齿轮常用的材料—钢材

齿轮用钢多为合金钢，少数为碳钢，包括调质钢、淬火钢、渗碳淬火钢和渗氮钢。为满足零件的使用性能要求，可以对中碳钢和低合金钢进行各种热处理以提高其强度和硬度。表面硬化处理也可提高合金钢齿轮材料的强度，使其适用于高负载和中等温度使用的工况。而当齿轮的使用条件进一步提高时，往往需要对齿轮进行淬火以提高其强度和硬度，或通过表面渗碳及表面氧化处理使齿轮表面硬化，以提高其抗疲劳性能，改善其抗胶合和抗磨损性能。就发展趋势而言，应大力推广使用强度和硬度较高的硬齿面齿轮，并通过优化齿轮选材及润滑方式来延长齿轮的使用寿命。钢材的韧性好，耐冲击，还可以通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提高齿面硬度，故最适应于用来制造齿轮。

除尺寸过大或者是结构形状复杂只宜铸造者外，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量在(0.15～0.6)%的碳钢或合金钢。制造齿轮的锻钢可分为：软齿面齿轮（硬度≤350HB）：由于对强度、速度及精度要求都不高，为便于切齿，并使刀具不致迅速磨损变钝，应将齿轮毛坯经过正火或调质处理后切齿，切齿后即为成品，即：毛坯——正火或调质——切齿，其精度一般为8级，精切时可达7级，这类齿轮制造简便、经济、生产效率高。硬齿面齿轮（硬度＞350HB）：适用于高速、重载及精密机器（如精密机床、航空发动机），除要求材料性能优良，轮齿具有高强度及齿面具有高硬度（如58～65HRC）外，还应进行磨齿等精加工。需精加工的齿轮目前多是先切齿，再做表面硬化处理，最后进行精加工，即：切齿——表面硬化处理——精加工，精度可达5级或4级。这类齿轮精度高，价格较贵。合金钢根据所含金属的成分及性能，可分别使材料的韧性、耐冲击、耐磨及抗胶合的性能等获得提高，也可通过热处理或化学热处理改善材料的力学性能及提高齿面的硬度。对于高速、重载而又要求尺寸小、质量小的航空用齿轮，通常选用性能优良的合金钢（如20CrMnTiH、20Cr2Ni4A等）来制造。高速、重载齿轮主要采用低碳合金钢渗碳淬火或中碳合金钢氮化处理，渗碳钢材主要为12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W、20CrNi2Mo等，这些材料含碳量均在0.1%-0.25%之间，以保证零件心部有足够的韧性和塑性，并含Cr、Ni、Mo三种元素，Cr有利于在渗碳层中获得细小的碳化物，Ni有利于提高心部的韧性与强度，Mo的作用是阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒，防止渗碳层剥落及提高心部性能。这类钢渗碳淬火后心部强度可达δb=1100-1300MN/m2，   冲击韧性可达a k=80-100J/cm2。氮化钢材主要有38CrMoAl、25Cr2MoV、25CrNi2MoV等。而对于高性能的高速、重载齿轮则要求承受大扭矩、大功率和高传动速度，往往通过采用新材料和对其进行复合表面处理来满足高疲劳强度、高弯曲强度、高红硬性、低磨损和摩擦以及承受重载能力的要求。图1是载荷和速度大小对齿轮失效模式的影响。