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齿轮用钢
各类材料和热处理的特点及使用条件
| 材料 | 热处理 | 特点 | 适用条件 |
|---|---|---|---|
| 调质钢 | 调质或正火 |
1．经调质后具有较好的强度和韧性，常在220～300HBS的范围内使用 2．当受刀具的限制而不能提高调质小齿轮的硬度时，为保持大小齿轮之间的硬度差，可使用正火的大齿轮，但强度较调质者差 3．齿面的精切可在热处理后进行，以消除热处理变形，保持轮齿精度 4．不需要专门的热处理设备和齿面精加工设备，制造成本低 5．齿面硬度较低，易于跑合，但是不能充分发挥材料的承载能力 |
广泛用于对强度和精度要求不太高的一般中低速齿轮传动，以及热处理和齿面精加工比较困难的大型齿轮 |
| 高频感应加热淬火 |
1．齿面硬度高，具有较强的抗点蚀和耐磨损性能；心部具有较好的韧性，表面经硬化后产生残余压缩应力，大大提高了齿根强度}通常的齿面硬度范围是：合金钢45～55HRC，碳素钢40～50HRC 2．为进一步提高心部强度，往往在高频感应加热淬火前先调质 3．高频感应加热淬火时间短 4．为消除热处理变形，需要磨齿，增加了加工时间和成本，但是可以获得高精度的齿轮 5．当缺乏高频设备时，可用火焰淬火来代替，但淬火质量不易保证 6．表面硬化层深度和硬度沿齿面不等 7．由于急速加热和冷却，容易淬裂 |
广泛用于要求承载能力高、体积小的齿轮 | |
| 渗碳钢 | 渗碳淬火 |
1．齿面硬度很高，具有很强的抗点蚀和耐磨损性能；心部具有很好的韧性，表面经硬化后产生残余压缩应力，大大提高了齿根强度；一般齿面硬度范围是56～62HRC 2．切削性能较好 3．热处理变形较大，热处理后应磨齿，增加了加工时间和成本，但是可以获得高精度的齿轮 4．渗碳深度可参考表“渗碳深度的选择”选择 |
广泛用于要求承载能力高、耐冲击性能好、精度高、体积小的中型以下的齿轮 |
| 氮化钢 | 氮化 |
1．可以获得很高的齿面硬度，具有较强的抗点蚀和耐磨损性能；心部具有较好的韧性，为提高心部强度，对中碳钢往往先调质 2．由于加热温度低，所以变形很小，氮化后不需要磨齿 3．硬化层很薄，因此承载能力不及渗碳淬火齿轮，不宜用于有冲击载荷的场合 4．成本较高 |
适用于较大且较平稳的载荷下工作的齿轮，以及没有齿面精加工设备而又需要硬齿面的场合 |
| 铸钢 | 正火或调质，以及高频感应加热淬火 |
1．可以制造复杂形状的大型齿轮 2．其强度低于同种牌号和热处理的调质钢 3．容易产生铸造缺陷 |
用于不能锻造的大型齿轮 |
| 铸铁 |
1．价钱便宜 2．耐磨性好 3．可以制造复杂形状的大型齿轮 4．有较好的铸造和切削工艺性 5．承载能力低 |
灰铸铁和可锻铸铁用于低速、轻载、无冲击的齿轮；球墨铸铁可用于载荷和冲击较大的齿轮 |
调质及表面淬火齿轮用钢的选择
| 齿轮种类 | 钢号选择 | 备注 | ||
|---|---|---|---|---|
| 汽车、拖拉机及机床中的不重要齿轮 | 45 | 调质 | ||
| 中速、中载车床变速箱、钻床变速箱次要齿轮及高速、中载磨床砂轮齿轮 | 调质+高频淬火 | |||
| 中速、中载较大截面机床齿轮 | 40Cr、42SiMn、35SiMn、45MnB | 调质 | ||
| 中速、中载并带一定冲击的机床变速箱齿轮及高速、重载并要求齿面硬度高的机床齿轮 | 调质+高频淬火 | |||
| 起重机械、运输机械、建筑机械、水泥机械、冶金机械、矿山机械、工程机械、石油机械等设备中的低速重载大齿轮 | 一般载荷不大、截面尺寸也不大，要求不太高的齿轮 | Ⅰ | 35、45、55 |
1．少数直径大、载荷小、转速不高的末级传动大齿轮可采用SiMn钢正火 2．根据齿轮截面尺寸大小及重要程度，分别选用各类钢材(从I到V，淬透性逐渐提高) 3．根据设计，要求表面硬度大于40HRC者应采用调质+表面淬火 |
| Ⅱ | 40Mn、50Mn2、40Cr、35SiMn、42SiMn | |||
