齒輪材料

黑色金屬
以鐵為基礎形成的合金稱為黑色金屬。主要指鑄鐵、碳鋼和合金鋼。

鋼
含碳量在0．0218％～2．11％之間的鐵碳合金。鋼具有力學性能好、原材料資源豐富、冶煉容易、價格便宜等優點，它是現代工業中應用最廣泛的工程材料之一。鋼的分類方法很多，可按化學成分、冶金品質、冶煉方法或用途的不同等來分類。按化學成分分類，可分為碳素鋼和合金鋼兩類。按冶金品質的狀況分類，可分為普通鋼、優質鋼和高級優質鋼。按冶煉時所用的爐型分類，可分為平爐鋼、轉爐鋼和電爐鋼。按脫氧程度分類，可分為沸騰鋼

和鎮靜鋼。按用途分類，可分為結構鋼、工具鋼和特殊性能鋼。一般來說，按熱處理工藝來分齒輪用鋼有兩類，即表面硬化鋼和調質鋼。

碳素鋼
簡稱碳鋼。含碳量低于1.3％～1.4％的鐵碳合金，允許含有限量以內的硅、錳、硫、磷等雜質，不含其他合金元素的鋼。碳素鋼按其含碳量的多少可分為工業純鐵、低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼。含碳的高低是決定鋼的性能和用途的一個主要因素，低碳鋼經適當的熱處理后可用于制造齒輪，中碳鋼熱處理后強度較高，韌性適當，是常用的齒輪材料。

低碳鋼
含碳量小于0.25％的碳素鋼。低碳鋼經滲碳及淬火后，可以得到高的表面硬度、高的耐磨性和疲勞強度，而心部保持適當強韌性。常用于制作在沖擊載荷的作用下及強烈磨損條件下工作的齒輪。

中碳鋼
指含碳量在0.25％～0.60％的碳鋼和合金鋼。經調質處理或淬火及低溫回火后，常用作制造齒輪的材料。例如45、50等碳鋼用于承受載荷較小、轉速較低的齒輪；40Cr、45Mn2等合金鋼用于工作條件較繁重的齒輪。

結構鋼
用于制造機械零件和金屬構件的一類鋼。含碳量一般在0．70％以下。結構鋼按成分分為碳素結構鋼和合金結構鋼。按其性能特點，分為普通結構鋼和優質結構鋼兩類。結構鋼的大部分鋼種可用于制造齒輪。

優質結構鋼
合金元素的含量較高，而硫、磷含量均不大于0.035％～0.040％的一類鋼。具有高的強度和韌性。優質結構鋼一般可分為四類：滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼和軸承鋼。前兩類鋼是以熱處理的特點命名的；后兩類鋼是以用途命名的，是專用鋼材。在齒輪生產中，滲碳鋼與調質鋼用量最大。

調質鋼
經淬火和高溫回火（即調質處理）后的結構鋼。淬火馬氏體經高溫回火后，轉變為顆粒狀碳化物分布在鐵素體基體上的穩定組織，具有足夠的強度和良好的韌性。碳素調質鋼的含碳量為0.30％～0.60％，其淬透性較低，一般用于制造尺寸較小、承受載荷較低的齒輪。合金調質鋼是在碳素調質鋼的基礎上加入一種或幾種合金元素，如鎳、鉻、錳、硅、鎢、鉬、釩、鈦等，以改善其淬透性和回火穩定性。合金調質鋼在油中淬火，變形小，有更好的強度和韌性配合，可用于制造尺寸大、承受載荷高的齒輪。常用鋼號有40Cr、35CrMo、40CrNiMo等。

氮化鋼
又稱滲氮鋼。指經滲氮處理后可獲得比滲碳更高的表面硬度、耐磨性和熱硬性的鋼種。氮化鋼中含有與氮親和力強的合金元素，如鋁、鉻、鉬、鈦、釩、鎢等，滲氮后能形成穩定性高、彌散度大的氮化物。氮化鋼按其合金元素成分可以分成含鋁和不含鋁兩類。按其工藝特點，可以分成常用氮化鋼、易切削氮化鋼、快速氮化鋼、沉淀硬化型氮化鋼等。

