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齿轮的材料及热处理

6. 齿轮的材料及热处理

机械, 机器, 日用品,玩具等领域中广泛使用的齿轮, 其材料也是各种各样。在这里, 我们将向您介绍具有代表性的齿轮用金属材料及其热处理方法。

6-1 具有代表性的齿轮材料

S45C(机械构造用碳素钢)

S45C 是含碳量为 0.45% 的中碳钢(Steel)的代表。因为进货非常容易, 正齿轮,斜齿齿轮,齿条,伞形齿轮,蜗杆等各种齿轮多使用这种材料。

一般热处理及硬度
热处理 硬度
- 194 HB 以下
调质 225 - 260 HB
高频淬火 45 - 55 HRC

SCM440(铬钼合金钢)

含碳量 C = 0.40%, 成份中含有铬 / 钼等成分的中碳合金钢。
比 S45C 的强度高, 通过调质或高频淬火处理可提高硬度。
用来制造各种不同的齿轮。

一般热处理及硬度
热处理 硬度
调质 225 - 260 HB
高频淬火 45 - 60 HRC

SCM415(铬钼合金钢)

低碳合金钢(C = 0.15%)的代表材料。一般情况下, 经渗碳淬火处理后使用。
材料热处理后的强度高于 S45C 及 SCM440。使用表面硬度在 55 ∼ 60HRC 左右。

SUS303(不锈钢:18Cr-8Ni 钢)

不锈钢, 正如其名是不容易生锈的钢(Stainless Steel )。
奥氏体系的不锈钢基本上为非磁性。
不锈钢材的齿轮主要使用在食品机械等需要避免生锈的机械中。
与 SUS303 的成分相似的不锈钢材料还有 SUS304。它的耐蚀性能高于 SUS303。

铸造铜合金

铸造铜合金是制造蜗轮的主要材料。一般有铸造磷青铜(CAC502)铝青铜(CAC702)等。 啮合对手的蜗杆的材料大多使用 S45C/SCM440/SCM415 等钢材。 蜗杆与蜗轮使用不同材料是为了防止蜗杆蜗轮啮合时由于滑动而引起的齿面胶合及过度磨损等。

6-2 具有代表性的热处理

什么是淬火?

为了提高钢材的硬度, 将材料加热到高温(约 800℃)后快速冷却。根据冷却介质, 分为油冷 / 水冷 / 喷射冷却等不同种类。
淬火后的钢材过脆, 为了增加钢材的韧性, 一般需要再进行回火处理。
纯铁即使经过淬火处理也不会变硬。钢材的含碳量在 0.35% 以上的话, 淬火硬化可能。

什么是调质处理?

调质处理是将淬火及高温回火相结合, 调整钢材 ( 钢件 ) 硬度 / 强度 / 靭性的热处理。 因为调质后的材料及制品要进行机械加工, 所以硬度达不到淬火后那么高。

什么是高频淬火?

像 S45C 或 SCM440 这样含碳量在 0.35% 以上的碳素钢, 对其表面进行硬化处理的方法。
要注意的是, 对齿轮进行高频处理后, 会发生齿面及齿顶的硬度达到使用要求, 但齿根部分达不到淬火硬度的情况。硬度低于渗碳淬火处理的硬度。
齿轮经过高频淬火后精度下降。作为高精度齿轮使用时需要对齿轮做磨削加工。

图 6.1 高频淬火炉
图 6.1 高频淬火炉
图 6.2 加热用感应圈
图 6.2 加热用感应圈

什么是渗碳淬火?

渗碳淬火是在低碳钢的表面渗入碳素, 使之成为高含碳量状态的处理。是仅对钢材表面进行硬化的热处理手段。
渗入碳素的表面与芯部(C = 0.15%)的硬度由软到硬连续变化。芯部硬度低于表面。
经过渗碳淬火处理的齿轮容易产生变形(尺寸增大)及扭曲等, 致使齿轮精度下降 1 个等级程度。
要想提高齿轮精度, 需要对齿轮做再次磨削。

图 6.3 浸炭淬火炉
图 6.3 浸炭淬火炉

什么是氮化处理?

氮化是将氮扩散渗入到钢的表面以提高表面硬度的热处理方法。含有铝,铬,钼的钢材容易达到氮化目的, 表面硬度提高。 具有代表性的氮化钢有 SACM645(铝铬钼钢)。

图 6.4 渗碳淬火的渗碳层
图 6.4 渗碳淬火的渗碳层

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