郜云松
国华电力培训学校 江苏省徐州市
内容摘要：齿轮传动是机械传动中应用最广的一种传动形式，这与它的传动特点密不可分。本文通过从满足材料的机械性能、工艺性能及经济性能三个方面简单阐述了齿轮材料的选择原则。
关键词：齿轮 材料 机械性能 工艺性能 经济性
齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。齿轮传动通过轮齿之间的相互啮合来传递空间任意两轴间的运动和动力，并可以改变运动的形式和速度。齿轮传动具有以下优点：适用的载荷和速度范围广；传动比恒定不变；效率很高，一般可达0.94～0.99；工作可靠，使用寿命长。在机械零件产品的设计与制造过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有良好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗。如果齿轮材料选择不当，则会出现零件的过早损伤，甚至失效。因此如何合理地选择和使用材料是一项十分重要的工作。
1．满足材料的机械性能
材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及冲击韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。齿轮在啮合时齿面接触处有较大的接触应力，齿根部受到最大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效。齿面各点间都有相对滑动，会产生磨损。齿轮轮齿主要的失效形式有齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损和轮齿折断等。因此要求齿轮材料有较高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部则要有一定的强度和韧性。例如，在确定大、小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高30～50HBS，这是因为小齿轮承受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根部位较薄，强度低于大齿轮。为使两齿轮的轮齿接近相等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。
另一方面，根据材料的使用性能确定了材料牌号后。要明确材料的机械性能或材料硬度，然后我们可以通过不同的热处理工艺达到所要求的硬度范围，从而使材料具有不同的机械性能。如材料为40Cr的合金钢齿轮，当采用840～860℃油淬，540～620℃回火时，调质硬度可达28～32HRC，可改善组织、提高材料综合机械性能；当采用860～880℃油淬，240～280℃回火时，硬度可达46～51HRC，则钢的表面耐磨性能好，芯部韧性好，变形小；当采用500～560℃氮化处理，氮化层0.15～0.6mm时，硬度可达52～56HRC，则钢具有很高的表面硬度、耐磨性和较高的疲劳强度，而且具有较高的耐蚀性和抗胶合性能；当通过电镀或表面合金化处理后，则可改善齿轮工作表面摩擦性能，提高抗腐蚀能力。
2．满足材料的工艺性能
材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。
我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。例如汽车变速箱中的齿轮选择20CrMnTi钢，该钢种为合金渗碳钢，具有较高的机械性能，在渗碳淬火和低温回火后，表面硬度可达58～62HRC，而芯部硬度为30～45HRC。20CrMnTi钢的工艺性能较好，锻造后以正火来改善其切削加工性。此外，20 CrMnTi钢还具有较好的淬透性，由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，因此在渗碳后可直接降温淬火。且渗碳速度较快，过渡层均匀，渗碳淬火后变形很小。适合于制造承受高速重载及冲击、摩擦的重要齿轮，因此根据齿轮的工作条件选用20CrMnTi钢是比较合适的。
3．材料的经济性要求
所谓经济性是指用最小的耗费取得最大的经济效益。在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。我们可以从以下两方面来考虑：
一方面是从材料本身的价格来考虑。碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下优先选用碳钢和铸铁，尤其是碳钢不仅具有良好的加工工艺性能，而且加工后具有较高的强度、硬度和韧性。完全能够满足一般的齿轮传动。而且从金属材料资源和原材料的供应情况来看，应尽可能减少价格昂贵材料的使用量。
另一方面从齿轮生产过程的耗费来考虑。首先，采用不同的热处理方法相对加工费用差别也很大，如12CrNi3A钢渗碳表面淬火的费用要比氮化处理的费用少得多，而碳氮共渗又具有生产周期短和成本低的特点。其次，通过改进热处理工艺也可以降低成本。如某齿轮工作时在高速、中载且承受中等冲击的条件下，原选用中合金高级渗碳钢18Cr2Ni4WA材料，其经过910～940℃渗碳，850℃淬火，180～200℃低温回火后其机械性能中的抗拉强度大于1177MPa、屈服强度大于834MPa、延伸率大于10％、断面收缩率大于45％，冲击韧性大于980kJ／m2，硬度约为58～62HRC。虽能满足齿轮的使用性能和工艺性能，但零件的生产成本较高。现选用价格相对便宜的低碳中合金、中淬透性渗碳钢20CrMnTi。经过910～940℃渗碳，870℃淬火，180～200℃低温回火后其机械性能中的抗拉强度大于1100MPa、屈服强度大于850MPa、延伸率大于10％、断面收缩率大于45％、冲击韧性大于680 kJ／m2、硬度为58～62HRC。从他们的数据对比来看，两者的机械性能基本相同。仅此一项改进，材料费用不仅大大降低，而且满足了其使用性能和工艺性能。第三，所选钢种应尽量少而集中，以便采购和保管。随着齿轮形状、尺寸和材料向着多品种、多系列和个性化的方向发展，尤其是在型号多、产量小时，在齿轮锻造、机加工和热处理等生产工艺方面，存在着设计量大，生产周期长、效率低、成本高、能耗大、管理难和质量不易保证等不利状况，因此在齿轮选材时精选、优选和压缩材料牌号和规格有利于提高选材通用化、系列化和标准化程度，提高材料的利用率，提高材料采购的计划性，以减少库存积压、加快资金流动，方便储存和保管以及降低材料的成本消耗。最后，我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。如模锻件生产的模锻工艺已突破传统工艺的要求，在提供成型毛坯时，可利用少无切削工艺，模锻与机械精加工相结合，部分或全部取代切削加工直接生产零件，或在生产中采用成组技术与工艺，也可提高产品质量、生产效率和降低成本。
4．结束语
综上所述，在选择齿轮材料时。必须了解我国工业发展的形式，结合我国金属材料资源和生产条件，从实际出发，全面考虑机械性能、工艺性能和经济性等方面的问题，只有合理选材才能保证齿轮质量、降低产品成本，从而提高市场竞争力。