氮化鋼可用以制作性能要求較高的齒輪。表面要求高硬度、高耐磨性和高疲勞強度的齒輪，應采用含鋁并含合金元素較多的氮化鋼，如38CrMoAlA、38CrAl等。

滲碳鋼
經滲碳、淬火及低溫回火后，表面堅硬耐磨而心部保持適當強韌性的表面硬化用鋼。滲碳鋼的含碳量低，為0.10％～0.25％，以保證零件心部有良好的韌性。鋼中含碳量對滲碳零件力學性能影響較大，含碳量越高心部強度也提高，但會增加脆性。當含碳量增高時，應適當降低滲碳層深度。在滲碳鋼零件中，齒輪最為普遍，較重要的齒輪可采用合金滲碳鋼，如20Cr、20CrMnTi等。

燒結碳鋼
化合碳含量為0.2％～1.0％的燒結鋼。強度、硬度較高，韌性較好。當化合碳含量為0.4％～0.8％時，經熱處理后，其力學性能較好，適于制造受力不大的一般結構零件，如傳動齒輪等，牌號FG60。

燒結銅鋼
由鐵粉、石墨和銅粉（<5％）經燒結而成的化合碳含量在0.6％～0.8％的燒結鋼。其強度比碳鋼高，經熱處理后硬度高并耐磨，燒結時收縮率小，耐腐蝕。適用于受力較大的結構零件，如液壓泵齒輪、電鉆齒輪等。常用的牌號有FG70Cu、FG70—Cu2、FG70Cu4。

合金鋼
在碳鋼中有目的地加入一定量的一種或數種合金元素的鋼。加入合金元素可使鋼的性能產生預期的變化，如提高綜合力學性能和淬透性、抗氧化性、耐磨性等。合金鋼按合金元素總含量的多少又有低合金鋼（合金元素總含量小于5％）、中合金鋼（合金元素總含量為5％～10％）、高合金鋼（合金元素總含量大于10％）之分。常用于制造齒輪的有鉻鋼、鉻錳鋼、鉻錳鉬鋼、鉻錳鈦鋼、鉻鉬鋼、鉻鎳鋼、鉻鎢鋼、鉻錳硅鋼、錳鋼、錳釩鋼等。

錳鋼
以錳為主要合金元素的一類結構鋼。結構鋼中加入錳能顯著提高鋼的強度、硬度、淬透性及耐磨性。但含錳較高時，有較明顯的回火脆性、有促進晶粒長大的作用，對過熱較為敏感。常用于制造齒輪的錳鋼有30Mn2、40Mn2、45Mn2、50Mn2等。

錳釩鋼
錳為主加元素并含有少量釩（<0.12％）的一類結構鋼。錳鋼中加入少量釩，可細化晶粒，使鋼的強度和韌性同時得到改善，提高鋼的耐磨性及回火穩定性。20MnV經滲碳淬火，可用于制造小型齒輪等零件。

低淬透性鋼
高頻淬火時僅表面層淬火成馬氏體組織的一類鋼。其含碳量為0.50％～0.70％，嚴格控制提高鋼淬透性元素的含量，并加有少量的鈦、釩等強碳化物形成元素，以有效地降低鋼的淬透性。這種70年代研制出的新鋼種適于制造中、小模數齒輪，感應加熱時，即使整個齒熱透，淬火冷卻時只表層淬硬，齒心部仍不能淬硬，沿齒廓可得到較均勻的淬透層，能夠代替滲碳鋼使用。采用低淬透性鋼制的齒輪，可承受較大的沖擊載荷，具有壽命長、成本低等優點，并有推廣前景。常用的低淬透性鋼有55Tid、60Tid、70Tid等。

