廖曉文，賴(lài)香功

（贛州核力機(jī)械股份有限公司，江西 贛州 341000）

齒輪是汽車(chē)、機(jī)械表等輪緣上有齒輪連續(xù)嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的重要傳動(dòng)元件，在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，齒輪的質(zhì)量直接影響機(jī)械運(yùn)行時(shí)發(fā)出的噪音和工作安全。齒輪的應(yīng)用范圍廣泛，大多數(shù)傳動(dòng)機(jī)械設(shè)備中都有齒輪的存在，其中汽車(chē)用齒輪受到國(guó)內(nèi)外教授的密切關(guān)注[1]。隨著人們生活水平的提高，汽車(chē)擁有率逐漸上升，市場(chǎng)對(duì)齒輪的需求量也逐漸擴(kuò)大，與此同時(shí)對(duì)齒輪的質(zhì)量和性能要求也越來(lái)越嚴(yán)格。為了保證人們駕車(chē)行駛的安全和其他機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定，一方面要求齒輪具有更高的強(qiáng)度、韌性和塑性，使齒輪在超負(fù)荷狀態(tài)下能夠安全穩(wěn)定地工作。另一方面又要求齒輪制作引進(jìn)新工藝，節(jié)約制作的經(jīng)濟(jì)成本。本文重點(diǎn)研究金屬熱處理工藝對(duì)齒輪材料性能的影響，從齒輪材料本身的屬性和金屬熱處理工藝技術(shù)兩個(gè)角度出發(fā)，分析影響齒輪材料性能的因素，以便使齒輪制作行業(yè)有更好的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)齒輪制作的高質(zhì)量低成本，進(jìn)一步提高齒輪制作的效率。

1 材料本身屬性對(duì)齒輪材料性能的影響

大多數(shù)齒輪的制作材料分為鋁，鋼，鈦三種，三種材料的性質(zhì)對(duì)比如下表1所示。

表1 鋁、鋼、鈦的性質(zhì)對(duì)比表

根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，齒輪材料本身具有的特殊屬性在熱處理過(guò)程中對(duì)齒輪的材料性能具有一定的影響，其中影響較大的屬性有淬透性、材料的純凈度以及材料的晶粒度。

1.1 淬透性對(duì)齒輪材料性能的影響

齒輪淬透性是決定齒輪質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)因素，決定著齒輪各方面的性能[1]。淬透性對(duì)齒輪性能的影響包括在以下幾個(gè)方面。

（1）淬透性鋼材齒輪具有獨(dú)特的淬透能力，淬透能力決定著齒輪的心部硬度，通常齒輪的心部硬度范圍在35HRC～45HRC，合適的心部硬度能夠確保齒輪具有良好的抗接觸負(fù)荷性能和抗彎曲負(fù)荷性能，為了確保齒輪在工作時(shí)的安全穩(wěn)定性，保證心部硬度具有足夠的強(qiáng)度，應(yīng)選用具有一定淬透性且心部硬度在35HRC～45HRC范圍之內(nèi)的優(yōu)質(zhì)材料。

（2）齒輪材料淬透性的大小決定著齒輪在進(jìn)行熱處理過(guò)程中形變的大小。由于齒輪在進(jìn)行調(diào)質(zhì)前后的內(nèi)部組織含量不同，各種物質(zhì)的比熱容不相同，所以齒輪在進(jìn)行熱處理過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的形狀改變。而淬透性帶的寬度決定著齒輪受熱發(fā)生形變的規(guī)律性，因此為減少形變并使形變具有一定的規(guī)律，應(yīng)選用具有恰當(dāng)淬透性且淬透性帶寬較窄的鋼材齒輪。

1.2 含氧度對(duì)齒輪材料性能的影響

齒輪制作材料中氧氣含量是齒輪純凈度中的重要指標(biāo)。氧氣含量不但影響著齒輪的抗負(fù)荷性能還影響齒輪的熱處理工藝。根據(jù)有關(guān)調(diào)查研究，當(dāng)齒輪材料中的氧氣含量從11@10-6時(shí)，其抗接觸負(fù)荷強(qiáng)度可以達(dá)到最大化；目前為提高齒輪的使用壽命，國(guó)外多采用真空脫氣法來(lái)降低齒輪材料中含氧量，減少齒輪材料與氧氣接觸的面積，降低齒輪材料的氧化程度。

1.3 晶粒度對(duì)齒輪材料性能的影響

齒輪材料的晶粒度大小不僅影響著齒輪的抗負(fù)荷能力，而且也關(guān)系到齒輪在受熱過(guò)程中變形情況[3]。按照嚴(yán)格要求，齒輪材料的晶粒度應(yīng)低于6級(jí)，而且單指本質(zhì)細(xì)顆粒晶粒。晶粒過(guò)于粗大，可能會(huì)導(dǎo)致齒輪材料在熱處理過(guò)程中獲得較大的板條狀馬氏體和針片狀馬氏體，從而降低了齒輪核心部位的硬度和滲層的強(qiáng)韌性，降低齒輪的抗負(fù)荷能力，易使齒輪出現(xiàn)故障并減少齒輪的使用壽命。

