以超过临界冷却速度所形成马氏体组织能够达到最高硬度。
设计时考虑要点:
淬硬性与淬透性不同,它主要取决于钢中的含碳量。
钢中含碳量越高,淬火后硬度越高,而与合金元素关系不大。
所以,淬火硬度高的钢不一定就淬透性高,而硬度低的钢,也可能具有高的淬透性。
变形开裂倾向
含义:
指钢在加热和冷却过程中产生热应力和组织应力,其综合作用超过钢的σs或σb而产生变形开裂的倾向。
设计时考虑要点:
加热或冷却速度太快,加热和冷却不均匀都容易造成工件变形甚至开裂,因此:
1. 设计齿轮时,在结构上应尽量避免尖角和厚薄断面的突然变化。
2. 采用缓和的淬火介质或淬火方法。
尺寸稳定性
含义:
指零件在长期存放或使用中尺寸稳定不变的性能。
这对精密齿轮是很重要的。
设计时考虑要点:
引起尺寸变化的主要原因是内应力的存在以及组织中残余奥氏体的分解,因此,设计精密齿轮时,应当要求稳定化处理,如淬火后进行冷处理或低温时效。
使马氏体趋于稳定,并减少内应力,以使齿轮尺寸稳定。
回火脆性
含义:
指钢在某一温度范围回火时所发生的冲击性降低现象。
产生回火脆性的钢,不仅室温下冲击韧性较正常为低,而且使钢的冷脆温度大为提高。
设计时考虑要点:
合金结构钢在250℃~400℃回火时引起冲击韧性及断裂韧性下降,这种现象一般称为第一类回火脆性。
它不能通过热处理方法来消除,设计时应考虑到这一点。
某些合金结构钢(如Cr钢、Cr-Ni钢及Cr-Mn钢)在375℃~575℃回火后缓慢冷却时也会产生脆性,一般称为第二类回火脆性,快冷可以予以消除。
对于截面较大的齿轮,可选用含有Mo或W的钢,以消除或减小回火脆性。
齿轮材料
调质及表面淬火齿轮用钢
齿轮种类
钢 号
备 注
汽车、拖拉机及机床中的不重要齿轮
45
调质
中速、中载车床变速箱、钻床变速箱次要齿轮及高速、中载磨床砂轮齿轮
45
调质+高频淬火
中速、中载较大截面机床齿轮
40Cr、42SiMn、35SiMn、45MnB
调质
中速、中载并带一定冲击的机床变速箱齿轮及高速、重载并要求齿面硬度高的机床齿轮
调质+高频淬火
起重机械、运输机械、建筑机械、水泥机械、冶金机械、矿山机械、
工程机械等设备中的低速重载大齿轮
一般载荷不大、截面尺寸也不大、要求不太高的齿轮
I
40Mn、50Mn2、40Cr、35SiMn、42SiMn
1.少数直径大、负荷低、转速不高的末级传动大齿轮可采用SiMn钢正火2.根据齿轮截面尺寸大小及重要程度分别选用各类钢材(从I到V淬透性逐渐提高)3.根据设计,要求表面硬度大于HRC40者应采用调质+表面淬火。
截面尺寸较大,承受较大载荷、要求较高的齿轮
II
35CrMo、42CrMo、40CrMnMo、35CrMnSi、40CrNi、40CrNiMo、45CrNiMoV
截面尺寸很大、承受载荷大并要求有足够韧性的重要齿轮
III
35CrNi2Mo、40CiNi2Mo
Ⅳ
30CrNi3、34CrNi3Mo、37SiMn2MoV
注:
调质和表面淬火钢一般应是中碳钢(结构碳钢、合金钢、铸钢)。
渗碳齿轮用钢
齿轮种类
钢号
汽车变速箱、分动箱、起动机及驱动桥的各类齿轮
20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、20MnTiB、20MnVB、20CrMo
拖拉机传动装置中的各类齿轮
20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、25MnTiB、20MnVB、20CrMo
机床变速箱、龙门铣电动机及立车等中的高速、重载、受冲击的齿轮
20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、25MnTiB、20MnVB、20CrMo
起重、运输、矿山、通用、化工、机车等机械的变速箱中的小齿轮
20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、25MnTiB、20MnVB、20CrMo
化工、冶金、电站、铁路、宇航、海运等设备中的汽轮发电机、工业汽轮机、燃气轮机、高速鼓风机、头平压缩机等的高速齿轮、要求长周期、安全可靠地运行
12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、20CrNi2、18Cr2Ni4W、20CrwMn2Mo、
大型轧钢机减速器齿轮、人自己座轴齿轮、大型皮带运输机传动轴、锥齿轮、大型挖掘机传动箱主动齿轮、井下采煤机传动齿轮、坦克齿轮等低速重载并受冲击载荷的传动齿轮
12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、20CrNi2、18Cr2Ni4W、20CrwMn2Mo、
渗氮齿轮用钢
齿轮种类
性能要求
钢 号
一般齿轮
表面耐磨
20Cr、20CrMnTi、40Cr
在冲击载荷下工作的
齿轮
表面耐磨、心部韧性高
18CrNiWA、35CrMo、18Cr2Ni4WA、30CrNi3
在重载荷下工作的齿轮
表面耐磨、心部强度高
30CrMnSi、35CrMoV、25Cr2MoV、42CrMo
在重载荷及冲击载荷下
工作的齿轮
表面耐磨、心部强度高、韧性高
30CrNiMoA、40CrNiMoA、30CrNi2Mo
精密耐磨齿轮
表面高硬度、变形小
38CrMoA1A、30CrMoAl
说明:
1.渗氮齿轮在渗氮前采用调质处理,渗氮可以获得高的表面硬度。
2.渗氮温度较低,一般在480~580℃下进行,因此,热处理变形小。
3.渗氮深度一般在0.15~0.6mm,约0.1mn。
齿轮用铸铁
铸铁齿轮与钢制齿轮相比,具有成本低、被切削性能好、耐磨性高、噪声低等优点。
灰铸铁强度低、塑性差,常用来制作对强度要求不高、但需耐磨的齿轮。
常用牌号有HT200、HT250、HT300、HT350、HT400。
球墨铸铁具有较高的强度和一定的塑性和韧性、适合于制作开式齿轮,有较高的抗磨性;还可以用来制造某些对噪声控制要求较严的齿轮。
常用球铁牌号有:
QT400-17、QT500-5、QT700-2、QT1200-1。
齿轮用有色金属
齿轮用有色金属主要是铜合金,而且多为蜗轮选用。
如:
铸锡青铜、铸铝铁青铜
1. 铸锡青铜 分砂模铸、金属模(冷激)铸和离心铸三种。
以离心铸的机械性能最好,晶粒致密均匀,砂模铸则较逊。
锡青铜是较理想的蜗轮材料。
它是由铜(约90%左右)和锡(约10%左右)软硬二相组成的合金。
软组织易于磨合,硬组织则用以承载。
磨合后使接触表面能相互适配,增加支承面积。
青铜熔铸过程中,如工艺不当,锡易氧化成坚硬的
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- 典型 齿轮 材料 常用 钢材 化学 成份