易切削鋼
通過改變鋼中硫、磷含量或在鋼中加入鉛、氮、鈣等附加元素，使切削加工性能得到改善的一類鋼。這種鋼材不僅能保證在高速切削的條件下對刀具的磨損較輕，而且切削后零件的表面粗糙度也有所降低。易切削鋼以“Y”表示，后面的數字表示含碳量，再后面標以所含元素的化學符號。其中有一部分易切削鋼也用于制造齒輪，如Y40CrSCa等。如果對齒輪的力學性能要求較高，則可采用鎮靜易切削鋼。易切削鋼也可進行正火、淬火及回火，不過在熱處理之后，它的切削性能將會受到損害。

鎮靜鋼
鋼液在澆注前加入錳鐵、硅鐵和鋁進行充分的脫氧，使鋼水中含氧量降至0.01％以下，澆注凝固時不產生沸騰的鋼。其鋼錠結構致密，性能良好，但成材率較低。優質碳素鋼和合金鋼均屬鎮靜鋼，用以制作齒輪等機械零件和重要的構件。

表面硬化鋼
經某種熱處理后，可以得到堅硬耐磨的表層和柔韌適當的心部的鋼種。是結構鋼的一種。滲碳鋼、氮化鋼、高頻淬火鋼和低淬透性鋼都屬于表面硬化鋼。這類鋼應根據齒輪使用條件，來選用和確定熱處理工藝。對于承受負荷較大和要求耐磨的齒輪，大多采用低碳鋼滲碳淬火。在氣體滲碳時，再通入氨氣使齒輪表層同時滲入氮，稱碳氮共滲，其加熱溫度較低，滲層較淺，可以減少齒輪變形，縮短熱處理時間，齒輪的使用性能也有所改善。碳氮共滲也可采用中碳合金鋼，這時滲層更淺。對于要求齒面硬化層比較均勻和較好力學性能的齒輪，采用中碳鋼高頻感應加熱表面淬火。對于承受負載較小、要求精度較高的齒輪，采用滲氮處理。滲氮可以提高齒輪的表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱穩定性和抗腐蝕能力。由于滲氮溫度較低，氮化后緩冷即可獲得高硬度，變形極小，能保持齒輪的精度。

鑄鋼
指鑄件含碳量在2.0％以下的鐵碳合金。鑄鋼的化學成分除了鐵和碳之外，還含有硅、錳、磷、硫等元素。鑄鋼代號用“鑄”和“鋼”二字的漢語拼音的第一個大寫正體字母“ZG”表示。鑄鋼的強度及耐磨性較好，但其晶粒較粗，鑄造及加工難度較大，通常用于鑄造要求強度高、形狀復雜的大型齒輪毛坯。鑄鋼齒輪毛坯在精加工前一般要經退火及正火處理，以消除鑄造殘余應力和硬度不均勻，改善其切削加工條件。常用于鑄造齒輪的材料有ZG310-570、ZG340-640等。

鑄鐵
指含碳量為2％以上的鐵碳合金。工業用鑄鐵含碳量常為2.0％～4.0％。鑄鐵除含鐵、碳以外，還含有硅、錳、磷、硫等元素，硅和錳是調節組織和性能的元素，磷和硫在一般情況下是有害雜質。各種鑄鐵代號，由表示該鑄鐵特征的漢語拼音字母的第一個大寫正體字母組成，當兩種鑄鐵名稱的代號字母相同時，可在該大寫正體字母后加小寫正體字母來區別，同一名稱鑄鐵，需要細分時，取其細分特點的漢語拼音字母第一個大寫正體字母，并列在后面。其代號見表2-1。鑄鐵是工業中應用很廣的一種金屬材料，常用于制造受力不大、無沖擊、低速的齒輪。鑄鐵比較容易獲得，熔化工藝及設備簡單，鑄造工藝簡便，成本低，具有一系列優良性能，如鑄造性能好、缺口敏感性低、耐磨性和減振性好等。

灰鑄鐵
含碳量較高，一般為2.7％～4.0％，碳主要以自由狀態的片狀石墨形式存在，斷口呈暗灰色，故稱灰鑄鐵。用“HT”表示。具有優良的鑄造性、減振性和切削加工性，成本也較低，因此應用最廣。在世界鑄件產量中，灰鑄鐵件約占70％。其中HT200、HT250、HT300、HT350用于制造齒輪。

