齿轮硬度要求

二、典型零部件选材及工艺分析

金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前的主要工程材料。高分子材料的强度、刚度较低、易老化，一般不能用于制作承受载荷较大的机械零件。但其减振性好，耐磨性较好，适于制作受力小、减振、耐磨、密封零件，如轻载齿轮、轮胎等。陶瓷材料硬而脆，一般也不能用于制作重要的受力零部件。但其具有高熔点、高硬度、耐蚀性好、红硬性高等特点，可用于制作高温下工作的零部件、耐磨耐蚀零部件及切削刀具等。复合材料克服了高分子材料和陶瓷材料的不足，具有高比强度、高减振性、高抗疲劳能力、高耐磨性等优异性能，是一种很有发展前途的工程材料。与以上三类工程材料相比，金属材料具有优良的使用性能和工艺性能，储藏量大，生产成本比较低、广泛用于制作各种重要的机械零件和工程构件，是机械工业中最主要、应用最广泛的一类工程结构材料。下面介绍几种钢制零部件的选材及热处理工艺分析。

㈠ 齿轮类零件的选材

齿轮是机械工业中应用广泛的重要零件之一，主要用于传递动力、调节速度或方向。 1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。

⑴ 齿轮的工作条件：①啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。②传递动力时，轮齿类似于悬臂梁，轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。③换挡、启动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载荷。

⑵ 齿轮的主要失效形式：①断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动力时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。②齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使齿厚变小、齿隙加大。③接触疲劳；在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。 ⑶ 对齿轮材料的性能要求：①高的弯曲疲劳强度；②高的耐磨性和接触疲劳强度；③轮齿心部要有足够的强度和韧性。 2、典型齿轮的选材 ⑴ 机床齿轮

机床齿轮的选材是依其工作条件（园周速度、载荷性质与大小、精度要求等）而定的。表13-3列出了机床齿轮的选材及热处理。

表13-3 机床齿轮的选材及热处理

序号 1 齿轮工作条件 在低载荷下工作，要求耐磨性好的齿轮 2 低速（<0.1m/s）、低载荷下工作的不重要的变速箱齿轮和挂轮架齿轮 3 低速（<0.1m/s）、低载荷下工作的齿轮（如车床溜板上的齿轮）

45 820~840C水冷，500~550C回火 00钢种 15 00热处理工艺 900~950C渗碳，直接淬火，或780~800C水冷，180~200C回火 0硬度要求 58~63HRC 45 840~860C正火 0156~217HB 200~250HB 4 中速、中载荷或大载荷下工作齿轮（如车床变速箱中的次要齿轮） 45 高频加热，水冷，300~340C回火 045~50HRC 5 速度较大或中等荷下工作的齿轮，齿部硬度要求较高（如钻床变速箱中的次要齿轮） 45 高频加热，水冷，240~230C回火 050~55HRC 6 7 高速、中等载荷，要求齿面硬度高的齿轮（如磨床砂轮箱齿轮） 速度不大，中等载荷，断面较大的齿轮（如铣 床工作面变速箱齿轮、立车齿轮） 45 40Cr 42SiMn 45MnB 40Cr 42SiMn 高频加热，水冷，180~200C回火 840~860C油冷，600~650C回火 调质后高频加热，乳化液冷却，260~300C回火 000054~60HRC 200~230HB 8 中等速度（2~4m/s）、中等载荷下工作的高速机床走刀箱、变速箱齿轮 高速、高载荷、齿部要求高硬度的齿轮 50~55HRC 9 40Cr 42 SiMn 调质后高频加热，乳化液冷却，180~200C回火， 054~60HRC 10 高速、中载荷、受冲击、模数<5的齿轮（如机床变速箱齿轮、龙门铣床的电动机齿轮） 20Cr 20Mn2B 900~950C渗碳，直接淬火，或800~820C油淬，180~200C回火 0000058~63HRC 11 高速、重载荷、受冲击、模数>6的齿轮（如立车上的重要齿轮） 20SiMnVB 900~950C渗碳，降温至820~850C淬火，180~200C回20CrMnTi 火 0058~63HRC 12 高速、重载荷、形状复杂，要求热处理变形小的齿轮 38CrMoAl 正火或调质后510~550C氮化 38CrAl 850HV以上 13 在不高载荷下工作的大型齿轮 50Mn2 65Mn 820~840C空冷 0<241HB 14 传动精度高，要求具有一定耐磨性的大齿轮 35CrMo 850~870C空冷，600~650C回火（热处理后精切齿形） 00255~302HB 机床传动齿轮工作时受力不大，工作较平稳，没有强烈冲击，对强度和韧性的要求都不太高，一般用中碳钢（例如45钢）经正火或调质后，再经高频感应加热表面淬火强化，提高耐磨性，表面硬度可达52~58HRC。对于性能要求较高的齿轮，可选用中碳合金钢（例如40Cr等）。其工艺路线为：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→高频淬火+低温回火→装配。