| 截面尺寸较大，承受较大载荷，要求比较高的齿轮 | Ⅲ | 35CrMo、42CrMo、40CrMnMo、35CrMnSi、40CrNi、40CrNiMo、45CrNiMoV | ||
| 截面尺寸很大、承受载荷大、并要求有足够韧性的重要齿轮 | Ⅳ | 35CrNi2Mo、40CrNi2Mo | ||
| Ⅴ | 30CrNi3、34CrNi3Mo、37SiMn2MoV | |||
渗碳齿轮用钢的选择
注：其中一部分可进行碳氮共渗。
| 齿轮种类 | 选择钢号 |
|---|---|
| 汽车变速箱、分动箱、起动机及驱动桥的各类齿轮 | 20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、25MnTiB、20MnVB、20CrMo |
| 拖拉机动力传动装置中的各类齿轮 | |
| 机床变速器、龙门铣电动机及立车等机械中的高速、重载、受冲击的齿轮 | |
| 起重、运输、矿山、通用、化工、机车等机械的变速箱中的小齿轮 | |
| 化工、冶金、电站、铁路、宇航、海运等设备中的汽轮发电机、工业汽轮机、燃汽轮机、高速鼓风机、涡轮压缩机等的高速齿轮、要求长周期、安全可靠地运行的齿轮 | 12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、20CrNi3、18Cr2Ni4W、20CrNi2Mo、20Cr2Mn2Mo、17CrNiM06 |
| 大型轧钢机减速器齿轮、人字机座轴齿轮，大型带式运输机传动轴齿轮、锥齿轮、大型挖掘机传动箱主动齿轮，井下采煤机传动齿轮，坦克齿轮等低速重载、并受冲击载荷的传动齿轮 |
渗氮齿轮用钢的选择
| 齿轮种类 | 性能要求 | 选择钢号 |
|---|---|---|
| 一般齿轮 | 表面耐磨 | 20Cr、20CrMnTi、40Cr |
| 在冲击载荷下工作的齿轮 | 表面耐磨、心部韧性高 | 18CrNiWA、18Cr2Ni4WA、30CrNi3、35CrMo |
| 在重载荷下工作的齿轮 | 表面耐磨、心部强度高 | 30CrMnSi、35CrMoV、25Cr2MoV、42CrMo |
| 在重载荷及冲击载荷下工作的齿轮 | 表面耐磨、心部强度高、韧性高 | 30CrNiMoA、40CrNiMoA、30CrNi2Mo |
| 精密耐磨齿轮 | 表面高硬度、变形小 | 38CrMoAlA、30CrMoAl |
渗碳深度的选择
注：1.本表是气体渗碳的概略值，固体渗碳和液体渗碳略小于此值。
2.近来，对模数较大的齿轮，渗碳深度有大于表中数值的倾向。
3.本表的单位是mm。
| 模数 | 渗碳深度 |
|---|---|
| ＞1～1.5 | 0.2～0.5 |
| ＞1.5～2 | 0.4～0.7 |
| ＞2～2.75 | 0.6～1.0 |
| ＞2.75～4 | 0.8～1.2 |
| ＞4～6 | 1.0～1.4 |
| ＞6～9 | 1.2～1.7 |
| ＞9～12 | 1.3～2.0 |
常用齿轮钢材的化学成分（质量分数）
齿轮常用材料及其力学性能
注：1．表中合金钢的调质硬度可提高到320～340HBS。
2．钢号前加“s”为采用德国西马克公司(SMS)的钢号。
| 材 料 | 热处理种类 | 截面尺寸／mm | 力学性能 | 硬 度 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 直径d | 壁厚S |
σb /N·mm-2 |
σs /N·mm-2 |
HBS | 表面淬火(HRC)(渗氮HV) | ||
| 调 质 钢 | |||||||
| 45 | 正 火 |
≤100 101～300 301～500 501～800 |
≤50 51～150 151～250 251～400 |
588 569 549 530 |
294 284 275 265 |
169～217 162～217 162～217 156～217 |
40～50 |
| 45 | 调 质 |
≤100 101～300 301～500 |
