合金材料中不同金屬元素對齒輪機械性能和熱處理的影響

劉富金，謝世杰

（江西省核工業地質局二六四大隊，江西 贛州 341000）

齒輪是機械傳動中不可或缺的部分，齒輪的機械性能直接影響機械設備的整體效果，其中齒輪合金材料的選擇作為齒輪制造最基礎的部分，將直接影響所有的后續結果。而齒輪加工中熱處理工藝作為決定齒輪綜合性能的最終處理工藝，也會因不同的合金材料而產生不同的效果。將合金材料進行熱處理會改變其形成結構[1]。合金微型結構會對齒輪表面的強度以及使用過程中的機械性能造成影響。所以齒輪制造對金屬材料有很高的要求，金屬的成分直接影響了齒輪的機械性能和使用壽命。

1 不同合金材料中金屬元素對齒輪機械性能的影響

為深入研究不同合金材料的組成配比對齒輪機械性能的影響，選取工業常用的20CrMnTi和20CrNiMo這兩種材料作為研究對象，從齒輪最為關注的機械性能、耐磨損性兩個方面探究錳、鉻、鈦、鎳等金屬元素對整體材料的影響。

1.1 機械性能的影響

20CrMnTi和20CrNiMo都是一種優質韌性耐磨材料，具有較高的強度的同時又具有很好的塑性和韌性，表現出很好的綜合機械性能，常用于制造齒輪等承重、磨損類零件[2]。20CrMnTi和20CrNiMo不銹鋼作為高合金材料，鉻的含量較高，鉻的作用是讓材料具有耐腐蝕性，并提高合金的抗拉強度和硬度；錳能提高鋼的淬透性，并在熱處理中起到細化晶粒的作用，從而增加合金的強度，但同時會提高合金的過熱敏感性和回火脆性；鈦的作用是增強材料的低溫沖擊韌性，當鈦元素含量達到0.018%時，材料的沖擊韌性值達到最優指標，微量的鈦（0.03%～0.1%）使屈服點有所提高；鎳能強化鐵素體并細化和增多珠光體從而提高合金的強度，同時提高合金的疲勞抗力；鉬對鐵素體有固溶強化作用，同時也提高了碳化物的穩定性，從而提高鋼的強度，并能改善合金的延展性、韌性及耐磨性。

1.2 耐磨損性影響

材料的耐磨損性主要取決于硬度指標。在不同的冷卻速度下，材料體現的硬度值存在較大差異。貝氏體和馬氏體組織比例決定了材料的硬度[3]。20CrMnTi受鈦元素的影響，在表現出優異韌性值的同時，其硬度值普遍偏低，在冷速介于16.7℃/s～46.7℃/s，貝氏體與馬氏體的組成比例為20%～80%，其硬度值為322HV。20CrNiMo在同等的冷速條件下，貝氏體組織比例降至15%，馬氏體組織提高到85%，材料的硬度提高到411 HV，實現了最優化硬度。

2 不同合金材料中金屬元素對齒輪熱處理性能的影響

熱處理是指材料在固態下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預期組織和性能的一種金屬熱加工工藝。其中淬透性是齒輪熱處理過程中合金材料的一項重要指標。淬透性是指在規定條件下用試樣淬透層深度和硬度分布來表征的材料特征，它主要取決于材料的臨界淬火冷速的大小，而臨界冷卻速度則主要取決于過冷奧氏體的穩定性。在齒輪加工的熱處理工藝中，為了提高耐磨性和抗咬合性，讓材料不易變形同時提高表面硬度，將鋼奧氏體化后以適當的冷卻速度冷卻，使工件在橫截面內全部或一定的范圍內發生馬氏體等不穩定組織結構轉變[4]。

材料的淬透性是材料本身所固有的屬性，它只取決于其本身的內部因素，而與外部因素無關。材料的淬透性主要取決于它的化學成分，特別是含增大淬透性的合金元素，其次和晶粒度，加熱溫度和保溫時間等因素有關。

淬透性好的材料，可使材料整個截面獲得均勻一致的力學性能以及可選用淬火應力小的介質，以減少變形和開裂。

鉻、錳、鈦、鎳、鉬等金屬元素均有提高合金淬透性的作用，不同金屬之間會相互影響并且還影響其他熱處理過程，例如鉬能提高合金的淬透性，其作用較鉻強而弱于錳，但當鉬與鉻、錳并存時能降低或抑制因其他元素所導致的回火脆性。又如在金屬元素配比中以千分之一的比例增加鎳的含量，研究發現，隨著鎳含量的增多，材料的淬透性能得以優化，在鉻-鎳-錳的含量達到1.02%～0.02%～0.16%時，材料的淬透性達到43.6，實現最優。

圖1 兩種合金材料的檢測結果對照

3 實例分析

我公司生產某型號電機軸，原圖要求使用20CrNiMo材料，因考慮經濟成本等因素，將材料替換成20CrMnTi進行驗證，樣品經客戶使用并測試，機械性能完全符合要求，但是在加工過程中發現，20CrMnTi材料所加工產品熱變形較大，電機軸齒部齒形、齒向和齒距累積公差均不如20CrNiMo穩定，但是處于質量要求范圍內。證明20CrMnTi材料在該型電機軸產品上可替換20CrNiMo材料，如圖1所示。

4 結語

本文通過探討合金材料中不同金屬材料對齒輪的機械性能和熱處理性能的影響的原理，通過實例證明不同合金材料在制造齒輪中的差異。

總而言之，在實際生產中，需要綜合考慮質量要求，經濟效率等因素，合理選擇合金材料原料，以使得經濟效益最優。