齿轮材料

黑色金属
以铁为基础形成的合金称为黑色金属。主要指铸铁、碳钢和合金钢。

钢
含碳量在0．0218％～2．11％之间的铁碳合金。钢具有力学性能好、原材料资源丰富、冶炼容易、价格便宜等优点，它是现代工业中应用最广泛的工程材料之一。钢的分类方法很多，可按化学成分、冶金品质、冶炼方法或用途的不同等来分类。按化学成分分类，可分为碳素钢和合金钢两类。按冶金品质的状况分类，可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。按冶炼时所用的炉型分类，可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。按脱氧程度分类，可分为沸腾钢

和镇静钢。按用途分类，可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。一般来说，按热处理工艺来分齿轮用钢有两类，即表面硬化钢和调质钢。

碳素钢
简称碳钢。含碳量低于1.3％～1.4％的铁碳合金，允许含有限量以内的硅、锰、硫、磷等杂质，不含其他合金元素的钢。碳素钢按其含碳量的多少可分为工业纯铁、低碳钢、中碳钢、高碳钢。含碳的高低是决定钢的性能和用途的一个主要因素，低碳钢经适当的热处理后可用于制造齿轮，中碳钢热处理后强度较高，韧性适当，是常用的齿轮材料。

低碳钢
含碳量小于0.25％的碳素钢。低碳钢经渗碳及淬火后，可以得到高的表面硬度、高的耐磨性和疲劳强度，而心部保持适当强韧性。常用于制作在冲击载荷的作用下及强烈磨损条件下工作的齿轮。

中碳钢
指含碳量在0.25％～0.60％的碳钢和合金钢。经调质处理或淬火及低温回火后，常用作制造齿轮的材料。例如45、50等碳钢用于承受载荷较小、转速较低的齿轮；40Cr、45Mn2等合金钢用于工作条件较繁重的齿轮。

结构钢
用于制造机械零件和金属构件的一类钢。含碳量一般在0．70％以下。结构钢按成分分为碳素结构钢和合金结构钢。按其性能特点，分为普通结构钢和优质结构钢两类。结构钢的大部分钢种可用于制造齿轮。

优质结构钢
合金元素的含量较高，而硫、磷含量均不大于0.035％～0.040％的一类钢。具有高的强度和韧性。优质结构钢一般可分为四类：渗碳钢、调质钢、弹簧钢和轴承钢。前两类钢是以热处理的特点命名的；后两类钢是以用途命名的，是专用钢材。在齿轮生产中，渗碳钢与调质钢用量最大。

调质钢
经淬火和高温回火（即调质处理）后的结构钢。淬火马氏体经高温回火后，转变为颗粒状碳化物分布在铁素体基体上的稳定组织，具有足够的强度和良好的韧性。碳素调质钢的含碳量为0.30％～0.60％，其淬透性较低，一般用于制造尺寸较小、承受载荷较低的齿轮。合金调质钢是在碳素调质钢的基础上加入一种或几种合金元素，如镍、铬、锰、硅、钨、钼、钒、钛等，以改善其淬透性和回火稳定性。合金调质钢在油中淬火，变形小，有更好的强度和韧性配合，可用于制造尺寸大、承受载荷高的齿轮。常用钢号有40Cr、35CrMo、40CrNiMo等。

氮化钢
又称渗氮钢。指经渗氮处理后可获得比渗碳更高的表面硬度、耐磨性和热硬性的钢种。氮化钢中含有与氮亲和力强的合金元素，如铝、铬、钼、钛、钒、钨等，渗氮后能形成稳定性高、弥散度大的氮化物。氮化钢按其合金元素成分可以分成含铝和不含铝两类。按其工艺特点，可以分成常用氮化钢、易切削氮化钢、快速氮化钢、沉淀硬化型氮化钢等。

氮化钢可用以制作性能要求较高的齿轮。表面要求高硬度、高耐磨性和高疲劳强度的齿轮，应采用含铝并含合金元素较多的氮化钢，如38CrMoAlA、38CrAl等。

渗碳钢
经渗碳、淬火及低温回火后，表面坚硬耐磨而心部保持适当强韧性的表面硬化用钢。渗碳钢的含碳量低，为0.10％～0.25％，以保证零件心部有良好的韧性。钢中含碳量对渗碳零件力学性能影响较大，含碳量越高心部强度也提高，但会增加脆性。当含碳量增高时，应适当降低渗碳层深度。在渗碳钢零件中，齿轮最为普遍，较重要的齿轮可采用合金渗碳钢，如20Cr、20CrMnTi等。

