合金材料中不同金屬元素對(duì)齒輪機(jī)械性能和熱處理的影響

劉富金，謝世杰

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六四大隊(duì)，江西 贛州 341000）

齒輪是機(jī)械傳動(dòng)中不可或缺的部分，齒輪的機(jī)械性能直接影響機(jī)械設(shè)備的整體效果，其中齒輪合金材料的選擇作為齒輪制造最基礎(chǔ)的部分，將直接影響所有的后續(xù)結(jié)果。而齒輪加工中熱處理工藝作為決定齒輪綜合性能的最終處理工藝，也會(huì)因不同的合金材料而產(chǎn)生不同的效果。將合金材料進(jìn)行熱處理會(huì)改變其形成結(jié)構(gòu)[1]。合金微型結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)齒輪表面的強(qiáng)度以及使用過(guò)程中的機(jī)械性能造成影響。所以齒輪制造對(duì)金屬材料有很高的要求，金屬的成分直接影響了齒輪的機(jī)械性能和使用壽命。

1 不同合金材料中金屬元素對(duì)齒輪機(jī)械性能的影響

為深入研究不同合金材料的組成配比對(duì)齒輪機(jī)械性能的影響，選取工業(yè)常用的20CrMnTi和20CrNiMo這兩種材料作為研究對(duì)象，從齒輪最為關(guān)注的機(jī)械性能、耐磨損性?xún)蓚€(gè)方面探究錳、鉻、鈦、鎳等金屬元素對(duì)整體材料的影響。

1.1 機(jī)械性能的影響

20CrMnTi和20CrNiMo都是一種優(yōu)質(zhì)韌性耐磨材料，具有較高的強(qiáng)度的同時(shí)又具有很好的塑性和韌性，表現(xiàn)出很好的綜合機(jī)械性能，常用于制造齒輪等承重、磨損類(lèi)零件[2]。20CrMnTi和20CrNiMo不銹鋼作為高合金材料，鉻的含量較高，鉻的作用是讓材料具有耐腐蝕性，并提高合金的抗拉強(qiáng)度和硬度；錳能提高鋼的淬透性，并在熱處理中起到細(xì)化晶粒的作用，從而增加合金的強(qiáng)度，但同時(shí)會(huì)提高合金的過(guò)熱敏感性和回火脆性；鈦的作用是增強(qiáng)材料的低溫沖擊韌性，當(dāng)鈦元素含量達(dá)到0.018%時(shí)，材料的沖擊韌性值達(dá)到最優(yōu)指標(biāo)，微量的鈦（0.03%～0.1%）使屈服點(diǎn)有所提高；鎳能強(qiáng)化鐵素體并細(xì)化和增多珠光體從而提高合金的強(qiáng)度，同時(shí)提高合金的疲勞抗力；鉬對(duì)鐵素體有固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)也提高了碳化物的穩(wěn)定性，從而提高鋼的強(qiáng)度，并能改善合金的延展性、韌性及耐磨性。

1.2 耐磨損性影響

材料的耐磨損性主要取決于硬度指標(biāo)。在不同的冷卻速度下，材料體現(xiàn)的硬度值存在較大差異。貝氏體和馬氏體組織比例決定了材料的硬度[3]。20CrMnTi受鈦元素的影響，在表現(xiàn)出優(yōu)異韌性值的同時(shí)，其硬度值普遍偏低，在冷速介于16.7℃/s～46.7℃/s，貝氏體與馬氏體的組成比例為20%～80%，其硬度值為322HV。20CrNiMo在同等的冷速條件下，貝氏體組織比例降至15%，馬氏體組織提高到85%，材料的硬度提高到411 HV，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化硬度。

2 不同合金材料中金屬元素對(duì)齒輪熱處理性能的影響

熱處理是指材料在固態(tài)下，通過(guò)加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預(yù)期組織和性能的一種金屬熱加工工藝。其中淬透性是齒輪熱處理過(guò)程中合金材料的一項(xiàng)重要指標(biāo)。淬透性是指在規(guī)定條件下用試樣淬透層深度和硬度分布來(lái)表征的材料特征，它主要取決于材料的臨界淬火冷速的大小，而臨界冷卻速度則主要取決于過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性。在齒輪加工的熱處理工藝中，為了提高耐磨性和抗咬合性，讓材料不易變形同時(shí)提高表面硬度，將鋼奧氏體化后以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度冷卻，使工件在橫截面內(nèi)全部或一定的范圍內(nèi)發(fā)生馬氏體等不穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變[4]。

材料的淬透性是材料本身所固有的屬性，它只取決于其本身的內(nèi)部因素，而與外部因素?zé)o關(guān)。材料的淬透性主要取決于它的化學(xué)成分，特別是含增大淬透性的合金元素，其次和晶粒度，加熱溫度和保溫時(shí)間等因素有關(guān)。

淬透性好的材料，可使材料整個(gè)截面獲得均勻一致的力學(xué)性能以及可選用淬火應(yīng)力小的介質(zhì)，以減少變形和開(kāi)裂。

鉻、錳、鈦、鎳、鉬等金屬元素均有提高合金淬透性的作用，不同金屬之間會(huì)相互影響并且還影響其他熱處理過(guò)程，例如鉬能提高合金的淬透性，其作用較鉻強(qiáng)而弱于錳，但當(dāng)鉬與鉻、錳并存時(shí)能降低或抑制因其他元素所導(dǎo)致的回火脆性。又如在金屬元素配比中以千分之一的比例增加鎳的含量，研究發(fā)現(xiàn)，隨著鎳含量的增多，材料的淬透性能得以?xún)?yōu)化，在鉻-鎳-錳的含量達(dá)到1.02%～0.02%～0.16%時(shí)，材料的淬透性達(dá)到43.6，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。

圖1 兩種合金材料的檢測(cè)結(jié)果對(duì)照

3 實(shí)例分析

我公司生產(chǎn)某型號(hào)電機(jī)軸，原圖要求使用20CrNiMo材料，因考慮經(jīng)濟(jì)成本等因素，將材料替換成20CrMnTi進(jìn)行驗(yàn)證，樣品經(jīng)客戶(hù)使用并測(cè)試，機(jī)械性能完全符合要求，但是在加工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，20CrMnTi材料所加工產(chǎn)品熱變形較大，電機(jī)軸齒部齒形、齒向和齒距累積公差均不如20CrNiMo穩(wěn)定，但是處于質(zhì)量要求范圍內(nèi)。證明20CrMnTi材料在該型電機(jī)軸產(chǎn)品上可替換20CrNiMo材料，如圖1所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)探討合金材料中不同金屬材料對(duì)齒輪的機(jī)械性能和熱處理性能的影響的原理，通過(guò)實(shí)例證明不同合金材料在制造齒輪中的差異。

總而言之，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要綜合考慮質(zhì)量要求，經(jīng)濟(jì)效率等因素，合理選擇合金材料原料，以使得經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。