淺議熱處理工藝對齒輪性能的改變

梁麗紅

久益環(huán)球(天津)裝備制造有限公司 天津 300300

在機(jī)械設(shè)備當(dāng)中，除了較為常見的一般性零件外，還會使用到螺母、螺栓、齒輪和彈簧等的標(biāo)準(zhǔn)件、常用件。國家標(biāo)準(zhǔn)對這些零件的尺寸、結(jié)構(gòu)和具體參數(shù)、技術(shù)都做了完備的規(guī)定，以求降低制造的設(shè)計工作量，提高制造的效率和產(chǎn)量。但是國家方面只是對這些構(gòu)件的基本情況做了規(guī)定，但是材料不同、熱處理工藝的不同，材料的性能也會發(fā)生變化，本文就主要圍繞齒輪這種最為基本的構(gòu)件，探究熱處理工藝對其性能的影響。

1 不同材料制造的齒輪性能存在差異化

齒輪需要按照具體的工作條件和特定需求，選擇合適的材料，不同的材料對齒輪的工作性能以及壽命都會產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。比如速度比較高的齒輪傳動，便容易產(chǎn)生疲勞點蝕，因此就需要選擇齒面硬度比較堅硬的材料；對于有沖擊載荷的齒輪傳動，因為其比較容易折斷，所以盡可能選擇韌性比較理想的材料；低速重載的齒輪傳動，因為其比較容易折斷，所以就應(yīng)該選擇機(jī)械程度高、齒面硬度更高的材料進(jìn)行制造[1]。

首先，45鋼熱處理后制造的齒輪，會具有非常理想的綜合機(jī)械性能。而經(jīng)過調(diào)質(zhì)或正火，齒輪的金相組織以及材料的可削性，并且降低表面的粗糙程度。因為45鋼本身的淬透性并不理想，而且經(jīng)過淬火以后的變形程度較高，所以大多會采用齒輪表面淬火的方式進(jìn)行加工制造。

其次，400Cr是中碳合金鋼，用其制造的齒輪和45鋼相比，因為加入了少量鉻合金的緣故，讓金屬晶粒更加細(xì)化，減少了淬火時變形的可能性。

再次，使用低碳合金鋼18CrMnTi，其能夠確保齒輪的表面獲得較高的硬度、而內(nèi)心卻又能夠擁有足夠的韌性以及較高的抗彎曲、抗疲勞程度。這種材料具有非常理想的切削性，滲碳時工件的變形程度也會比較低，多用于汽車、拖拉機(jī)中需要有較大承載壓力的齒輪。

最后，38CrMoAIA氮化鋼，經(jīng)氮化處理后生成的齒輪具有更好的耐腐蝕性和耐磨性，其變形的可能性更低，甚至于可以不用磨齒就投入使用，目前此類型材料制作的齒輪大多用于高速傳動的設(shè)備和機(jī)械當(dāng)中[2]。

2 在齒輪制造過程中不同階段，不同的熱處理也可提高齒輪的性能

齒輪制作主要分為兩個非常重要的階段，其在各自的階段借助不同的熱處理方式，也會產(chǎn)生不同的性能效果。

2.1 齒輪毛胚的制造

齒輪毛胚的形式主要是使用鍛件、棒料、鑄件等尺寸比較小、結(jié)構(gòu)相對簡單的齒輪。鍛件則用于齒輪相對要求較高，強(qiáng)度性、耐沖性和耐磨性都有著明確要求的齒輪制造，當(dāng)齒輪的直徑處于400-600mm之間時，就可以采用鑄造的方法鑄造齒輪，以求降低機(jī)械加工量，制造出低精度、大尺寸的齒輪。

齒坯的熱處理最常用的就是正火或者調(diào)質(zhì)的方法，正火一般安排在鍛造或者鍛造之后，正式進(jìn)行切削加工之前，如此就可以全面消除鋼件當(dāng)中殘存的內(nèi)應(yīng)力，更調(diào)整了鍛造以后組織上的不均勻性，讓結(jié)晶得到重新組織，改善了齒輪表面的粗糙程度，更降低了因為淬火而出現(xiàn)的變形傾向[3]。調(diào)質(zhì)同樣還具有均勻組織和細(xì)化顆粒的作用，只是其切削性相對較差、韌性相對較高；而對于棒料齒坯，處于消除粗車生成的內(nèi)應(yīng)力的目的，正火或調(diào)質(zhì)一般安排在粗車之后。

2.2 輪齒的熱處理

輪齒常用的熱處理工藝主要包括三種，分別是高頻淬火、氮化以及滲碳。其中高頻淬火可以形成較之普通淬火更加強(qiáng)硬的表面，且維持了中心的強(qiáng)度以及韌性；氮化則是將齒輪放置在氮氣當(dāng)中直接加熱到520-560度范圍，讓活性的氮原子徹底滲入輪齒表面，形成高硬度的氮化物薄層；滲碳則是讓齒輪在經(jīng)歷過淬火以后，表面具有更高的硬度、而且更加耐磨，同時齒輪的心部同樣能夠保持較高的硬度和韌性[4]。

3 熱處理工藝與材料金相組織的變化闡釋

3.1 正火對滲碳齒輪產(chǎn)生的影響

正火組織中存在著粗大的粒狀貝氏體，遇到鍛造時的高溫加熱、就有可能面臨奧氏體晶粒的粗大、不均勻等一系列問題；另一方面，奧氏體晶粒內(nèi)含的低碳合金鋼具有非常鮮明的組織遺傳性，在經(jīng)過鍛造后冷卻時，粗大晶粒部分很容易獲得非常穩(wěn)定的顯微組織；而晶粒細(xì)小部分則更容易獲得F+P。同時，在后期加熱的過程中，滲碳會因組織遺傳形成新的粗大晶粒，促使淬火內(nèi)應(yīng)力分布不均，基于此則可以采用較長時間的二次正火和高溫的方法，通過相變硬化，讓奧氏體在高溫的條件下再度結(jié)晶，進(jìn)而達(dá)到消除組織遺傳、細(xì)化精粒、保障齒輪正常使用的效果和作用。

3.2 碳、氮共滲及淬火對齒輪產(chǎn)生的影響

低碳鋼件經(jīng)過滲碳可以讓鋼件的表面獲得較高的碳濃度，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)幕鼗鸹虼慊鹛幚恚涂梢蕴岣咪摷砻娴哪湍バ?、硬度以及抗疲勞程度，同時讓心部保持很好的韌性及塑性[5]。但是因為奧氏體晶粒大、滲碳溫度高，殘余的奧氏體耐磨性降低、變形程度高、組織也會變得非常粗大；采用碳氮共滲則溫度較低，晶粒不斷長大的可能性很低，而且在預(yù)冷淬火后可以得到含氮馬氏體、殘余奧氏體及碳氮化合物全新物體，其不僅變形小、顆粒程度低，而且經(jīng)過如此操作得到的齒輪其耐磨性更為理想，內(nèi)部組織更保證了其本身具有極高的抗沖擊性和強(qiáng)度。

4 結(jié)語

通過對以上內(nèi)容展開分析，我們可知要想借助熱處理幫助齒輪發(fā)揮更為理想的性能，需要從這樣幾個角度來實現(xiàn)：

第一，合理選擇用以制造齒輪的材料；第二，合理選擇熱處理工藝，避免齒輪當(dāng)中出現(xiàn)缺陷組織；第三，合理鍛造、降低碳化物的帶狀偏析，確保齒輪內(nèi)部組織的均勻性、進(jìn)而減少內(nèi)應(yīng)力。