正火工序作为预备热处理，可改善组织，消除锻造应力，调整硬度便于机械加工，并为后续的调质工序做好组织准备。正火后硬度一般为180~207HB，其切削加工性能好。经调质处理后可获得较高的综合力学性能，提高齿轮心部的强度和韧性，以承受较大的弯曲应力和冲击载荷。调质后的硬度为33~48HRC。高频淬火+低温回火可提高齿轮表面的硬度和耐磨性，提高齿轮表面接触疲劳强度。高频加热表面淬火加热速度快，淬火后脱碳倾向和淬火变形小，同时齿面硬度比普通淬火高约2HRC，表面形成压应力层，从而提高齿轮的疲劳强度。齿轮使用状态下的显微组织为：表面是回火马氏体+残余奥氏体，心部是回火索氏体。 ⑵ 汽车、拖拉机齿轮

汽车、拖拉机齿轮的选材及热处理详见表13-4。

表13-4 汽车、拖拉机齿轮常用钢种及热处理

热处理 序号 齿轮类型 常用钢种 主要工序 技术条件 层深：mn①<3时，0.6-1.0mm； 3< mn <5时，0.9-1.3mm； 20CrMnTi 渗碳 1 汽车变速箱和分动箱齿轮 心部硬度：mn≤5时, 32-45HRC；mn >5时，29-45HRC （浅40Cr 层）碳氮共渗 表面硬度：51-61HRC 汽车驱动桥主动及从动圆柱齿轮 20CrMnTi 渗碳 20CrMo 层深：ms②≤5时 , 0.9-1.3mm；5< ms <8时，1.0-1.4mm； 2 汽车驱动桥主动及从动圆锥齿轮 20CrMnTi 渗碳 20CrMnMo 齿面硬度：58-64HRC 心部硬度：ms≤8时，32-45HRC；ms >8时，29-45HRC 20CrMnTi 汽车驱动桥差速3 器行星及半轴齿轮 20CrMnMo 灰口铸铁 4 汽车发动机凸轮轴齿轮 HT180 HT200 5 汽车曲轴正时齿轮 35、40、45 40Cr 正火 调质 149-179HB 207-241HB 170-229HB 20CrMo 渗碳 同序号1渗碳的技术条件 ms >8时，1.2-1.6mm 渗层深度按图纸要求，硬要求同序号1中渗碳工序 层深：>0.2mm 20CrMo等 齿面硬度：58-64HRC mn >5时，1.1-1.5mm

15Cr 20Cr 6 汽车起动机齿轮 20CrMo 15CrMnM, 20CrMnTi （浅7 汽车里程表齿轮 20 层）碳氮共渗 20Cr 20CrMo, 拖拉机传动齿轮，8 动力传动装置中的圆柱齿轮，圆锥齿轮及轴齿轮 30CrMnTi 40Cr, 40Cr 拖拉机曲轴正时9 齿轮，凸轮轴齿轮，喷油泵驱动齿轮 10 汽车拖拉机油泵齿轮 灰口铸铁 HT180 40，45 调质 28-35HRC 170-229HB 45 （浅层）碳氮共渗 正火 调质 156-217HB 217-255HB 同序号1中碳氮共渗的技术条件 20CrMnTi, 20CrMnMo 渗碳 层深：0.2-0.35mm 渗碳 层深：0.7-1.1mm 表面硬度：58-63HRC 心部硬度：33-43HRC 层深：≦模数的0.18倍，但≧2.1mm 各种齿轮渗层深度的上下限≧0.5mm,硬度要求序号1、2 ① mn—法向模数；② ms—端面模数

与机床齿轮比较，汽车、拖拉机齿轮工作时受力较大，受冲击频繁，因而对性能的要求较高。这类齿

轮通常使用合金渗碳钢（例如：20CrMnTi、20MnVB）制造。其工艺路线为：备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回大→喷丸→磨削→装配。正火处理的作用与机床齿轮相同。经渗碳、淬火+低温回火后，齿面硬度可达58~62HRC，心部硬度为35~45HRC。齿轮的耐冲击能力、弯曲疲劳强度和接触疲劳强度均相应提高。喷丸处理能使齿面硬度提高约2~3HRC，并提高齿面的压应力，进一步提高接触疲劳强度。齿轮在使用状态下的显微组织为：表面是回火马氏体+残余奥氏体+碳化物颗粒，心部淬透时是低碳回火马氏体（+铁素体），未淬透时，是索氏体+铁素体。 ㈡ 轴类零部件的选材