≤50 51～150 151～250 |
647 628 608 |
373 343 314 |
229～286 217～255 197～255 |
40～50 |
| 34CrNi3Mo | 调 质 |
≤200 201～600 |
≤100 101～300 |
900 855 |
785 735 |
269～341 | |
| S34CrNiMo | 调 质 |
≤200 201～320 321～500 |
≤100 101～160 161～250 |
1000～1200 900～1100 800～950 |
800 700 600 |
248 | 52～58 |
| 40CrNiMo | 调 质 | 25 | 980 | 833 |
心部＞255 表293～330 |
||
| 42CrMo4V | 调 质 |
10～40 41～100 101～160 16l～250 251～500 |
1000～1200 900～1100 800～950 750～900 690～810 |
750 650 550 500 460 |
255～286 | 48～56 | |
| 42CrMo | 调 质 | 25 | 1079 | 931 | 255～286 | 48～56 | |
| 37SiMn2MoV | 调 质 |
≤200 201～400 401～600 |
≤100 101～200 201～300 |
863 814 765 |
686 637 588 |
269～302 241～286 241～269 |
50～55 |
| 40Cr | 调 质 |
≤100 101～300 301～500 501～800 |
≤50 51～150 151～250 251～400 |
735 686 637 588 |
539 490 441 343 |
241～286 241～286 229～269 217～255 |
48～55 |
| 35CrMo | 调 质 |
≤100 101～300 301～500 501～800 |
≤50 51～150 151～250 251～400 |
735 686 637 588 |
539 490 441 392 |
241～286 241～286 229～269 217～255 |
45～55 |
| 渗碳钢、渗氮钢 | |||||||
| 20Cr | 渗碳、淬火、回火 | ≤60 | 637 | 392 | 渗碳56～62 | ||
| 20CrMnTi | 渗碳、淬火、回火 | 15 | 1079 | 834 | 渗碳56～62 | ||
| 20CrMnMo |
渗碳、淬火、回火 两次淬火、回火 |
15 ≤30 ≤100 |
1170 1079 834 |
883 786 490 |
28～33HRC | 渗碳56～62 | |
| 16MnCr5 | 渗碳、淬火、回火 |
≤11 ＞11～30 ＞30～63 |
880～1180 780～1080 640～930 |
640 590 440 |
渗碳54～62 蕊部30～42 |
||
| 1 7CrNiMo6 | 渗碳、淬火、回火 |
≤11 ＞11～30 ＞30～63 |
1180～1420 1080～1320 980～1270 |
835 785 685 |
|||
| 20CrNi | 渗碳、淬火、回火 | ≤11 | 931 | 735 | |||
| S16MnCr | 渗碳、淬火、回火 |
≤30 31～63 |
780～1080 640～930 |
590 440 |
207 | 56～62 | |
| S17Cr2Ni2Mo | 渗碳、淬火、回火 |
≤30 31～63 |
1080～1320 980～1270 |
780 685 |
229 | 56～62 | |
| 38CrMoAlA | 调 质 | 30 | 98 | 834 | 229 | 渗氮HV＞850 | |
| 30CrMoSiA | 调 质 | 100 | 1079 | 883 | 210～280 | 渗氮47～51 | |