烧结碳钢
化合碳含量为0.2％～1.0％的烧结钢。强度、硬度较高，韧性较好。当化合碳含量为0.4％～0.8％时，经热处理后，其力学性能较好，适于制造受力不大的一般结构零件，如传动齿轮等，牌号FG60。

烧结铜钢
由铁粉、石墨和铜粉（<5％）经烧结而成的化合碳含量在0.6％～0.8％的烧结钢。其强度比碳钢高，经热处理后硬度高并耐磨，烧结时收缩率小，耐腐蚀。适用于受力较大的结构零件，如液压泵齿轮、电钻齿轮等。常用的牌号有FG70Cu、FG70—Cu2、FG70Cu4。

合金钢
在碳钢中有目的地加入一定量的一种或数种合金元素的钢。加入合金元素可使钢的性能产生预期的变化，如提高综合力学性能和淬透性、抗氧化性、耐磨性等。合金钢按合金元素总含量的多少又有低合金钢（合金元素总含量小于5％）、中合金钢（合金元素总含量为5％～10％）、高合金钢（合金元素总含量大于10％）之分。常用于制造齿轮的有铬钢、铬锰钢、铬锰钼钢、铬锰钛钢、铬钼钢、铬镍钢、铬钨钢、铬锰硅钢、锰钢、锰钒钢等。

锰钢
以锰为主要合金元素的一类结构钢。结构钢中加入锰能显著提高钢的强度、硬度、淬透性及耐磨性。但含锰较高时，有较明显的回火脆性、有促进晶粒长大的作用，对过热较为敏感。常用于制造齿轮的锰钢有30Mn2、40Mn2、45Mn2、50Mn2等。

锰钒钢
锰为主加元素并含有少量钒（<0.12％）的一类结构钢。锰钢中加入少量钒，可细化晶粒，使钢的强度和韧性同时得到改善，提高钢的耐磨性及回火稳定性。20MnV经渗碳淬火，可用于制造小型齿轮等零件。

低淬透性钢
高频淬火时仅表面层淬火成马氏体组织的一类钢。其含碳量为0.50％～0.70％，严格控制提高钢淬透性元素的含量，并加有少量的钛、钒等强碳化物形成元素，以有效地降低钢的淬透性。这种70年代研制出的新钢种适于制造中、小模数齿轮，感应加热时，即使整个齿热透，淬火冷却时只表层淬硬，齿心部仍不能淬硬，沿齿廓可得到较均匀的淬透层，能够代替渗碳钢使用。采用低淬透性钢制的齿轮，可承受较大的冲击载荷，具有寿命长、成本低等优点，并有推广前景。常用的低淬透性钢有55Tid、60Tid、70Tid等。

易切削钢
通过改变钢中硫、磷含量或在钢中加入铅、氮、钙等附加元素，使切削加工性能得到改善的一类钢。这种钢材不仅能保证在高速切削的条件下对刀具的磨损较轻，而且切削后零件的表面粗糙度也有所降低。易切削钢以“Y”表示，后面的数字表示含碳量，再后面标以所含元素的化学符号。其中有一部分易切削钢也用于制造齿轮，如Y40CrSCa等。如果对齿轮的力学性能要求较高，则可采用镇静易切削钢。易切削钢也可进行正火、淬火及回火，不过在热处理之后，它的切削性能将会受到损害。

镇静钢
钢液在浇注前加入锰铁、硅铁和铝进行充分的脱氧，使钢水中含氧量降至0.01％以下，浇注凝固时不产生沸腾的钢。其钢锭结构致密，性能良好，但成材率较低。优质碳素钢和合金钢均属镇静钢，用以制作齿轮等机械零件和重要的构件。

