典型齿轮材料与常用齿轮钢材的化学成份doc 20页.docx

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典型齿轮材料与常用齿轮钢材的化学成份（doc20页）

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

    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

    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

    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

    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

  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，锡易氧化成坚硬的氧化结晶体，宛如金刚砂研磨剂，使表面很快磨损，因此熔铸时须加入少量的磷作为脱氧剂。

锡青铜由此常被别称为磷锡青铜或磷青铜。

锡青铜中亦有加入锌、铅等元素的；锌比铅能增加些强度而价格比锡便宜，但它的磨合和适配性能较逊，加锌后无非能省一些锡和铜而已。

铅较软较弱，容易很快磨合，但强度不足，主要用以改善切削性能。

国外常在锡青铜中加入镍元素（2％左右），称为镍锡青铜，镍虽贵，但强度较高，且能提高磨损强度和硬度，并促使合金结构均匀。

铸锡青铜用作蜗轮齿圈的国产牌号为ZCuSnl0Pb1、ZCuSn6Zn6Pb3。

国内蜗轮大多用前者，有较成熟的使用经验；后者含锡量较前者小，因此在强度硬度等性能上较逊。

    2.铸铝铁青铜 这类含铝青铜铸成后有较高强度，如再进行热处理，强度还能提高，价廉。

缺点是抗胶合性能差，当温度超过75℃时，点蚀强度和磨损强度将显著下降，表面硬度也较高，跑合困难，接触适配性能差，影响效率的提高。

因此仅适用于滑动速度υs≤4m/s场合，相配的蜗杆硬度须≥45HRC。

国产牌号有 ZCuAl10Fe3Mn2等。

各种铜合金的特性及用途

齿轮用非金属材料

    对高速、轻载及精度不高的齿轮传动，为了降低噪声，常用非金属材料（如夹布塑胶，尼龙等）做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。

为使大齿轮具有足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为250～350HBS。

齿轮种类

钢号

适用范围

尼龙6、尼龙66

有较高的疲劳强度和耐震性，但吸湿性较大

在中等或较低负荷，中等温度（80℃以下），少润滑或无润滑条件下工作

尼龙610、尼龙1010、尼龙9

强度与耐热性较尼龙6略差，但吸湿性小、尺寸稳定性好

在中等或较低负荷，中等温度（80℃以下），少润滑或无润滑条件下工作，并可在湿度波动较大的情况下工作

铸型尼龙（MC尼龙）

强度、刚性较前两种高，耐磨性也更好

适宜于铸造大型齿轮

玻纤增强尼龙

强度、刚性、耐热性均优于未增强者，尺寸稳定性也显著提高

在高负荷、高温下使用，传动效率高。

速度较高时，应用油润滑

聚甲醛

耐疲劳，刚性高于尼龙，吸湿性小，而磨性好，但成型收缩率较大

在中等或较低负荷，中等温度（100℃以下），少润滑或无润滑条件下工作

聚碳酸酯

成型收缩率小，精度高，但耐疲劳强度较小，且有应力开裂倾向

大量生产，一次加工。

当速度高时，应用油润滑

玻纤增强聚碳酸酯

强度、刚性、耐热性与增强尼龙相同，但尺寸稳定性更好，而磨性稍差

在较高负荷和温度下使用，适宜于制备精密齿轮。

速度较高时，应用油润滑

改性聚苯醚

强度、耐热性较好，成型精度高，耐蒸汽性优异，但有应力开裂倾向

在高温水或蒸汽中工作的精密齿轮

聚酰亚胺

强度和耐热性最高，但成本较高

在260℃以下长期工作

说 明

    承受载荷的齿轮一般是接触疲劳（点蚀）强度最低，应首先考虑，其次是齿根弯曲疲劳强度。

下图为不同材料、不同热处理硬度下齿轮材料的接触疲劳强度极限。

从图中可以看到，它们的接触强度差别很大。

    原则上，承受载荷的齿轮齿轮材料质量和热处理的齿面硬度要求就高，多选用中碳的优质合金钢或优质结构钢整体淬火或表面淬火、氮化钢氮化处理、低碳的优质合金钢或优质结构钢渗碳淬火。

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、铸钢等调质或正火处理，或者采用球墨铸铁甚至灰铸铁。

对大型齿轮（d>400mm）多采用铸钢材料，可以减小毛坯生产难度和成本；重要的大型齿轮采用优质合金钢的轮圈的组装式结构。

齿轮材料的选择原则

      齿轮材料的种类很多，在选择时应考虑的因素也很多，下述几点可供选择材料时参考：

    1.齿轮材料必须满足工作条件的要求。

例如，用于飞行器上的齿轮，要满足质量小、传递功率大和可靠性高的要求，因此必须选择机械性能高的合金钢；矿山机械中的齿轮传动，一般功率很大、工作速度较低、周围环境中粉尘含量极高，因此往往选择铸钢或铸铁等材料；家用及办公用机械的功率很小，但要求传动平衡、低噪声或无噪声、以及能在少润滑或无润滑状态下正常工作，因此常选用工程塑料作为齿轮材料。