| 铸 钢 | |||||||
| ZG310—570 | 正火 | 570 | 310 | 163～197 | |||
| ZG340—640 | 正火 | 640 | 340 | 179～207 | |||
| ZG35SiMn |
正火、回火 调 质 |
569 637 |
343 412 |
163～217 197～248 |
45～53 | ||
| ZG42SiMn |
正火、回火 调 质 |
588 637 |
373 441 |
163～217 197～248 |
45～53 | ||
| ZG35CrMo |
正火、回火 调 质 |
588 686 |
392 539 |
179～241 179～241 |
|||
| ZG35CrMnSi |
正火、回火 调 质 |
686 785 |
343 588 |
163～217 197～269 |
|||
| 铸 铁 | |||||||
| HT250 |
＞4.0～10 ＞10～20 ＞20～30 ＞30～50 |
270 240 220 200 |
175～263 164～247 157～236 150～225 |
||||
| HT300 |
＞10～20 ＞20～30 ＞30～50 |
290 250 230 |
182～273 169～255 160～241 |
||||
| HT350 |
＞10～20 ＞20～30 ＞30～50 |
340 290 260 |
197～298 182～273 171～257 |
||||
| QT500—7 | 500 | 320 | 170～230 | ||||
| QT600—3 | 600 | 370 | 190～270 | ||||
| QT700—2 | 700 | 420 | 225～305 | ||||
| QT800—2 | 800 | 480 | 245～335 | ||||
| QT900—2 | 900 | 600 | 280～360 | ||||
齿轮工作齿面硬度及其组合的应用举例
注：1．重要齿轮的表面淬火，应采用高频或中频感应淬火；模数较大时，应沿齿沟加热和淬火。
2．通常渗碳后的齿轮要进行磨齿。
3．为了提高抗胶合性能，建议小轮和大轮采用不同牌号的钢来制造。
| 齿面类型 | 齿轮种类 | 热处理 |
两轮工作 齿面硬度差 |
工作齿面硬度举例 | 备注 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 小齿轮 | 大齿轮 | 小齿轮 | 大齿轮 | ||||
|
软齿面 (≤350HBS) |
直齿 | 调质 |
正火 调质 调质 调质 |
0＜(HBS1)min -(HBS2)max ≤20～25 |
240～270HBS 260～290HBS 280～310HBS 300～330HBS |
180～220HBS 220～240HBS 240～260HBS 260～280HBS |
用于重载中低速固定式传动装置 |
| 斜齿及人字齿 | 调质 |
正火 正火 调质 调质 |
(HBS1)min -(HBS2)max ≥(40～50) |
240～270HBS 260～290HBS 270～300HBS 300～330HBS |
160～190HBS 180～210HBS 200～230HBS 230～260HBS |
||
|
软硬组合齿面 (＞350HBS1， ≤350HBS2) |
斜齿及人字齿 | 表面淬火 | 调质 | 齿面硬度差很大 | 45～50HRC |
200～230HBS 230～260HBS 270～300HBS 300～330HBS |
用于冲击载荷及过载都不大的重载中低速固定式传动装置 |
| 渗碳 | 调质 | 56～62HRC | |||||
|
硬齿面 (＞350HBS) |
直齿、斜齿及人字齿 | 表面淬火 | 表面淬火 | 齿面硬度大致相同 | 45～50HRC | 用在传动尺寸受结构条件限制的情形和运输机器上的传动装置 | |
| 渗碳 | 渗碳 | 56～62HRC | |||||
