淺談合金材料中不同金屬元素對齒輪機械性能和熱處理的影響

仇 朋

（萊蕪鋼鐵集團粉末冶金有限公司，山東 濟南 271104）

齒輪屬于高強度、高精度元件，在生產制造過程中，機械性能以及熱處理性能是兩個重要的技術參數。近年來，隨著工業生產現代化水平的逐年提升，新技術、新材料、新工藝應運而生，尤其生產齒輪的合金材料，其中的金屬元素種類不斷增加，這些金屬元素在改善齒輪的機械性能，延長齒輪使用壽命等方面發揮了積極的促進作用，進而為生產企業創造了更多的經濟效益。

1 合金材料中不同金屬元素對齒輪機械性能的影響分析

1.1 不同金屬元素的機械性能分析

20CrMnTi 與20CrNiMo 合金鋼材料強度高、塑性好、韌性優良，屬于優質的耐磨材料，因此，在生產齒輪等易磨損類元件當中得到普遍應用。這兩種材料中鉻的含量較高，它在合金鋼中的作用主要是提高鋼的強度與硬度，使鋼材料具有良好的抗腐蝕性與抗氧化性，并阻止石墨化，提高淬透性。錳在合金鋼中的主要作用是提高低碳與中碳珠光體鋼的強度以及鋼材料的高溫瞬時強度，并且在熱處理工序中起到細化晶粒的作用。鈦在合金鋼中的主要作用是改善鋼的熱強性，提高鋼的抗蠕變性與高溫持久強度，使合金材料在高壓下對氫的穩定性達到600℃以上，據試驗數據表明，當合金材料中的鈦元素含量達到0.018%時，材料的沖擊韌性值達到最高，當鈦元素含量在0.03—0.1%之間時，合金材料的屈服點也將大幅提升，而且鈦元素能夠有效阻止高溫下的石墨化現象。鎳元素在合金材料中的主要作用是提高鋼的強度、低溫韌性以及抗腐蝕能力，并有效改善鋼的加工性與可焊性。而鉬元素在合金鋼中的主要作用是提高鋼的熱強性與淬透性，同時對鐵素體具有固溶強化作用[1]。

1.2 對齒輪耐磨損性的影響

齒輪耐磨損性的一個重要指標是硬度指標，隨著加工溫度的變化，合金材料的硬度值也出現較大波動，而作為決定合金材料硬度的貝氏體與馬氏體組織，其比例多少將直接影響齒輪成品的硬度。20CrMnTi 合金材料中含有鈦元素，由于鈦元素韌性值較高，但是硬度值卻相對較低，當加工生產的冷卻速度介于16.7℃與46.7℃之間時，合金材料中的貝氏體與馬氏體的組成比例介于20%—80%之間，此時，合金材料的硬度值為322HV。而20CrNiMo 合金材料在相同的生產加工條件下，貝氏體組織比例下降到15%，馬氏體組織比例提升至85%，此時，合金材料的硬度值為411HV，由此可見，20CrNiMo 合金材料對提高齒輪硬度具有顯著效果。

2 不同金屬元素對齒輪熱處理性能的影響分析

2.1 鋼的淬透性定義

淬透性是利用試樣淬透層深度與硬度分布來表征的材料特征，它與合金材料的臨界淬火冷卻速度存在直接關聯。其淬透層深度是指由鋼表面量到鋼的半馬氏體區組織處的深度，其中半馬氏體是指組織中的馬氏體含量占50%，珠光體組織占50%的組織，而個別鋼種需要量到90%或者95%的半馬氏體組織處。淬硬層深度越大，就表明鋼的淬透性越好。

此外，影響鋼材料淬透性的主要因素包括化學成分影響、奧氏體晶粒大小的影響、奧氏體均勻程度的影響等。其中，化學成分影響主要是指碳元素含量多少決定鋼材料淬透性的高低，當碳含量小于0.77%時，臨界冷卻速度明顯降低，此時，碳曲線右移，鋼的淬透性增大，當碳元素含量超過0.77%時，鋼的冷卻速度提升，碳曲線左移，此時，鋼的淬透性下降。奧氏體晶粒大小的影響主要是實際晶粒度對鋼的淬透性產生較大影響，粗大的奧氏體，降低鋼的臨界冷卻速度，鋼的淬透性增大，但是，隨著奧氏體晶粒的增大，鋼材料也極易發生變形或者開裂現象。奧氏體均勻程度的影響是指在相同冷卻速度條件下，奧氏體成分越均勻，珠光體形核率越低，此時鋼的淬透性也逐步提升[2]。

2.2 不同金屬元素對齒輪淬透性的影響

淬透性是齒輪熱處理過程中合金材料的一項重要指標，在齒輪的加工生產過程中，為了提高齒輪的耐磨性以及抗咬合性，防止合金材料變形，可以將鋼奧氏體溶化后，調整冷卻速度，使合金材料中馬氏體組織結構發生轉變。

由于20CrMnTi 與20CrNiMo 合金材料中包括錳、鉻、鈦、鎳、鉬等金屬元素，而這些元素都能夠提高合金鋼的淬透性，比如以鉬元素為例，在提高合金鋼淬透性方面的優勢明顯高于鉻元素，但是，當鉻、錳、鉬三種元素并存于合金材料中時，能夠有效抑制和降低因其它金屬元素而造成的回火脆性。而對于鎳元素來說，也是提高鋼材料淬透性的單體金屬元素，經過現場試驗驗證，如果在配比合金材料時，將鎳元素的含量以千分之一的比例依次增加，隨著鎳元素含量的增加，合金材料的淬透性也逐漸提高。

3 結語

綜上，20CrMnTi 與20CrNiMo 相比對，利用20CrMnTi合金材料生產的齒輪，熱變形較大，齒形、齒向、齒距累積公差等技術參數均不理想，因此，在生產制造齒輪時，20CrMnTi 合金材料是較為理想的首選材料。