. 弧齿锥齿轮材料与热处理

 新闻资讯     |      2019-09-17 09:49
. 弧齿锥齿轮材料与热处理
 
弧齿锥齿轮齿轮的材料是弧齿锥齿轮齿轮各种力学性能和加工性能的基础。选用材料的最基本要求是充分满足机械性能和加工性能的要求,并在此条件下尽量降低成本。
 
弧齿锥齿轮的材料可以大致分为两类:金属类与非金属类。
 
在金属类弧齿锥齿轮材料中,最普遍的是钢,其次是铸铁。我国所用的最多的弧齿锥齿轮材料是优质碳素钢和渗碳钢,很少使用高合金钢材。因为前者可以满足性能的要求,同时价格低廉并且容易获得。对于应用最广泛的汽车用弧齿锥齿轮,其齿轮材料几乎全是渗碳钢,其中最具代表性的就是20CrMnTi。而对于用于矿山,石油等方面的弧齿锥齿轮,其材料也多为渗碳钢。
 
在非金属弧齿锥齿轮材料中,最常见的是塑料,如尼龙等。塑料齿轮的精度较高,传动时的振动和噪音都比较小。但由于塑料本身的硬度、强度等性能较差,所以塑料弧齿锥齿轮多用在高速轻载和有低噪音要求的场合。近些年来,陶瓷材料弧齿锥齿轮也成为一个热点。但是陶瓷材料的脆性大,且加工成型难度非常高,所以现在还停留在理论阶段[33-35]。
 
热处理是保证弧齿锥齿轮性能的关键工艺,热处理质量的好坏与齿轮的机械性能和加工性能以及使用寿命有关键的影响。目前,弧齿锥齿轮常用的热处理有四种:调质、渗碳和碳氮共渗、渗氮和氮碳共渗以及感应淬火。这四种热处理方式各有其优缺点。
 
调质的工艺最为简单,就是淬火后高温回火,如果齿轮直径较大,需要在调质之前进行正火处理。调质工艺几乎不受齿形齿向的影响,操作起来最方便,设备的投资小,通用性好。但是其对于弧齿锥齿轮表面硬度的提高非常有限,调质后的弧齿锥齿轮的齿面都还处于软齿态,耐磨性比较差,所以一般只作为其他热处理方式的预处理工序。
 
表4-1 各种弧齿锥齿轮热处理工艺的硬化效果、强度、变形倾向及成本对比
 
我们可以看出各种热处理方式的优缺点:
 
渗碳以及C-N共渗的优点在于硬化层深度很深,表面硬化层质量很好,强度很高,耐磨性也很好。而且得到的硬化层完全仿形,连续且均匀。但是渗碳所引起的弧齿锥齿轮的变形较大,后期的磨齿比较困难。对于基体比较薄的零件,变形会更为明显,而不能使用渗碳工艺。同时,渗碳的设备投资较大,污染也比较严重。
 
渗氮及N-C共渗的优势在于表面硬化层的质量非常高,表面硬度很高,耐磨性非常好,同时变形非常小。但由于其渗氮层深很薄,其对于基体强度的提高非常有限,不能用于重载弧齿锥齿轮的热处理。
 
感应淬火的优势在于其可以大幅提高弧齿锥齿轮的表面硬度,变形也较小。同时在这几种热处理工艺中,感应淬火的热效率最高,节能环保,设备投资也较低,是目前国家大力推广的热处理方式。但是,感应淬火在弧齿锥齿轮上的应用目前仅限于小模数的齿轮的全齿感应淬火,且得到的硬化层往往不够均匀,仿形性不佳,齿顶部厚度过大,齿根部又淬不到。导致齿顶部容易崩齿,齿根部容易断裂。而对于大模数的弧齿锥齿轮这种倾向就更为明显。弧齿锥齿轮复杂的齿向也使得单齿感应淬火很难进行。