浅谈齿轮的材料选用

齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件，在金属切削机床、工程机械、冶金机械以及汽车、仪器仪表、家用电器等都有齿轮传动。齿轮传动通过轮齿互相啮合来传递空间任意两轴间的运动和动力，并借以改变运动的形式和速度。齿轮传动使用范围广，传动比恒定，效率较高，使用寿命长。

目前，工业制造领域的齿轮选材主要以钢为主，包括各种低碳钢、中碳钢、高碳钢和合金钢。通常，为了改善和提高齿轮材料的性能或降低成本，可以采用化学热处理、表面强化处理以及复合处理等表面改性技术。选取齿轮材料要充分考虑材料的经济性、强度和齿轮精度等，不同的用途其要求也大为不同。就仪器设备、家用器具、玩具等小负荷齿轮而言，可以选择造价低、生产率高的复合塑料齿轮。而坦克、冷轧机等重负荷执行机械，则需要材料及加工要求更高的各种金属和合金材料。如果在航空航天工业中应用，则要求更高的可靠性、精度和轻重量，而制造成本则放在次要位置。

1、钢材

齿轮用钢多为合金钢，少数为碳钢，包括调质钢、淬火钢、渗碳淬火钢和渗氮钢。为满足零件的使用性能要求，可以对中碳钢和低合金钢进行各种热处理以提高其强度和硬度。表面硬化处理也可提高合金钢齿轮材料的强度，使其适用于高负载和中等温度使用的工况。而当齿轮的使用条件进一步提高时，往往需要对齿轮进行淬火以提高其强度和硬度，或通过表面渗碳及表面氧化处理使齿轮表面硬化，以提高其抗疲劳性能，改善其抗胶合和抗磨损性能。就发展趋势而言，应大力推广使用强度和硬度较高的硬齿面齿轮，并通过优化齿轮选材及润滑方式来延长齿轮的使用寿命。钢材的韧性好，耐冲击，还可以通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提高齿面硬度，故最适应于用来制造齿轮。

(2) 锻钢

除尺寸过大或者是结构形状复杂只宜铸造者外，一般都用锻钢制造齿轮，常用的是含碳量在(0.15～0.6)%的碳钢或合金钢。制造齿轮的锻钢可分为：软齿面齿轮（硬度≤350HB）：由于对强度、速度及精度要求都不高，为便于切齿，并使刀具不致迅速磨损变钝，应将齿轮毛坯经过正火或调质处理后切齿，切齿后即为成品，即：毛坯——正火或调质——切齿，其精度一般为8级，精切时可达7级，这类齿轮制造简便、经济、生产效率高。硬齿面齿轮（硬度＞350HB）：适用于高速、重载及精密机器（如精密机床、航空发动机），除要求材料性能优良，轮齿具有高强度及齿面具有高硬度（如58～65HRC）外，还应进行磨齿等精加工。需精加工的齿轮目前多是先切齿，再做表面硬化处理，最后进行精加工，即：切齿——表面硬化处理——精加工，精度可达5级或4级。这类齿轮精度高，价格较贵。合金钢根据所含金属的成分及性能，可分别使材料的韧性、耐冲击、耐磨及抗胶合的性能等获得提高，也可通过热处理或化学热处理改善材料的力学性能及提高齿面的硬度。对于高速、重载而又要求尺寸小、质量小的航空用齿轮，通常选用性能优良的合金钢（如20CrMnTiH、20Cr2Ni4A等）来制造。