齒輪用鋼的熱處理特性
一、引言
齒輪作為減速機中的重要部件,其性能在很大程度上取決于所用鋼材的熱處理特性。深入了解這些特性對于設(shè)計和制造高質(zhì)量的齒輪具有重要意義。
二、齒輪用鋼的熱處理特性
(一)淬透性 指鋼接受淬火而獲得馬氏體的能力,不同鋼種接受淬火的能力不同,淬透性不同的鋼,淬火后得到的淬透層深度不同,從而沿斷面分布的金相組織以及力學(xué)性能也不同。淬透層深度是指由淬火表面馬氏體到 50%馬氏體層的深度。全部淬透的工件通常表面殘留著拉應(yīng)力,容易產(chǎn)生變形和開裂,同時對工件的疲勞性能也不利。
設(shè)計時考慮要點:
1. 零件尺寸越大內(nèi)部熱容量越大,淬火時零件的冷卻速度越慢,因此淬透層越薄,性能越差,這種現(xiàn)象叫作“鋼材的尺寸效應(yīng)”。所以,查閱手冊時不能根據(jù)小尺寸的性能數(shù)據(jù)用于大尺寸零件的強度計算,而必須考慮鋼材的淬透性。
2. 大斷面或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的齒輪采用多元合金,保證足夠而適當?shù)拇阃感?,保證沿整個斷面有良好的綜合力學(xué)性能,同時,減少變形,防止開裂,保證在減速機中的良好運行。
3. 對碳鋼齒輪,由于碳鋼的淬透性低,在設(shè)計大尺寸時,正火和調(diào)質(zhì)效果相似,而正火可降低成本,所以不必要求調(diào)質(zhì)。
4. 大模數(shù)調(diào)質(zhì)齒輪由于受到鋼材淬透性的限制,應(yīng)當先開齒后調(diào)質(zhì)。
(二)淬硬性 指鋼在正常淬火條件下,以超過臨界冷卻速度所形成馬氏體組織能夠達到的最高硬度。淬硬性與淬透性不同,它主要取決于鋼中的碳含量。鋼中碳含量越高,淬火后硬度越高,而與合金元素關(guān)系不大。所以,淬火硬度高的鋼不一定就淬透性高,而硬度低的鋼,也可能具有高的淬透性。
(三)過熱敏感性 指鋼淬火加熱時奧氏體晶粒發(fā)生長大的敏感性。奧氏體晶粒長大往往使鋼材的力學(xué)性能降低,特別是沖擊韌度變壞,淬火時也容易形成裂紋。本質(zhì)粗晶粒鋼的過熱敏感性大,本質(zhì)細晶粒鋼只有加熱到 930 - 950°C 以上時晶粒才顯著長大。奧氏體晶粒
(四)回火穩(wěn)定性 指回火時減慢鋼的組織和性能的變化,使鋼的淬火硬度能保持到較高的回火溫度而不下降。回火穩(wěn)定性好的鋼可在較高的溫度回火,使韌性提高,內(nèi)應(yīng)力消除完善。合金鋼的回火穩(wěn)定性比碳素鋼好,因此要達到同一回火硬度時,合金鋼的回火溫度可以比碳鋼高,故合金鋼的內(nèi)應(yīng)力比碳鋼小,韌性比碳鋼好。
(五)變形開裂傾向 指鋼在加熱和冷卻過程中產(chǎn)生熱應(yīng)力和組織應(yīng)力,其綜合作用超過鋼的屈服強度或抗拉強度而產(chǎn)生變形開裂的傾向。
設(shè)計時考慮要點:
1. 設(shè)計齒輪時,在結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量避免尖角和厚薄斷面的突然變化。
2. 采用緩和的淬火介質(zhì)或淬火方法。引起尺寸變化的主要原因是內(nèi)應(yīng)力的存在及組織中殘余奧氏體的分解,因此設(shè)計精密齒輪時應(yīng)當要求穩(wěn)定化處理,如淬火后進行冷處理或低溫時效,使馬氏體趨于穩(wěn)定并減少內(nèi)應(yīng)力,以使齒輪尺寸穩(wěn)定。
(六)尺寸穩(wěn)定性 指零件在長期存放或使用中尺寸穩(wěn)定不變的性能。這對精密齒輪是很重要的。
(七)回火脆性 指鋼在某一溫度范圍回火所發(fā)生的沖擊韌性降低現(xiàn)象,產(chǎn)生回火脆性的鋼,不僅室溫下的沖擊韌性較正常鋼為低,而且使鋼的冷脆溫度大為提高。
設(shè)計時考慮要點:
1. 合金結(jié)構(gòu)鋼在 250 - 400°C 回火時引起沖擊韌性及韌脆性下降,這種現(xiàn)象一般稱為第一類回火脆性,它不能通過熱處理方法來消除,設(shè)計時應(yīng)考慮到這一點。
2. 某些合金結(jié)構(gòu)鋼(如 Cr 鋼、Cr - Ni 鋼及 Cr - Mn 鋼)在 375 - 575°C 回火后緩慢冷卻時也會產(chǎn)生脆性,一般稱為第二類回火脆性,快冷可以予以消除。對于斷面較大的齒輪,可選用含有 Mo 或 W 的鋼,以消除或減小回火脆性。
三、結(jié)論
深入理解減速機齒輪用鋼的熱處理特性及其設(shè)計考慮要點,對于優(yōu)化齒輪的設(shè)計和制造工藝,提高齒輪的性能和可靠性具有重要意義。在實際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)具體的工作條件和要求,合理選擇鋼材和熱處理工藝,以滿足齒輪的使用需求。
編輯:數(shù)字化營銷中心
審核:周小飛
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