金屬熱處理工藝對齒輪材料性能的影響

廖曉文，賴香功

（贛州核力機械股份有限公司，江西 贛州 341000）

齒輪是汽車、機械表等輪緣上有齒輪連續嚙合傳遞運動和動力的重要傳動元件，在機械運動中，齒輪的質量直接影響機械運行時發出的噪音和工作安全。齒輪的應用范圍廣泛，大多數傳動機械設備中都有齒輪的存在，其中汽車用齒輪受到國內外教授的密切關注[1]。隨著人們生活水平的提高，汽車擁有率逐漸上升，市場對齒輪的需求量也逐漸擴大，與此同時對齒輪的質量和性能要求也越來越嚴格。為了保證人們駕車行駛的安全和其他機械運轉的穩定，一方面要求齒輪具有更高的強度、韌性和塑性，使齒輪在超負荷狀態下能夠安全穩定地工作。另一方面又要求齒輪制作引進新工藝，節約制作的經濟成本。本文重點研究金屬熱處理工藝對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兩個角度出發，分析影響齒輪材料性能的因素，以便使齒輪制作行業有更好的發展，實現齒輪制作的高質量低成本，進一步提高齒輪制作的效率。

1 材料本身屬性對齒輪材料性能的影響

大多數齒輪的制作材料分為鋁，鋼，鈦三種，三種材料的性質對比如下表1所示。

表1 鋁、鋼、鈦的性質對比表

根據多次實驗的結果顯示，齒輪材料本身具有的特殊屬性在熱處理過程中對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 淬透性對齒輪材料性能的影響

齒輪淬透性是決定齒輪質量的關鍵指標因素，決定著齒輪各方面的性能[1]。淬透性對齒輪性能的影響包括在以下幾個方面。

（1）淬透性鋼材齒輪具有獨特的淬透能力，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荷性能和抗彎曲負荷性能，為了確保齒輪在工作時的安全穩定性，保證心部硬度具有足夠的強度，應選用具有一定淬透性且心部硬度在35HRC～45HRC范圍之內的優質材料。

（2）齒輪材料淬透性的大小決定著齒輪在進行熱處理過程中形變的大小。由于齒輪在進行調質前后的內部組織含量不同，各種物質的比熱容不相同，所以齒輪在進行熱處理過程中會出現一定的形狀改變。而淬透性帶的寬度決定著齒輪受熱發生形變的規律性，因此為減少形變并使形變具有一定的規律，應選用具有恰當淬透性且淬透性帶寬較窄的鋼材齒輪。

1.2 含氧度對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。氧氣含量不但影響著齒輪的抗負荷性能還影響齒輪的熱處理工藝。根據有關調查研究，當齒輪材料中的氧氣含量從11@10-6時，其抗接觸負荷強度可以達到最大化；目前為提高齒輪的使用壽命，國外多采用真空脫氣法來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荷能力，而且也關系到齒輪在受熱過程中變形情況[3]。按照嚴格要求，齒輪材料的晶粒度應低于6級，而且單指本質細顆粒晶粒。晶粒過于粗大，可能會導致齒輪材料在熱處理過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韌性，降低齒輪的抗負荷能力，易使齒輪出現故障并減少齒輪的使用壽命。

2 熱處理工藝對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程中會對齒輪材料性能造成一定影響外，熱處理工藝也會改變齒輪的材料性能；以汽車齒輪為例，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對齒輪材料的性能造成不同程度的影響。

（1）正火工藝對齒輪材料性能的影響。大多數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，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節直接影響齒輪的質量和各方面的性能。正火處理工藝是將剛剛經過熱處理的鍛件進行一定時間的保溫后再慢慢冷卻到室溫，維護鍛件性能的穩定，避免鍛件受周圍冷空氣環境的影響從而發生硬度差別過大或組織異常的現象。而等溫正火是將剛剛受熱過的鍛件急速冷卻到等溫轉變溫度，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律。但急速冷卻會使正火組織不良，鍛件出現粒狀貝氏體和針狀鐵素體。

（2）滲碳工藝對齒輪材料性能的影響。鍛坯經過粗、精加工后制成齒輪，為獲得較好的綜合機械性能還需要進行滲碳熱處理。碳的化學性質非常穩定，滲碳工藝以氣體滲碳方式為主，通過滲碳工藝，可以提高齒輪的表面硬度，降低齒輪在運轉時的摩擦阻力，使齒輪更加的堅硬耐磨[2]。并且在齒輪進行超負荷運轉工作時能夠提高齒輪的抗接觸負荷能力和抗彎曲負荷能力。為了實現最佳的滲碳效果，應選擇合適的滲碳溫度和碳濃度，淬火介質以及淬火溫度，以便使齒輪滲碳均勻，性能更加穩定。此外，熱處理設備選擇，合理的工裝設計及裝爐方式等也是齒輪滲碳必須考慮的因素，避免出現滲碳層中碳濃度和滲層厚薄不均勻，碳濃度過高，形成嚴重的網狀碳化物，導致淬火中易產生裂紋。

（3）淬火工藝對齒輪材料性能的影響。淬火溫度和淬火介質及淬火時間對齒輪材料性能有一定的影響。齒輪的幾何形狀對淬火油溫的高低，淬火介質的選擇和冷卻速度的快慢要進行綜合考慮。淬火油溫過高，冷卻速度過快，齒輪易產生淬火裂紋且易變形，出現粗大馬氏體不良組織。影響其材料性能。生產中，應根據齒輪的材料性能，技術要求，齒輪形狀結構和使用性能等因素，合理制定淬火工藝。齒輪滲碳淬火后，應及時回火處理，減少熱應力產生。

（4）回火工藝對齒輪材料性能的影響。齒輪在經過滲碳之后還需要進行低溫回火處理，即在齒輪淬火后再進行低溫回火，消除齒輪在淬火時產生的內應力。在齒輪材料淬透性穩定的前提下，對齒輪進行回火處理可以使齒輪的強度與韌性更好，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良的韌性和塑性，提高齒輪的耐磨性，延長其使用壽命。

3 結語

本文從齒輪材料的屬性和金屬熱工藝處理技術兩個角度出發分析了影響齒輪材料性能的因素，為齒輪制作行業提供了科學的理論分析。希望通過本文的研究，我國的齒輪制作廠能夠加強管理，合理的選用最優秀的齒輪材料，引進先進的制作技術，控制好每一步制作流程，在以提高齒輪的質量和各方面性能的前提下，節約經濟成本，避免不必要的經濟損失。