总之，工作条件的要求是选择齿轮材料时首先应考虑的因素。

    2.应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成型方法及热处理和制造工艺。

大尺寸的齿轮一般采用铸造毛坯，可选用铸铁作为齿轮材料。

中等或中等以下尺寸要求较高的齿轮常选用铸造毛坯，可选择锻钢制作。

尺寸较小而又要求不高时，可选用圆钢作毛坯。

    齿轮的表面硬化的方法有：

渗碳、氮化和表面淬火。

采用渗碳工艺时，应选用低碳钢或低碳合金钢作为齿轮材料；只有氮化钢才能采用氮化工艺；采用表面淬火时，对材料没有特别的要求。

    3.正火碳钢，不论毛坯的制作方法如何，只能用于制作在载荷平稳或轻度冲击下工作的齿轮，不能承受大的冲击载荷；调质碳钢可用于制作在中等冲击载荷下工作的齿轮。

    4.合金钢常用于制作高速、重载并在冲击载荷下工作的齿轮。

    5.飞行器中的齿轮传动，要求齿轮尺寸尽可能小，应采用表面硬化处理的高强度合金钢。

    6.金属制的软齿面齿轮，配对两轮齿面的硬度差应保持为 30～50 HBS或更多。

当小齿轮与大齿轮的齿面具有较大的硬度差（如小齿轮齿面为淬火并磨制，大齿轮齿面为常化或调质），且速度又较高时，在运转过程中较硬的小齿轮齿面对较软的大齿轮齿面，会起较显著的冷作硬化效应，从而提高了大齿轮齿面的疲劳极限。

