齿轮硬度要求
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二、典型零部件选材及工艺分析
金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前的主要工程材料。高分子材料的强度、刚度较低、易老化，一般不能用于制作承受载荷较大的机械零件。但其减振性好，耐磨性较好，适于制作受力小、减振、耐磨、密封零件，如轻载齿轮、轮胎等。陶瓷材料硬而脆，一般也不能用于制作重要的受力零部件。但其具有高熔点、高硬度、耐蚀性好、红硬性高等特点，可用于制作高温下工作的零部件、耐磨耐蚀零部件及切削刀具等。复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，具有高比强度、高减振性、高抗疲劳能力、高耐磨性等优异性能，是一种很有发展前途的工程材料。与以上三类工程材料相比，金属材料具有优良的使用性能和工艺性能，储藏量大，生产成本比较低、广泛用于制作各种重要的机械零件和工程构件，是机械工业中最主要、应用最广泛的一类工程结构材料。下面介绍几种钢制零部件的选材及热处理工艺分析。
㈠ 齿轮类零件的选材
齿轮是机械工业中应用广泛的重要零件之一，主要用于传递动力、调节速度或方向。
1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。
⑴ 齿轮的工作条件：①啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。②传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。③换挡、启动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载荷。
⑵ 齿轮的主要失效形式：①断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。②齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使齿厚变小、齿隙加大。③接触疲劳；在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。
⑶ 对齿轮材料的性能要求：①高的弯曲疲劳强度；②高的耐磨性和接触疲劳强度；③轮齿心部要有足够的强度和韧性。
2、典型齿轮的选材
⑴ 机床齿轮
机床齿轮的选材是依其工作条件（园周速度、载荷性质与大小、精度要求等）而定的。表13-3列出了机床齿轮的选材及热处理。
表13-3 机床齿轮的选材及热处理
序号 齿轮工作条件 钢种 热处理工艺 硬度要求
1 在低载荷下工作，要求耐磨性好的齿轮 15 900~9500C渗碳，直接淬火，或780~8000C水冷，180~2000C回火 58~63HRC
2 低速（<0.1m/s）、低载荷下工作的不重要的变速箱齿轮和挂轮架齿轮 45 840~8600C正火 156~217HB
3 低速（<0.1m/s）、低载荷下工作的齿轮（如车床溜板上的齿轮） 45 820~8400C水冷，500~5500C回火 200~250HB
机床传动齿轮工作时受力不大，工作较平稳，没有强烈冲击，对强度和韧性的要求都不太高，一般用中碳钢（例如45钢）经正火或调质后，再经高频感应加热表面淬火强化，提高耐磨性，表面硬度可达52~58HRC。对于性能要求较高的齿轮，可选用中碳合金钢（例如40Cr等）。其工艺路线为：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→高频淬火+低温回火→装配。
正火工序作为预备热处理，可改善组织，消除锻造应力，调整硬度便于机械加工，并为后续的调质工序做好组织准备。正火后硬度一般为180~207HB，其切削加工性能好。经调质处理后可获得较高的综合力学性能，提高齿轮心部的强度和韧性，以承受较大的弯曲应力和冲击载荷。调质后的硬度为33~48HRC。高频淬火+低温回火可提高齿轮表面的硬度和耐磨性，提高齿轮表面接触疲劳强度。高频加热表面淬火加热速度快，淬火后脱碳倾向和淬火变形小，同时齿面硬度比普通淬火高约2HRC，表面形成压应力层，从而提高齿轮的疲劳强度。齿轮使用状态下的显微组织为：表面是回火马氏体+残余奥氏体，心部是回火索氏体。
⑵ 汽车、拖拉机齿轮 4 中速、中载荷或大载荷下工作齿轮（如车床变速箱中的次要齿轮） 45 高频加热，水冷，300~3400C回火 45~50HRC
5 速度较大或中等荷下工作的齿轮，齿部硬度要求较高（如钻床变速箱中的次要齿轮） 45 高频加热，水冷，240~2300C回火 50~55HRC
6 高速、中等载荷，要求齿面硬度高的齿轮（如磨床砂轮箱齿轮） 45 高频加热，水冷，180~2000C回火 54~60HRC
7 速度不大，中等载荷，断面较大的齿轮（如铣
床工作面变速箱齿轮、立车齿轮） 40Cr
42SiMn
45MnB
840~8600C油冷，600~6500C回火 200~230HB
8 中等速度（2~4m/s）、中等载荷下工作的高速机床走刀箱、变速箱齿轮 40Cr
42SiMn 调质后高频加热，乳化液冷却，260~3000C回火 50~55HRC
9 高速、高载荷、齿部要求高硬度的齿轮 40Cr
42 SiMn 调质后高频加热，乳化液冷却，180~2000C回火， 54~60HRC
10 高速、中载荷、受冲击、模数<5的齿轮（如机床变速箱齿轮、龙门铣床的电动机齿轮） 20Cr
20Mn2B 900~9500C渗碳，直接淬火，或800~8200C油淬，180~2000C回火 58~63HRC
11 高速、重载荷、受冲击、模数>6的齿轮（如立车上的重要齿轮） 20SiMnVB
20CrMnTi 900~9500C渗碳，降温至820~8500C淬火，180~2000C回火 58~63HRC
12 高速、重载荷、形状复杂，要求热处理变形小的齿轮 38CrMoAl
