典型零件的选材与工艺分析

下面以齿轮为例介绍典型零件的选材和工艺分析：齿轮是机械制造中最常见的传动件之一，它的主要功用是传递功率和变换转速。

1.齿轮的工作条件、失效形式及性能要求

齿轮的工作条件及失效形式：

1）传递扭矩时，齿根部承受较大的交变弯曲应力。

2）起动或啮合不均匀时承受冲击力。

3）齿啮合时齿面承受滚动、滑动造成的强烈摩擦和交变接触应力。

在上述工作条件下，齿轮的主要失效形式有：齿根疲劳断裂、齿面局部剥落和过度磨损。因此齿轮材料应具备以下性能：

①高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。

②高的齿面硬度和耐磨性。

③良好的心部强度和韧性。

④较好的工艺性。

2.齿轮的选材及工艺分析

（1）机床齿轮 转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击，对齿轮心部强度和韧性要求不高。一般选用中碳钢制造，并经正火或调质处理后，再经高频感应淬火处理，所得到的硬度、耐磨性、强度和韧性即能满足其性能要求。常用的机床齿轮用钢的选材及热处理见表13-4。

表13-4 机床齿轮用钢的选材及热处理

下面以某机床齿轮为例加以分析，其工艺路线如下：下料→锻造→正火、粗加工→调质→精加工→高频感应淬火及回火→精磨。(www.xing528.com)

正火处理可以使组织均匀化，消除锻造应力，调整硬度，改善切削加工性能，属于预备热处理。对于一般齿轮，正火也可取代调质，并作最终热处理的部分。

调质处理可以使齿轮具有较高的综合力学性能，提高齿轮心部的强度和韧性，使齿轮能承受较大的弯曲应力和冲击力。由于调质后齿轮组织为回火索氏体，因此在淬火时变形较小。高频感应淬火可提高齿轮表面硬度和耐磨性，并使齿轮表面有压应力存在，增强了抗疲劳破坏能力。

低温回火（或自行回火）是在不降低表面硬度的情况下消除淬火应力，防止磨削裂纹的产生，提高抗冲击能力。

齿轮高频感应淬火后，其变形一般表现为内孔缩小，外径不变或减小。齿轮外径与内径比小于1.5时，内径略胀大，当齿轮有键槽时，内径向键槽方向胀大，形成椭圆形。这些微小的变形对齿轮精度影响不大，因为一般机床用的7级精度齿轮，淬火回火后均要滚光或拉孔。

（2）汽车、拖拉机齿轮 它们的工作条件比机床齿轮较恶劣，受力较大，超载和受冲击频繁，对耐磨性、疲劳强度、心部强度和冲击韧度等方面的要求均比机床齿轮高。实践证明，汽车、拖拉机齿轮用渗碳钢（20CrMnTi、20CrMnMo等）制造，经正火处理，再经渗碳、淬火处理后使用较为合适。

下面以某载重汽车（载质量为8t）变速箱中第二轴的二、三档齿轮为例进行分析，见图13-1。

图13-1 某载重汽车变速箱中第二轴的二、三档齿轮简图

汽车、拖拉机齿轮生产批量大，因此选择用钢时除有较好的力学性能外，还应有较好的工艺性能。

20CrMnTi经渗碳淬火低温回火后，具有较高的力学性能，表面硬度58～62HRC，心部硬度30～45HRC。为改善其切削加工性，锻造后一般采用正火处理。

20CrMnTi钢的热处理工艺性较好，有较好的淬透性。由于钢中含Ti元素，使钢对过热不敏感，所以在渗碳后可直接降温淬火。此外，尚有渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小等优点。这对制造形状复杂、要求变形小的齿轮零件来说是十分重要的。

20CrMnTi钢不仅可制造截面在30mm以下，承受高速中等载荷及冲击、摩擦的重要齿轮，含碳量在上限时，还可制造截面在40mm以下，模数大于10mm的齿轮。

第二轴齿轮的工艺路线如下：下料→锻造→正火→机械加工→渗碳、淬火及低温回火→喷丸→磨内孔及换档槽→装配。

正火是为了均匀和细化组织，消除锻造应力，改善切削加工性；渗碳的作用是提高齿面碳的质量分数（0.8％～1.05％）；淬火可提高齿面硬度并获得一定淬硬层深度（0.8～1.3mm），提高齿面耐磨性和接触疲劳强度；低温回火的作用是消除淬火应力，防止磨削裂纹，提高冲击抗力；喷丸处理是一种进一步强化手段，可使齿轮渗碳表层的压应力增大，有利于提高疲劳强度，同时也可清除氧化层。