因此，当配对的两齿轮齿面具有较大的硬度差时，大齿轮的接触疲劳许用应力可提高约20%，但应注意硬度高的齿面，粗糙度值也要相应地减小。

常用齿轮钢材的化学成份

40Mn2

20CrMo

38Cr2MoAl

30CrNi3

15MnVB

50Mn2

35CrMo

20Cr

12Cr2Ni4

20MnVB

35SiMn

42CrMo

40Cr

20Cr2Ni4

45MnB

42SiMn

20CrMnMo

40CrNi

40CrNi4

30CrMnSi

37SiMn2Mo

40CrMnMo

12CrNi2

45CrNiMoV

35CrMnSi

20MnTiB

25Cr2MoV

12CrNi3

30CrNi2MoV

50CrV

25MnTiB

35CrMoV

20CrNi3

18Cr2NiMoV

20CrMnTi

低速重载及高速齿轮用渗碳钢

齿轮类型

性能要求

钢号

起重、运输、冶金、采矿、化工等设备的普通减速机小齿轮

耐磨、承载能力较高

20CrMo、20CrMnTi、20CrMnMo

冶金、化工、电站设备及铁路机车、宇航、船舶等的汽车发动机、工业汽轮机、燃汽轮机、高速鼓风机、透平压缩机等的齿轮

运行速度高、周期长、安全可靠性高

12CrNi2、12CrNi3、12Cr2Ni4、20CrNi3

大型轧钢机减速器齿轮、人字齿轮、机座齿轮大型皮带运输机传动轴齿轮、大型锥齿轮、大型挖掘机传动箱主动齿轮、井下采煤机传动箱齿轮、坦克等齿轮

传动功率大、齿轮表面载荷高、耐冲击，齿轮尺寸大，要求淬透性高

20CrNi2Mo、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W、20Cr2Mn2Mo

机床齿轮常用钢及热处理工艺

齿轮工作条件

钢  号

热处理工艺

硬度要求

在低载荷下工作,要求耐磨性高的齿轮

15（20）

900～950℃渗碳，直接淬冷或780～800℃水淬，180～200℃回火。

58～63HRC

低速（<0.1m/s）,低载荷下工作的不重要变速箱齿轮和挂轮架齿轮

45

840～860℃正火

156～217HRC

低速（<0.1m/s）,低载荷下工作的齿轮（如车床溜板上的齿轮）

45

820～840℃水淬

500～550℃回火

200～250HRC

中速、中载荷或大载荷下工作（车床变速箱中的次要齿轮）

45

860～900℃高频感应加热，水淬，350～370℃回火

40～45HRC

速度较大或中等载荷下工作的齿轮，齿部要求较高（钻床变速箱中的次要齿轮）

45

860～900℃高频感应加热，水淬，380～320℃回火

45～50HRC

高速、中等载荷，要求齿面硬度高（磨床砂轮箱齿轮）

45

860～900℃高频感应加热，水淬，180～200℃回火

52～58HRC

速度不大、中等载荷，断面较大（铣床工作台变速箱齿轮、立车齿轮）

40Cr、42SiMn

840～860℃油淬，600～650℃回火

200～230HRC

中等速度、中等载荷，不大的冲击下工作的高速机床走刀箱、变速箱齿轮

40Cr、42SiMn

调质后860～880℃高频感应加热，乳化液冷却，280～320℃回火

45～50HRC

高速、高载荷、齿部要求高硬度的齿轮

40Cr、42SiMn

调质后860～880℃高频感应加热，乳化液冷却，180～200℃回火

50～55HRC

高速、中载荷、受冲击、模数<5（机床变速箱齿轮、龙门铣床的电动机齿轮）

20Cr、20SiMn

900～950℃渗碳，直接淬火或800～820℃再加热油淬，180～200℃回火。

58～63HRC

高速、重载荷受冲击、模数>6的齿轮（如立车上重要的螺旋伞齿轮）

20CrMnTi、20SiMnVB、12CrNi3

900～950℃渗碳，降温至820～850℃淬火，180～200℃回火。

58～63HRC

在不高载荷下工作的大型齿轮

50Mn2、65Mn

820～840℃空冷 

＜241HB

传动精度高，要求具有一定耐磨性的大齿轮

35CrMo

850～870℃空冷，600～650℃回火（热处理后精切齿形）

255～302HB

拖拉机齿轮常用钢及热处理技术要求

齿轮类型

钢 号

热处理工艺

热处理技术要求

拖拉机传动齿轮，动力传动装置中圆柱齿轮及轴齿轮

20Cr,20CrMo,

20CrMnMo,

20CrMnTi,

30CrMnTi

渗碳

 层深：

不小于模数的0.18倍（mm），但不大于2.1mm

 各种齿轮渗层深度的上下限差不大于0.5mm。

拖拉机曲轴正时齿轮，凸轮轴齿轮，喷油泵驱动齿轮

45

正火

156～217HB

调质

217～255HB

HT200

～

170～229HB

拖拉机油泵齿轮

40、45

调质

28～35HB

蜗杆蜗轮副材料的选用

  表1 蜗杆常用材料

材料牌号

热处理

硬度

齿面粗糙度

45、35SiMn、42SiMn、37SiMn2MoV、40Cr、38SiMnMo

表面淬火

HRC＝45～55

Rz为3.2～6.3μm

20MnVB、20SiMnVB、20Cr、20CrMnTi

渗碳淬火

HRC＝58～63

Rz为3.2～6.3μm

45（用于不重要的传动）

调  质

HB＜270

Rz为25μm

表2 蜗轮常用材料

蜗轮材料

铸造方法

适用的滑动速度

（m/s）

机械性能

σs（N/mm2）

σb（N/mm2）

ZQSn10-1

砂型

≤12

137

216

金属型

≤25

196

245

ZQSn6-6-3

砂型

≤10

78

176

金属型

≤12

78

196

表3 几种蜗轮蜗杆副材料选配及许用接触应力σHP（N/mm2）

蜗轮材料

蜗杆材料

滑动速度（m/s）

0.25

0.5

1

2

3

4

5

6

8ZQAl9-4

ZQAl10-3-1.5

钢（淬火）*

-

245

226

206

177

157

118

88.3

ZHMn58-2-2

钢（淬火）*

-

211

196

177

147

132

93.2

73.6

HT200、HT150

（HB＝120～450）

渗碳钢

157

127

113

88.3

-

-

-

-

HT150

（HB＝120～450）

钢（调质或正火）

137

108

88.3

68.7

-

-

-

-

  * 蜗杆未经淬火时，需将表中σHP值降低20%。

汽车齿轮常用钢及热处理技术要求

齿轮类型

钢号

热处理工艺

热处理技术要求

汽车变速箱和差速箱齿轮

20CrMnTi

20CrMo等

渗碳

层深：

mn①＜3时，0.6～1.0mm

3＜mn＜5时，0.9～1.3mm

mn＞5时，1.1～1.5mm

齿面硬度：

58～64HRC

心部硬度：

mn≤5时，32～45HRC

        mn＞5时，29～45HRC

40Cr

（浅层）碳氮共渗

层深：

＞0.2mm

表面硬度：

51～61HRC

汽车驱动桥主动及从动圆柱齿轮

20CrMnTi

20CrMo

渗碳

齿面硬度：

58～64HRC

心部硬度：

mn≤5时，32～