珠光體灰鑄鐵
在珠光體基體上分布著大量的片狀石墨的灰鑄鐵。其強度、耐磨性和耐蝕性均較好。用于制作承受較大載荷的零件，如齒輪、飛輪等。鑄后應進行人工時效處理，以消除鑄件在冷卻過程中所產生的內應力。鑄件一般經正火處理后才能獲得珠光體組織。

表2-1 鑄鐵名稱、代號、牌號及表示方法的實例

鑄鐵名稱代號牌號表示方法實例

  灰鑄鐵 HT   HT100

  蠕墨鑄鐵 RuT   RuT400

  球墨鑄鐵 QT   QT400-17

  黑心可鍛鑄鐵 KTH   KTH300-06

  白心可鍛鑄欣 KTB   KTB350-06

  珠光體可鍛鑄鐵 KTZ   KTZ450-06

  耐磨鑄鐵 MT   MTCuLPTi-150

  抗磨球白口鑄鐵 KmTB   KmTBMn5Mo2Cu

  抗磨球墨鑄鐵 KmTQ   KmTQMn6

  冷硬鑄鐵 LT   LTCrMoR

  耐蝕鑄鐵 ST   STSi15R

  耐蝕球墨鑄鐵 STQ   STQA15Si5

  耐熱鑄鐵 RT   RTCr2

  耐熱球墨鑄鐵 RTQ   RTQA16

  奧氏體鑄鐵 AT

孕育鑄鐵
經孕育處理的灰鑄鐵，又稱變質鑄鐵。其石墨細小，具有較好的強度和較高的硬度，適于鑄造機械性能要求較高的大型齒輪毛坯。

可鍛鑄鐵
可鍛鑄鐵俗稱馬鐵或韌鐵。它是由白口鑄鐵的鑄件經過高溫長時間的退火，使滲碳體分解，而獲得團絮狀石墨的鑄鐵。根據化學成分、熱處理工藝和顯微組織的不同分為黑心可鍛鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵和白心可鍛鑄鐵�？慑戣T鐵的強度和韌性優于灰鑄鐵，接近于球墨鑄鐵；伸長率較高，但仍不能鍛造；減摩性和減振性優于碳鋼；鑄造性能不及灰鑄鐵。珠光體可鍛鑄鐵可用于制造齒輪。

珠光體可鍛鑄鐵
指含碳、硅量較低的白口鑄鐵，在中性介質中經石墨化處理后，在850～950℃下保溫十幾小時出爐空冷，得到的珠光體基體和團絮狀石墨的可鍛鑄鐵。具有較高的強度和耐磨性，KTZ450-06、KTZ550-04、KTZ650-02、KTZ700-02均屬此類，可用于制作承受較高的動載荷和靜載荷，在磨損條件下工作的齒輪等零件。

球墨鑄鐵
碳以球狀石墨形態分布在基體中的鑄鐵。用“QT”來表示。如QT400-l7，表示 σb=400N／mm²， δ=17％的球墨鑄鐵。球墨鑄鐵的力學性能大大超過灰鑄鐵，同時還保持灰鑄鐵的一系列優點。熱處理后，力學性能接近于碳鋼及部分合金鋼。球墨鑄鐵按其組織的不同，可分為鐵素體球墨鑄鐵、鐵素體-珠光體球墨鑄鐵、珠光體球墨鑄鐵和下貝氏體球墨鑄鐵。球墨鑄鐵應用范圍很廣，鐵素體-珠光體球墨鑄鐵常用于制造機油泵齒輪，下貝氏體球墨鑄鐵用于制造汽車的錐齒輪和拖拉機減速齒輪等。珠光體球墨鑄鐵具有較高的強度、耐磨性及一定的塑性和韌性。用于制作農機具的齒條及輕載荷齒輪等。