38CrAl 正火或调质后510~5500C氮化 850HV以上
13 在不高载荷下工作的大型齿轮 50Mn2
65Mn 820~8400C空冷 <241HB
14 传动精度高，要求具有一定耐磨性的大齿轮 35CrMo 850~8700C空冷，600~6500C回火（热处理后精切齿形） 255~302HB
汽车、拖拉机齿轮的选材及热处理详见表13-4。
表13-4 汽车、拖拉机齿轮常用钢种及热处理
序号 齿轮类型 常用钢种 热处理
主要工序 技术条件
1 汽车变速箱和分动箱齿轮 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
2 汽车驱动桥主动及从动圆柱齿轮 20CrMnTi
20CrMo 渗碳 渗层深度按图纸要求，硬要求同序号1中渗碳工序
层深：ms②≤5时 , 0.9-1.3mm；5< ms <8时，1.0-1.4mm；
ms >8时，1.2-1.6mm
齿面硬度：58-64HRC
心部硬度：ms≤8时，32-45HRC；ms >8时，29-45HRC 汽车驱动桥主动及从动圆锥齿轮 20CrMnTi
20CrMnMo 渗碳
3 汽车驱动桥差速器行星及半轴齿轮 20CrMnTi
20CrMo
20CrMnMo 渗碳 同序号1渗碳的技术条件
4 汽车发动机凸轮轴齿轮 灰口铸铁
HT180
HT200 170-229HB
5 汽车曲轴正时齿轮 35、40、45
40Cr 正火 149-179HB
调质 207-241HB
6 汽车起动机齿轮 15Cr
20Cr
20CrMo
15CrMnM,
20CrMnTi 渗碳 层深：0.7-1.1mm
表面硬度：58-63HRC
心部硬度：33-43HRC
7 汽车里程表齿轮 20 （浅层）碳氮共渗 层深：0.2-0.35mm
8 拖拉机传动齿轮，动力传动装置中的圆柱齿轮，圆锥齿轮及轴齿轮 20Cr
20CrMo,
20CrMnMo
20CrMnTi,
30CrMnTi 渗碳 层深：≮模数的0.18倍，但≯2.1mm
各种齿轮渗层深度的上下限≯0.5mm,硬度要求序号1、2
40Cr,
40Cr （浅层）碳氮共渗 同序号1中碳氮共渗的技术条件
9 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
灰口铸铁
HT180 170-229HB
10 汽车拖拉机油泵齿轮 40，45 调质 28-35HRC
① mn—法向模数；② ms—端面模数
与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时受力较大，受冲击频繁，因而对性能的要求较高。这类齿轮通常使用合金渗碳钢（例如：20CrMnTi、20MnVB）制造。其工艺路线为：备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回大→喷丸→磨削→装配。正火处理的作用与机床齿轮相同。经渗碳、淬火+低温回火后，齿面硬度可达58~62HRC，心部硬度为35~45HRC。齿轮的耐冲击能力、弯曲疲劳强度和接触疲劳强度均相应提高。喷丸处理能使齿面硬度提高约2~3HRC，并提高齿面的压应力，进一步提高接触疲劳强度。齿轮在使用状态下的显微组织为：表面是回火马氏体+残余奥氏体+碳化物颗粒，心部淬透时是低碳回火马氏体（+铁素体），未淬透时，是索氏体+铁素体。
㈡ 轴类零部件的选材
轴是机械工业中最基础的零部件之一，主要用以支承传动零部件并传递运动和动力。
1、轴的工作条件，主要失效形式及对性能的要求。
⑴ 轴的工作条件：①传递扭矩，承受交变扭转载荷作用。同时也往往承受交变弯曲载荷或拉、压载荷的作用。②轴颈承受较大的磨擦。③承受一定的过载或冲击载荷。
⑵ 轴的主要失效形式：①疲劳断裂 由于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用，造成轴的疲劳断裂，这是最主要的失效形式。②断裂失效 由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。③磨损失效 轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。
⑶ 对轴用材料的性能要求：①高的疲劳强度，以防止疲劳断裂。②良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。③良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。
2、典型轴的选材
对轴类零部件进行选材时，应根据工作条件和技术要求来决定。承受中等载荷，转速又不高的轴，大多选用中碳钢（例如45钢），进行调质或正火处理。对于要求高一些的轴，可选用合金调质钢（例如40Cr）并进行调质处理。对要求耐磨的轴颈和锥孔部位，在调质处理后需进行表面淬火。当轴承受重载荷、高转速、大冲击时，应选用合金渗碳钢（例如20CrMnTi）进行渗碳淬火处理。
⑴ 机床主轴
图13-8为C620车床主轴简图。该主轴承受交变扭转和弯曲载荷。但载荷和转速不高， 冲击载荷也不大。轴颈和锥孔处有磨擦。按以上分析，C620车床主轴可选用45钢，经调质处理后，硬度为220~250HB，轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为46~54HRC。其工艺路
图13-8 C620车床主轴简图
线为：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→表面淬火+低温回火→磨削→装配。正火可改善组织、消除锻造缺陷，调整硬度便于机械加工，并为调质做好组织准备。调质可获得回火索氏体，具有较高的综合力学性能，提高疲劳强度和抗冲击能力。表面淬火+低温回火可获得高硬度和高耐磨性。表13-5给出了机床主轴的选材和热处理。
表13-5 根据工作条件推荐选用的机床主轴材料及其热处理工艺