表面硬化钢
经某种热处理后，可以得到坚硬耐磨的表层和柔韧适当的心部的钢种。是结构钢的一种。渗碳钢、氮化钢、高频淬火钢和低淬透性钢都属于表面硬化钢。这类钢应根据齿轮使用条件，来选用和确定热处理工艺。对于承受负荷较大和要求耐磨的齿轮，大多采用低碳钢渗碳淬火。在气体渗碳时，再通入氨气使齿轮表层同时渗入氮，称碳氮共渗，其加热温度较低，渗层较浅，可以减少齿轮变形，缩短热处理时间，齿轮的使用性能也有所改善。碳氮共渗也可采用中碳合金钢，这时渗层更浅。对于要求齿面硬化层比较均匀和较好力学性能的齿轮，采用中碳钢高频感应加热表面淬火。对于承受负载较小、要求精度较高的齿轮，采用渗氮处理。渗氮可以提高齿轮的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热稳定性和抗腐蚀能力。由于渗氮温度较低，氮化后缓冷即可获得高硬度，变形极小，能保持齿轮的精度。

铸钢
指铸件含碳量在2.0％以下的铁碳合金。铸钢的化学成分除了铁和碳之外，还含有硅、锰、磷、硫等元素。铸钢代号用“铸”和“钢”二字的汉语拼音的第一个大写正体字母“ZG”表示。铸钢的强度及耐磨性较好，但其晶粒较粗，铸造及加工难度较大，通常用于铸造要求强度高、形状复杂的大型齿轮毛坯。铸钢齿轮毛坯在精加工前一般要经退火及正火处理，以消除铸造残余应力和硬度不均匀，改善其切削加工条件。常用于铸造齿轮的材料有ZG310-570、ZG340-640等。

铸铁
指含碳量为2％以上的铁碳合金。工业用铸铁含碳量常为2.0％～4.0％。铸铁除含铁、碳以外，还含有硅、锰、磷、硫等元素，硅和锰是调节组织和性能的元素，磷和硫在一般情况下是有害杂质。各种铸铁代号，由表示该铸铁特征的汉语拼音字母的第一个大写正体字母组成，当两种铸铁名称的代号字母相同时，可在该大写正体字母后加小写正体字母来区别，同一名称铸铁，需要细分时，取其细分特点的汉语拼音字母第一个大写正体字母，并列在后面。其代号见表2-1。铸铁是工业中应用很广的一种金属材料，常用于制造受力不大、无冲击、低速的齿轮。铸铁比较容易获得，熔化工艺及设备简单，铸造工艺简便，成本低，具有一系列优良性能，如铸造性能好、缺口敏感性低、耐磨性和减振性好等。

灰铸铁
含碳量较高，一般为2.7％～4.0％，碳主要以自由状态的片状石墨形式存在，断口呈暗灰色，故称灰铸铁。用“HT”表示。具有优良的铸造性、减振性和切削加工性，成本也较低，因此应用最广。在世界铸件产量中，灰铸铁件约占70％。其中HT200、HT250、HT300、HT350用于制造齿轮。

珠光体灰铸铁
在珠光体基体上分布着大量的片状石墨的灰铸铁。其强度、耐磨性和耐蚀性均较好。用于制作承受较大载荷的零件，如齿轮、飞轮等。铸后应进行人工时效处理，以消除铸件在冷却过程中所产生的内应力。铸件一般经正火处理后才能获得珠光体组织。

表2-1 铸铁名称、代号、牌号及表示方法的实例

铸铁名称代号牌号表示方法实例

  灰铸铁 HT   HT100

  蠕墨铸铁 RuT   RuT400

  球墨铸铁 QT   QT400-17

  黑心可锻铸铁 KTH   KTH300-06

  白心可锻铸欣 KTB   KTB350-06

  珠光体可锻铸铁 KTZ   KTZ450-06

  耐磨铸铁 MT   MTCuLPTi-150

  抗磨球白口铸铁 KmTB   KmTBMn5Mo2Cu

  抗磨球墨铸铁 KmTQ   KmTQMn6

  冷硬铸铁 LT   LTCrMoR

  耐蚀铸铁 ST   STSi15R

  耐蚀球墨铸铁 STQ   STQA15Si5

  耐热铸铁 RT   RTCr2

  耐热球墨铸铁 RTQ   RTQA16

  奥氏体铸铁 AT

孕育铸铁
经孕育处理的灰铸铁，又称变质铸铁。其石墨细小，具有较好的强度和较高的硬度，适于铸造机械性能要求较高的大型齿轮毛坯。

可锻铸铁
可锻铸铁俗称马铁或韧铁。它是由白口铸铁的铸件经过高温长时间的退火，使渗碳体分解，而获得团絮状石墨的铸铁。根据化学成分、热处理工艺和显微组织的不同分为黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁和白心可锻铸铁。可锻铸铁的强度和韧性优于灰铸铁，接近于球墨铸铁；伸长率较高，但仍不能锻造；减摩性和减振性优于碳钢；铸造性能不及灰铸铁。珠光体可锻铸铁可用于制造齿轮。