石墨
碳的一種同素異構體——六方晶系的晶體。它是鑄鐵內常出現的以及石墨化鋼內含有的一種組織成分。

有色金屬
鐵、錳、鉻以外的所有金屬統稱有色金屬，又稱非鐵金屬。廣義地說，有色金屬還包括有色合金。有色金屬元素只有80余種，但有色合金的種類繁多且具有某些特殊性能，使其成為現代工業和日常生活中不可缺少的材料。在機械工業中作為結構材料應用的主要是鋁、鎂、鈦、銅、鎳和它們的合金。在齒輪工程中錫青銅和無錫青銅是重要的蝸輪材料。

銅合金
以純銅為基體加入一種或幾種元素而構成的合金。常用的銅合金分為黃銅、青鋼、白銅三大類。以鋅作主要添加元素的銅合金稱為黃銅，以鎳為主要添加元素的銅合金稱為白銅，其余的銅合金均稱青銅。它們的用途很廣，但因銅的儲藏量少，其使用受到限制。在齒輪工程中青銅占有重要地位。根據加工方法不同，銅合金又有變形銅合金、鍛造銅合金和鑄造銅合金之分。

青銅
銅合金中主要加入元素不是鋅、鎳而是錫、鋁、鈹、鈦、鉛等其它元素者，稱為青銅。牌號以“Q”表示，后跟元素符號，表明為何種青銅，再跟數字，依次表示該元素的含量。如QSn10，即為含錫10％的錫青銅。銅合金中主要加入元素為錫者，稱為錫青銅。其余的青銅通稱無錫青銅。含錫量小于8％的青銅具有較好的塑性和適宜的強度，適用于壓力加工。而含錫大于10％的青銅由于塑性差，只適于鑄造。青銅是人類歷史上應用最早的合金。錫青銅鑄造性能、減摩性能和力學性能好，適于制造滑動速度較大的蝸輪和齒輪。鋁青銅強度高，耐磨性和耐蝕性好，用于鑄造高載荷的齒輪和蝸輪。鈹青銅和鈦青銅不僅有高的強度、硬度和耐疲勞性，而且被撞擊時不產生火花，用于制造高溫、高速下工作的齒輪和蝸輪。

錫青銅
銅合金中加入的主要元素是錫者，稱為錫青銅。它是我國應用最早的鑄造合金之一，早在商朝，我國人民就用來鑄造鐘、鼎，精美細致歷經千載而未被腐蝕。其特點是：1）具有很高的強度和硬度，其性能隨著含錫量的變化而不同，含錫量在5％～6％以下時，含錫量增加，強度升高。當含錫量超過5％～6％時，合金組織中出現脆性的δ相，當δ相出現到一定數值后，強度雖繼續升高，但塑性急劇下降，故工業用錫青銅的含錫量都在3％～14％之間。2）體積收縮率小，充滿鑄型能力高，適于鑄造對外形尺寸要求較嚴的鑄件以及形狀復雜、壁厚較大的零件。但流動性差，成分偏析嚴重。3）抗腐蝕性比純銅和黃銅都高，抗磨性能好，是抗膠合最好的材料，多用來制造滑動速度大于5m／s的蝸輪與某些重要的齒輪等零件和與酸、堿、蒸汽等接觸的零件。

無錫青銅
銅合金中主要加入元素不是鋅、鎳、錫而是鋁、鈹、鈦、硅、錳、鉻等其它元素者，通稱為無錫青銅。其減摩性比錫青銅差，力學性能比錫青銅高，具有較高的強度和較好的抗點蝕能力，價格比錫青銅便宜。多用于制造滑動速度小于4～5m／s的蝸輪。

鈹青銅
銅合金中主要加入的元素是鈹。鈹青銅具有很好的綜合性能，不僅有高的強度、硬度、彈性、耐磨性、耐蝕性和耐疲勞性，還有高的導電性、導熱性、無鐵磁性以及被撞擊不產生火花，通過淬火和時效，其強度、硬度遠遠超過其他的銅合金。但工藝復雜，成本很高，應用受到一定限制。QBe2可用于制造高速高溫高壓下工作的齒輪和蝸輪及鐘表齒輪等。