轴是机械工业中最基础的零部件之一，主要用以支承传动零部件并传递运动和动力。 1、轴的工作条件，主要失效形式及对性能的要求。

⑴ 轴的工作条件：①传递扭矩，承受交变扭转载荷作用。同时也往往承受交变弯曲载荷或拉、压载荷的作用。②轴颈承受较大的磨擦。③承受一定的过载或冲击载荷。

⑵ 轴的主要失效形式：①疲劳断裂 由于受交变的扭转载荷和弯曲疲劳载荷的长期作用，造成轴的疲劳断裂，这是最主要的失效形式。②断裂失效 由于受过载或冲击载荷的作用，造成轴折断或扭断。③磨损失效 轴颈或花键处的过度磨损使形状、尺寸发生变化。

⑶ 对轴用材料的性能要求：①高的疲劳强度，以防止疲劳断裂。②良好的综合力学性能，以防止冲击或过载断裂。③良好的耐磨性，以防止轴颈磨损。 2、典型轴的选材

对轴类零部件进行选材时，应根据工作条件和技术要求来决定。承受中等载荷，转速又不高的轴，大多选用中碳钢（例如45钢），进行调质或正火处理。对于要求高一些的轴，可选用合金调质钢（例如40Cr）并进行调质处理。对要求耐磨的轴颈和锥孔部位，在调质处理后需进行表面淬火。当轴承受重载荷、高转速、大冲击时，应选用合金渗碳钢（例如20CrMnTi）进行渗碳淬火处理。 ⑴ 机床主轴

图13-8为C620车床主轴简图。该主轴承受交变扭转和弯曲载荷。但载荷和转速不高， 冲击载荷也不大。轴颈和锥孔处有磨擦。按以上分析，C620车床主轴可选用45钢，经调质处理后，硬度为220~250HB，轴颈和锥孔需进行表面淬火，硬度为46~54HRC。其工艺路

图13-8 C620车床主轴简图

线为：备料→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→表面淬火+低温回火→磨削→装配。正火可改善组织、消除锻造缺陷，调整硬度便于机械加工，并为调质做好组织准备。调质可获得回火索氏体，具有较高的综合力学性能，提高疲劳强度和抗冲击能力。表面淬火+低温回火可获得高硬度和高耐磨性。表13-5给出了机床主轴的选材和热处理。

表13-5 根据工作条件推荐选用的机床主轴材料及其热处理工艺

序号 1 工作条件 ⑴在滚动轴承内运转 ⑵低速、轻或中等载荷 45 调质：820~840C淬火，550~580C回一般简易机220~250HB 火 床主轴 00选用钢号 热处理工艺 硬度要求 应用举例

注

1 括号内数值适用于硬齿面齿轮。 2 氮化齿轮齿面表面粗糙度Ra为1.6μm。 3.2.4磨齿齿轮应作齿顶修缘

滚齿齿轮精滚时一般应采用修缘滚刀。

3.2.5磨齿齿轮副小齿轮作齿向修形。齿向修形尺寸见图1和式（1）、式（2）：

式中：△S——齿向修形量，μm； Fβ——齿向误差允许值，弘m；

b1——小齿轮齿宽，mm； b2——大齿轮齿宽，mm； Δb——大小齿轮宽差，mm；

Δb1——小齿轮的齿向修形长度，mm。 3.2.6齿轮热处理见附录A。 3.3机体制造技术要求

3.3.1机体可采用铸件，也可采用焊件。 3.3.2在铸造或焊接后应作人工时效处理。

3.3.3机体分合表面粗糙度Ra为6.3μm，与底平面的平行度为GB/T1184的8级。 3.3.4轴承孔与其机体端面的垂直度为GB/T1184的8级。

3.3.5机体和机盖自由结合时，分合面应密合，用0.05mm塞尺检查其缝隙，塞尺塞入深度不得超过分合面宽度的三分之一。

3.3.6齿轮轴承孔的中心距极限偏差fa、中心线平行度fx和fy应符合GB/T10095的要求。 3.3.7轴承孔中心线应与其分合面重合，其误差不大于0.3mm。 3.3.8机体不准渗漏油。 3.4装配技术要求

3.4.1轴承内圈必须紧贴轴肩或定距环，用0.05mm塞尺检查不得通过。 3.4.2按规定或图样要求调整轴承间隙。

3.4.3按本标准或图样要求检查齿轮副的最小侧隙及接触斑点。

3.4.4机体、机盖内壁以及位于减速器机体内部的未加工零件表面均应涂耐油油漆。机体、机盖及其他外露的非加工零件表面可按JB/T5000.12的规定涂漆，也可按用户要求涂漆。

