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齒輪材料的合理選擇及熱處理

點擊數:1638發布:2019-01-07 來源: 尊龍人生就是博舊版機械廠/機械手/電加熱元件/機床大修/齒輪/花鍵軸

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齧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,傳動比恒定,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。 
 齒輪材料的選擇和齒輪的工作可靠性、使用壽命、工作效率、潤滑要求等密切相關。在齒輪傳遞動力和改變速度的運動過程中,齧合齒麵之間同時存在滾動和滑動摩擦,齒麵還受到脈動或交變彎曲應力的作用,還有齒麵可能發生磨損、膠合及疲勞破壞,因此要求齒輪具有優良的耐磨性能、抗接觸疲勞性能和抗彎曲疲勞性能,即要求齒輪材料表麵硬度高、強度高、芯部韌性好且硬化層分布合理。在實際選用中還應根據需要和使用條件如負荷、速度、溫度、可靠性、質量、精度、價格等因素來確定齒輪選材。  目前,工業製造領域的齒輪選材主要以鋼為主,包括各種低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼和合金鋼。而鋁、鎂、鈦、銅合金、鑄鐵,甚至塑料和木材等都可用於製作齒輪。通常,為了改善和提高齒輪材料的性能或降低成本,可以采用化學處理、表麵強化處理以及複合處理等表麵改性技術。   選取齒輪材料要充分考慮材料的經濟性、強度和齒輪精度等,不同設備的需求自然也大為不同。就儀器設備、家用器具、玩具等小負荷齒輪而言,可以選擇造價低、生產率高的複合塑料齒輪。 而坦克、冷軋機等重負荷執行機械,則需要材料及加工要求更高的各種金屬和合金材料。如果在航空航天工業中應用,則要求更高的可靠性、精度和輕重量,製造成本放在次要位置。  下麵就主要幾類齒輪材料一一進行分析:
  1、鋼材  齒輪用鋼多為合金鋼,少數為碳鋼。通常為降低成本,可以對中碳鋼和低合金鋼進行各種熱處理以提高其強度和硬度。表麵硬化處理亦可提高合金鋼齒輪材料的強度,使其適用於高負載和中等溫度使用的工況。而當齒輪的使用條件進一步提高時,往往需要對齒輪進行淬火以提高其強度和硬度。或通過表麵滲碳及表麵氧化處理事齒輪表麵硬化,以提高其抗疲勞性能,改善其抗膠合和抗磨性能。就發展趨勢而言,應大力推廣使用強度和硬度較高的硬齒麵齒輪,並通過優化齒輪選材及潤滑方式來延長齒輪的使用壽命。 
  2、鑄鐵  常用的鑄鐵主要包括:灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可煆鑄鐵和合金鑄鐵等4種。與鋼相比較,鑄鐵的合金成分較低,加工性能更好。鑄鐵中存在的遊離石墨和多孔性結構使齒輪的耐磨性良好、噪音小、成本低,可以廣泛應用於各類齒輪傳動。由於鑄鐵具有的良好滑動特性,在許多負荷不大、工作條件不苛刻的渦輪傳動中可用鑄鐵渦輪替換銅合金渦輪。總而言之,鑄鐵是經濟適用的齒輪材料。 
 3、有色金屬   齒輪工業中應用最多的是有色金屬為銅和銅合金。其中常用的是錫青銅和鋁鐵青銅,大多數用於製造渦輪。但含硫添加劑對銅具有腐蝕作用,應盡量慎用。另外,強度較高和機械加工性能較好的鑄造鋁合金適合製作齒輪或渦輪,但滑動性和抗磨性能稍差,因此僅可用於輕、中負荷和中低轉速齒輪。
  4、非金屬材料 目前,隨著材料科學的飛速發展,不少非金屬材料也越來越多的應用在齒輪產品的製作上,並且某些性能接近或超過了金屬材料。比如,過去在較低負荷下使用的木材齒輪,已逐漸被部分聚合物複合材料成功替代,用於製作輕負荷、中負荷條件下運行的中小型齒輪。高聚合物材料在製作中引入了金屬、金屬氧化物、納米微粒、增強纖維等,可以大幅度提高在各種潤滑條件下的抗摩擦磨損性能。特別是某些要求無油潤滑、可靠性高、汙染小等條件的領域,如家用電器、醫療器械、食品機械和紡織機械等則更適合以聚合物複合材料製作的齒輪。此外,大批量的生產塑料或塑料金屬齒輪可以有效降低生產成本,並且更適用於存在汙染及多粉塵的不利環境。
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