鈦青銅
銅合金中主要加入元素為鈦者，稱為鈦青銅。是一種新型的高強度合金。具有高的強度、硬度和優良的耐磨性、耐疲勞性、耐熱性和耐蝕性。無鐵磁性，撞擊時不生火花。QTi3.5、QTi3.5-0.2可用于制造各種精密小型齒輪。

鋁青銅
銅基合金中第一主要添加元素是鋁。是無錫青銅的一種。與錫青銅和黃銅相比，它具有更高的強度，耐磨、耐蝕、無鐵磁性，沖擊時不生火花，有良好的流動性，無偏析傾向，可得到致密的鑄件，還能進行熱處理強化。由于它的價格低廉，性能優良，常用于制造齒輪和蝸輪等零件。最常用的鑄造鋁青銅是ZCuA110Fe3。鋁青銅的缺點是鑄件中極易形成粗大組織，使合金變脆；在過熱蒸汽中穩定性不高；熔煉鑄造時易生成A1₂O₃氧化膜，引起“片層狀斷口”以至報廢。這些缺點，通過加入鐵、鎳和錳等元素可以得到消除或改善。

非金屬材料
由非金屬元素或化合物構成的材料。非金屬材料可分為無機材料和有機材料兩大類。由于它的原料來源廣泛，成型工藝簡單，具有各種優異的性能，從而在近代工業中的用途不斷擴大，具有廣闊的應用前景。非金屬材料的強度一般不及金屬材料高。其中無機非金屬材料的共同缺點是質地脆、不耐沖擊；有機非金屬材料則耐熱性不高，存在老化、尺寸穩定性較差等問題。齒輪工程中常用的非金屬材料有工程塑料和復合材料等。

工程塑料
以合成樹脂為主要成分的有機高分子材料。在一定的溫度及壓力下，可塑造成各種形狀的工程零件和構件，具有成型工藝簡便、強度大、韌性好和耐磨損等特點，是一種良好的工程材料。目前部分齒輪已用工程塑料制造，如汽車發動機中凸輪軸正時齒輪、分電器齒輪、機油泵齒輪和車速表齒輪等已用布層酚醛層壓板或尼龍等塑料制造。這種齒輪的明顯優點是重量輕、吸振性好、壽命長等，可成功地用在轉速為24000r／min以上的高速、中小功率的齒輪傳動。其缺點是強度低，耐熱性差，吸水吸油后會發脹，成型時收縮大等。常用的齒輪材料有尼龍、聚甲酉基、聚碳酸脂和氯化聚醚等。

碳纖維—樹脂復合材料
亦稱碳纖維增強塑料。由碳纖維或其織物如布、帶等與熱固性或熱塑性樹脂結合而成的復合材料。具有高強度、高模量及比重小的特點，且減摩、耐磨、自潤滑、耐熱、耐腐蝕性良好�？捎糜诒葟姸�、比模量要求高的結構件及化工設備中的耐腐蝕件，如齒輪、軸瓦等。缺點是各向異性高，纖維與樹脂結合力差。

聚甲醛
是60年代初研制出的一種高強度熱塑性工程塑料。具有良好的綜合性能，強度、剛性、韌性、疲勞強度、抗蠕變性等性能均較高，減摩耐磨性能良好，尺寸穩定性好，吸水性小，并有耐化學藥品的能力，其性能不亞于尼龍，且價格便宜。廣泛用于減摩耐磨及傳動件，如齒輪、凸輪等。

聚酰胺
又稱尼龍（PA）。含有酰胺基或芳香酰胺基，具有堅韌、耐磨、耐疲勞、耐油、耐水、無毒、吸水性大等特性。尼龍6具有彈性好，沖擊強度高，吸水性較大的特點；尼龍66強度高、耐磨性好；尼龍610性能與尼龍66相似，但吸水性和剛性均較��；尼龍1010呈半透明，吸水性較小，且耐寒性較好；鑄型尼龍6性能與尼龍6相近，但各項機械強度、耐磨性均較高，吸水性較��；芳香尼龍耐輻射、耐熱性高，電絕緣性能很高，高溫下不變質�？捎糜谝话銠C械零件，及對減摩、耐磨性能要求高的傳動零件，如齒輪、軸承等。

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