3.4.5机体机盖分合面螺栓应按规定的预紧力拧紧。家预紧力的方式可用扭力扳手加预紧力矩加载，也可用液压式螺栓拉伸器按轴向力加载。其预紧力见表5。

4试验与检验

4.1减速器的试验应符合JB/T9053.3的规定。

4.2减速器生产厂应具有完善的检查记录档案。合格产品应签发合格证。 5标志、包装、运输及贮存

5.1每台产品须在明显位置固定标牌，其要求应符合GB/T13306的规定，并标明： a)产品型号、名称；

b)主要技术参数（如转速、功率、转矩、重量等）； c)出厂日期； d)产品编号； e)制造厂名称。 5.2产品包装、运输

5.2.1减速器轴伸与键外表面涂防锈油脂。并用塑料布包严捆扎结实，或采用其他防护措施。 5.2.2减速器齿轮、轴、轴承应涂以润滑油脂。

5.2.3减速器的包装储运应符合GB/T13384与GB191的规定。 5.3随机文件应用塑料袋封装后装入木箱，其内容包括：

a) 成套发货单及装箱清单； b) 合格证书；

c) 产品按装及使用说明书等。 6制造保证

在用户遵守本标准与产品标准及有关文件规定的运输、保管、安装和使用条件下，减速器自发货之日起1年内如因制造质量不良而损坏或不能正常工作时，制造厂应无偿为用户修理或更换。 附录A

（标准的附录）齿轮润滑与热处理 A1齿轮润滑油

齿轮润滑油应按JB/T8831选用。 减速器选用的润滑油有： a) 抗氧防锈工业齿轮油； b) 中级压工业齿轮油； c) 高级压工业齿轮油。

使用时环境温度不得低于-5℃。齿轮节圆线速度不大于25m/s，不符合上述情况应选用其他合适的润滑油。 润滑油工作参考温度及温升见表A1。

注：1当高于表中数值时，应考虑需加冷却装置或喷油润滑，更换润滑油品种。 2当节圆线速度小于10m/s时，应采用浸油润滑，否则应采用喷润滑油。 A2齿轮毛坯与热处理技术要求

A2.1齿轮一般应采用锻钢件，直径大于或等于900mm的齿轮可采用锻造（或热滚轧）齿圈焊接齿轮，用圆柱销螺栓与轮心拼装结构。 A2.2调质齿轮的技术要求：

a)齿面硬度：一般调质齿轮为283HB以下； 中硬齿面调质齿轮为360HB以下； 注：硬度值应按布氏硬度表上数值选用。

b)重要齿轮可增添材料力学性能试验及无损伤的要求。

注：重要齿轮（以下均同）系指按GB/T3480方框图中疲劳极限的中限及上限，即为MQ和ME计算的齿轮。 A2.3渗碳淬火齿轮的技术要求： a) 齿面硬度：57HRC+4HRC；

b) 有效硬化层深度：（0.15～0.25）mn，mm； c) 齿轮中心部硬度：30～46HRC； d) 齿面不得有裂纹；

e) 重要的齿轮可增加材料力学性能试验。 A2.4感应淬火齿轮的技术条件：

a) 齿面硬度：48～56HRC（重要齿轮可取50～56HRC）； b) 齿面有效硬化层深度（0.15～0.35）mn，mm；

齿面有效硬化层深度偏差一般不作规定，重要齿轮为有效硬化层深度的15％。 c) 齿底硬度：＞40HRC（重要齿轮＞45HRC）； 齿底硬化层深度：（0.10～0.30）mn，mm；

齿底硬化层深度偏差一般不作规定； d) 心部调质硬度； e) 齿面不得有裂纹；

f) 重要齿轮材料应做力学性能试验。 A2.5氮化齿轮

一般只适用于mn≤10mm的负荷平稳或薄壁结构、形状复杂的齿轮。 a) 齿面硬度

调质钢齿面硬度：＞450HV10（重要齿轮为650～700 HV10）； 渗氮钢齿面硬度：＞600 HV10（重要齿轮为700～850 HV10）； b) 渗氮有效硬化层深度及其偏差见表A2；

c) 心部硬度：按调质要求；

d) 重要齿轮应做力学性能试验及无损探伤。 A3单件小批生产的渗碳淬火齿轮的齿厚公差

单件小批生产的渗碳淬火齿轮的齿厚公差可按表A3选用。

对可逆旋转的人字齿轮，在同一齿轮上左右旋齿的齿厚应力求保持一致，左右旋齿的齿厚相对极限偏差应保持在0.03～0.06mm以内。

同一组行星齿轮的齿厚极限偏差也应力求保持一致，各行星齿轮齿厚相对极限偏差应保持在0.02～0.05mm以内。

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