珠光体可锻铸铁
指含碳、硅量较低的白口铸铁，在中性介质中经石墨化处理后，在850～950℃下保温十几小时出炉空冷，得到的珠光体基体和团絮状石墨的可锻铸铁。具有较高的强度和耐磨性，KTZ450-06、KTZ550-04、KTZ650-02、KTZ700-02均属此类，可用于制作承受较高的动载荷和静载荷，在磨损条件下工作的齿轮等零件。

球墨铸铁
碳以球状石墨形态分布在基体中的铸铁。用“QT”来表示。如QT400-l7，表示 σb=400N／mm²， δ=17％的球墨铸铁。球墨铸铁的力学性能大大超过灰铸铁，同时还保持灰铸铁的一系列优点。热处理后，力学性能接近于碳钢及部分合金钢。球墨铸铁按其组织的不同，可分为铁素体球墨铸铁、铁素体-珠光体球墨铸铁、珠光体球墨铸铁和下贝氏体球墨铸铁。球墨铸铁应用范围很广，铁素体-珠光体球墨铸铁常用于制造机油泵齿轮，下贝氏体球墨铸铁用于制造汽车的锥齿轮和拖拉机减速齿轮等。珠光体球墨铸铁具有较高的强度、耐磨性及一定的塑性和韧性。用于制作农机具的齿条及轻载荷齿轮等。

石墨
碳的一种同素异构体——六方晶系的晶体。它是铸铁内常出现的以及石墨化钢内含有的一种组织成分。

有色金属
铁、锰、铬以外的所有金属统称有色金属，又称非铁金属。广义地说，有色金属还包括有色合金。有色金属元素只有80余种，但有色合金的种类繁多且具有某些特殊性能，使其成为现代工业和日常生活中不可缺少的材料。在机械工业中作为结构材料应用的主要是铝、镁、钛、铜、镍和它们的合金。在齿轮工程中锡青铜和无锡青铜是重要的蜗轮材料。

铜合金
以纯铜为基体加入一种或几种元素而构成的合金。常用的铜合金分为黄铜、青钢、白铜三大类。以锌作主要添加元素的铜合金称为黄铜，以镍为主要添加元素的铜合金称为白铜，其余的铜合金均称青铜。它们的用途很广，但因铜的储藏量少，其使用受到限制。在齿轮工程中青铜占有重要地位。根据加工方法不同，铜合金又有变形铜合金、锻造铜合金和铸造铜合金之分。

青铜
铜合金中主要加入元素不是锌、镍而是锡、铝、铍、钛、铅等其它元素者，称为青铜。牌号以“Q”表示，后跟元素符号，表明为何种青铜，再跟数字，依次表示该元素的含量。如QSn10，即为含锡10％的锡青铜。铜合金中主要加入元素为锡者，称为锡青铜。其余的青铜通称无锡青铜。含锡量小于8％的青铜具有较好的塑性和适宜的强度，适用于压力加工。而含锡大于10％的青铜由于塑性差，只适于铸造。青铜是人类历史上应用最早的合金。锡青铜铸造性能、减摩性能和力学性能好，适于制造滑动速度较大的蜗轮和齿轮。铝青铜强度高，耐磨性和耐蚀性好，用于铸造高载荷的齿轮和蜗轮。铍青铜和钛青铜不仅有高的强度、硬度和耐疲劳性，而且被撞击时不产生火花，用于制造高温、高速下工作的齿轮和蜗轮。

