齒輪材料的合理選擇

齒輪是現代機械中應用最廣泛的一種機械傳動零件。齒輪傳動通過輪齒互相嚙合來傳遞空間任意兩軸間的運動和動力，並可以改變運動的形式和速度。齒輪傳動使用範圍廣，傳動比恆定，效率較高，使用壽命長。
在機械零件產品的設計與製造過程中，不僅要考慮材料的性能能夠適應零件的工作條件，使零件經久耐用，而且要求材料有較好的加工工藝性能和經濟性，以便提高零件的生產率，降低成本，減少消耗。如果齒輪材料選擇不當，則會出現零件的過早損傷，甚至失效。因此如何合理地選擇和使用金屬材料是一項十分重要的工作。

滿足材料的機械性能

材料的機械性能包括強度、硬度、塑性及韌性等，反映材料在使用過程中所表現出來的特性。齒輪在嚙合時齒面接觸處有接觸應力，齒根部有最大彎曲應力，可能產生齒面或齒體強度失效。齒面各點都有相對滑動，會產生磨損。齒輪主要的失效形式有齒面點蝕、齒面膠合、齒麵塑性變形和輪齒折斷等。因此要求齒輪材料有高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，齒面要有足夠的硬度和耐磨性，芯部要有一定的強度和韌性。

例如，在確定大、小齒輪硬度時應注意使小齒輪的齒面硬度比大齒輪的齒面硬度高30-50HBS，這是因為小齒輪受載荷次數比大齒輪多，且小齒輪齒根較薄，強度低於大齒輪。為使兩齒輪的輪齒接近等強度，小齒輪的齒面要比大齒輪的齒面硬一些。

另一方面，根據材料的使用性能確定了材料牌號后。要明確材料的機械性能或材料硬度，然後我們可以通過不同的熱處理工藝達到所要求的硬度範圍，從而賦予材料不同的機械性能。如材料為40Cr合金鋼的齒輪，當840-860℃油淬，540-620℃回火時，調質硬度可達28-32HRC，可改善組織、提高綜合機械性能；當860-880℃油淬，240—280℃回火時，硬度可達46-51HRC，則鋼的表面耐磨性能好，芯部韌性好，變形小；當500-560℃氮化處理，氮化層0.15-0.6mm時，硬度可達52-54HRC，則鋼具有高的表面硬度、高的耐磨性、高的疲勞強度，較高的抗蝕性和抗膠合性能且變形極小；當通過電鍍或表面合金化處里后，則可改善齒輪工作表面摩擦性能，提高抗腐蝕性能。

滿足材料的工藝性能

材料的工藝性能是指材料本身能夠適應各種加工工藝要求的能力。齒輪的製造要經過鍛造、切削加工和熱處理等幾種加工，因此選材時要對材料的工藝性能加以注意。一般來說，碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好，其機械性能可以滿足一般工作條件的要求。但強度不夠高，淬透性較差。而合金鋼淬透性好、強度高，但鍛造、切削加工性能較差。我們可以通過改變工藝規程、熱處理方法等途經來改善材料的工藝性能。

例如汽車變速箱中的齒輪選擇20CrMnTi鋼，該鋼具有較高的機械性能，在滲碳淬火低溫回火后，表面硬度為58-62HRC，芯部硬度為30-45HRC。20CrMnTi的工藝性能較好，鍛造后以正火來改善其切削加工性。此外，20 CrMnTi還具有較好的淬透性，由於合金元素鈦的影響，對過熱不敏感，故在滲碳后可直接降溫淬火。且滲碳速度較快，過渡層較均勻，滲碳淬火后變形小。適合於製造承受高速中載及衝擊、摩擦的重要零件，因此根據齒輪的工作條件選用20CrMnTi鋼是比較合適的。

材料的經濟性要求

所謂經濟性是指最小的耗費取得最大的經濟效益。在滿足使用性能的前提下，選用齒輪材料還應注意盡量降低零件的總成本。我們可以從以下幾方面考慮：

從材料本身價格來考慮。碳鋼和鑄鐵的價格是比較低廉的，因此在滿足零件機械性能的前提下選用碳鋼和鑄鐵，不僅具有較好的加工工藝性能，而且可降低成本。從金屬資源和供應情況來看，應儘可能減少材料的進口量及價格昂貴材料的使用量。

從齒輪生產過程的耗費來考慮。首先，採用不同的熱處理方法相對加工費用也不一樣，如12CrNi3A鋼滲碳表面淬火的費用

要比氮化處理的費用少得多，而碳氮共滲又具有生產周期短和成本低的特點。其次，通過改進熱處理工藝也可以降低成本。如某齒輪工作時在高速、中載且承受中等衝擊條件下，原選用中合金高級滲碳鋼18cr2Ni4WA材料，其經過910-940℃滲碳，850℃淬火，180-200℃回火后機械性能的抗拉強度≥1177Mpa、屈服強度≥834Mpa、延伸率≥10％、斷面收縮率≥45％，衝擊韌性≥980kJ／m2，硬度為58-62HRC。雖能滿足齒輪的使用性能和工藝性能，但零件的價格高。現選用價格相對便宜的低碳中合金、中淬透性滲碳鋼20CrMnTi。經過910-940℃滲碳，870℃淬火，180-200℃回火后機械性能的抗拉強度≥1100Mpa、屈服強度≥850Mpa、延伸率≥10％、斷面收縮率≥45％，衝擊韌性≥680，硬度為58-62HRC。僅此一項改進，材料費用不僅大大降低，而且滿足了其使用性能和工藝性能。第三，所選鋼種應盡量少而集中，以便採購和管理。隨著齒輪形狀、尺寸和材料向著多品種、多系列和個性化的方向發展，尤其是在型號多、產量小時，在齒輪鍛造、機加工和熱處理等生產工藝方面，存在著設計量大，生產周期長、效率低、成本高、能耗大、管理難和質量不易保證等不利狀況，因此在齒輪選材時精選、優選和壓縮材料牌號和規格有利於提高選材通用化、系列化和標準化程度，提高材料的利用率，提高材料採購的計劃性，以減少庫存積壓、加快資金流動，方便儲存和保管以及降低材料的成本消耗。最後，我們還可以通過改進工藝來提高經濟效益。如模鍛件生產的模鍛工藝已突破傳統工藝的要求，在提供成型毛坯時，可利用少無切削工藝，模鍛與機械精加工相結合，部分或全部取代切削加工直接生產零件，或在生產中採用成組技術與工藝，也可提高產品質量、生產效率和降低成本。

結束語

綜上所述，在選擇齒輪材料時。必須了解我國工業發展形式，結合我國資源和生產條件，從實際出發，全面考慮機械性能、工藝性能和經濟性等方面的問題，只有合理選材才能保證齒輪質量、降低產品成本，從而提高市場競爭力。