齿轮材料与热处理技术详解

齿轮材料对齿轮的承载能力和结构尺寸的影响很大，合理选择齿轮材料是齿轮设计的重要内容之一。由轮齿的失效形式可知，设计齿轮传动时，应使齿面具有足够的硬度，以保证齿面抗磨损、抗点蚀、抗胶合及抗塑性变形的能力，轮齿芯都应具有足够的强度和韧性，以保证齿根抗弯曲折断的能力。由前述对齿轮传动的失效分析可知，对齿轮材料的基本要求是：

①齿面应有足够的硬度，以抵抗齿面磨损、齿面点蚀、胶合及塑性变形等。

②齿芯应有足够的强度和较好的韧性，以防止齿根折断及冲击、交变载荷。

③应有良好的加工工艺性能及热处理性能。

齿轮常用的材料是锻钢。此外，还有铸铁及一些非金属材料，见表8.1。

表8.1　齿轮常用材料及其力学性能

齿轮材料的种类很多。选择时，可综合考虑以下4 个方面的因素：

（1）齿面硬度(www.xing528.com)

软齿面齿轮通常采用中碳钢或中碳合金钢，如45、40Gr、35SiMn 等钢。一般是将齿坯经正火或调质处理后进行插齿或滚齿加工而成，精度不高（7～8 级），适用于对强度、速度及精度要求都不高的齿轮。

硬齿面齿轮通常采用中（低）碳钢或中（低）碳合金钢，如45、20、40Gr、35SiMn、20Gr、20GrMnTi等钢。一般先经切齿后，再经适当的热处理（调质后，再进行表面淬火或渗碳或氮化等），最后进行精加工，精度可达4 ～5 级，适用于高速、重载及精密机械（如精密机床、航空发动机等）。

一对软齿面齿轮啮合时，由于小齿轮啮合次数多，齿根抗弯能力又较弱，为使两齿轮轮齿接近等强度，小齿轮的齿面硬度应比大齿轮齿面硬度高30～50 HBS；若均为硬齿面齿轮传动，则小齿轮的齿面硬度应略高于大齿轮齿面硬度，也可与大齿轮齿面硬度相等。

（2）齿轮尺寸大小

当齿轮尺寸较大（大于400 ～600 mm）时，一般采用铸造毛坯，可选用铸钢或铸铁材料；而尺寸较小又要求不高时，也可选用圆钢作毛坯；除此之外，均可采用锻钢毛坯。

（3）载荷性质

载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，可采用正火碳钢；中等冲击载荷下工作的齿轮可采用调质碳钢；高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮可选用合金钢。

（4）工作条件要求

要求传递功率大、质量小、可靠性高（如飞行器上的齿轮）时，必须选用力学性能高的合金钢；而传递功率大、工作速度较低、周围环境中粉尘高（如矿山机械中的传动齿轮）时，通常选用铸钢或铸铁材料；若传递很小的功率，但要求传动平稳、低噪声或无噪声（如家用或办公用机械齿轮）时，其小齿轮常采用工程塑料制造，但与其配对的大齿轮仍采用钢或铸铁制造。