2 熱處理工藝對(duì)齒輪材料性能的影響

除了齒輪材料本身的屬性在熱處理過(guò)程中會(huì)對(duì)齒輪材料性能造成一定影響外，熱處理工藝也會(huì)改變齒輪的材料性能；以汽車(chē)齒輪為例，齒輪的熱處理工藝主要包括正火、滲碳、淬火、回火等，其中任何一種工藝都會(huì)對(duì)齒輪材料的性能造成不同程度的影響。

（1）正火工藝對(duì)齒輪材料性能的影響。大多數(shù)齒輪的制作都是采取熱鍛成形的方式，其主要功能是將鍛坯的正火硬度控制在一定范圍之內(nèi)，通常正火硬度為179HB～207HB。鍛坯主要分為正火和等溫正火兩種工藝，其中鍛坯的正火處理環(huán)節(jié)直接影響齒輪的質(zhì)量和各方面的性能。正火處理工藝是將剛剛經(jīng)過(guò)熱處理的鍛件進(jìn)行一定時(shí)間的保溫后再慢慢冷卻到室溫，維護(hù)鍛件性能的穩(wěn)定，避免鍛件受周?chē)淇諝猸h(huán)境的影響從而發(fā)生硬度差別過(guò)大或組織異常的現(xiàn)象。而等溫正火是將剛剛受熱過(guò)的鍛件急速冷卻到等溫轉(zhuǎn)變溫度，金相組織均勻，提高了鍛坯的加工性能，使鍛件的形變更有規(guī)律。但急速冷卻會(huì)使正火組織不良，鍛件出現(xiàn)粒狀貝氏體和針狀鐵素體。

（2）滲碳工藝對(duì)齒輪材料性能的影響。鍛坯經(jīng)過(guò)粗、精加工后制成齒輪，為獲得較好的綜合機(jī)械性能還需要進(jìn)行滲碳熱處理。碳的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，滲碳工藝以氣體滲碳方式為主，通過(guò)滲碳工藝，可以提高齒輪的表面硬度，降低齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦阻力，使齒輪更加的堅(jiān)硬耐磨[2]。并且在齒輪進(jìn)行超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)工作時(shí)能夠提高齒輪的抗接觸負(fù)荷能力和抗彎曲負(fù)荷能力。為了實(shí)現(xiàn)最佳的滲碳效果，應(yīng)選擇合適的滲碳溫度和碳濃度，淬火介質(zhì)以及淬火溫度，以便使齒輪滲碳均勻，性能更加穩(wěn)定。此外，熱處理設(shè)備選擇，合理的工裝設(shè)計(jì)及裝爐方式等也是齒輪滲碳必須考慮的因素，避免出現(xiàn)滲碳層中碳濃度和滲層厚薄不均勻，碳濃度過(guò)高，形成嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物，導(dǎo)致淬火中易產(chǎn)生裂紋。

（3）淬火工藝對(duì)齒輪材料性能的影響。淬火溫度和淬火介質(zhì)及淬火時(shí)間對(duì)齒輪材料性能有一定的影響。齒輪的幾何形狀對(duì)淬火油溫的高低，淬火介質(zhì)的選擇和冷卻速度的快慢要進(jìn)行綜合考慮。淬火油溫過(guò)高，冷卻速度過(guò)快，齒輪易產(chǎn)生淬火裂紋且易變形，出現(xiàn)粗大馬氏體不良組織。影響其材料性能。生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)齒輪的材料性能，技術(shù)要求，齒輪形狀結(jié)構(gòu)和使用性能等因素，合理制定淬火工藝。齒輪滲碳淬火后，應(yīng)及時(shí)回火處理，減少熱應(yīng)力產(chǎn)生。

（4）回火工藝對(duì)齒輪材料性能的影響。齒輪在經(jīng)過(guò)滲碳之后還需要進(jìn)行低溫回火處理，即在齒輪淬火后再進(jìn)行低溫回火，消除齒輪在淬火時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。在齒輪材料淬透性穩(wěn)定的前提下，對(duì)齒輪進(jìn)行回火處理可以使齒輪的強(qiáng)度與韌性更好，提高齒輪的各方面的綜合性能，從而使齒輪具備較高的硬度和優(yōu)良的韌性和塑性，提高齒輪的耐磨性，延長(zhǎng)其使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從齒輪材料的屬性和金屬熱工藝處理技術(shù)兩個(gè)角度出發(fā)分析了影響齒輪材料性能的因素，為齒輪制作行業(yè)提供了科學(xué)的理論分析。希望通過(guò)本文的研究，我國(guó)的齒輪制作廠能夠加強(qiáng)管理，合理的選用最優(yōu)秀的齒輪材料，引進(jìn)先進(jìn)的制作技術(shù)，控制好每一步制作流程，在以提高齒輪的質(zhì)量和各方面性能的前提下，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。