锡青铜
铜合金中加入的主要元素是锡者，称为锡青铜。它是我国应用最早的铸造合金之一，早在商朝，我国人民就用来铸造钟、鼎，精美细致历经千载而未被腐蚀。其特点是：1）具有很高的强度和硬度，其性能随着含锡量的变化而不同，含锡量在5％～6％以下时，含锡量增加，强度升高。当含锡量超过5％～6％时，合金组织中出现脆性的δ相，当δ相出现到一定数值后，强度虽继续升高，但塑性急剧下降，故工业用锡青铜的含锡量都在3％～14％之间。2）体积收缩率小，充满铸型能力高，适于铸造对外形尺寸要求较严的铸件以及形状复杂、壁厚较大的零件。但流动性差，成分偏析严重。3）抗腐蚀性比纯铜和黄铜都高，抗磨性能好，是抗胶合最好的材料，多用来制造滑动速度大于5m／s的蜗轮与某些重要的齿轮等零件和与酸、碱、蒸汽等接触的零件。

无锡青铜
铜合金中主要加入元素不是锌、镍、锡而是铝、铍、钛、硅、锰、铬等其它元素者，通称为无锡青铜。其减摩性比锡青铜差，力学性能比锡青铜高，具有较高的强度和较好的抗点蚀能力，价格比锡青铜便宜。多用于制造滑动速度小于4～5m／s的蜗轮。

铍青铜
铜合金中主要加入的元素是铍。铍青铜具有很好的综合性能，不仅有高的强度、硬度、弹性、耐磨性、耐蚀性和耐疲劳性，还有高的导电性、导热性、无铁磁性以及被撞击不产生火花，通过淬火和时效，其强度、硬度远远超过其他的铜合金。但工艺复杂，成本很高，应用受到一定限制。QBe2可用于制造高速高温高压下工作的齿轮和蜗轮及钟表齿轮等。

钛青铜
铜合金中主要加入元素为钛者，称为钛青铜。是一种新型的高强度合金。具有高的强度、硬度和优良的耐磨性、耐疲劳性、耐热性和耐蚀性。无铁磁性，撞击时不生火花。QTi3.5、QTi3.5-0.2可用于制造各种精密小型齿轮。

铝青铜
铜基合金中第一主要添加元素是铝。是无锡青铜的一种。与锡青铜和黄铜相比，它具有更高的强度，耐磨、耐蚀、无铁磁性，冲击时不生火花，有良好的流动性，无偏析倾向，可得到致密的铸件，还能进行热处理强化。由于它的价格低廉，性能优良，常用于制造齿轮和蜗轮等零件。最常用的铸造铝青铜是ZCuA110Fe3。铝青铜的缺点是铸件中极易形成粗大组织，使合金变脆；在过热蒸汽中稳定性不高；熔炼铸造时易生成A1₂O₃氧化膜，引起“片层状断口”以至报废。这些缺点，通过加入铁、镍和锰等元素可以得到消除或改善。

非金属材料
由非金属元素或化合物构成的材料。非金属材料可分为无机材料和有机材料两大类。由于它的原料来源广泛，成型工艺简单，具有各种优异的性能，从而在近代工业中的用途不断扩大，具有广阔的应用前景。非金属材料的强度一般不及金属材料高。其中无机非金属材料的共同缺点是质地脆、不耐冲击；有机非金属材料则耐热性不高，存在老化、尺寸稳定性较差等问题。齿轮工程中常用的非金属材料有工程塑料和复合材料等。

工程塑料
以合成树脂为主要成分的有机高分子材料。在一定的温度及压力下，可塑造成各种形状的工程零件和构件，具有成型工艺简便、强度大、韧性好和耐磨损等特点，是一种良好的工程材料。目前部分齿轮已用工程塑料制造，如汽车发动机中凸轮轴正时齿轮、分电器齿轮、机油泵齿轮和车速表齿轮等已用布层酚醛层压板或尼龙等塑料制造。这种齿轮的明显优点是重量轻、吸振性好、寿命长等，可成功地用在转速为24000r／min以上的高速、中小功率的齿轮传动。其缺点是强度低，耐热性差，吸水吸油后会发胀，成型时收缩大等。常用的齿轮材料有尼龙、聚甲酉基、聚碳酸脂和氯化聚醚等。

碳纤维—树脂复合材料
亦称碳纤维增强塑料。由碳纤维或其织物如布、带等与热固性或热塑性树脂结合而成的复合材料。具有高强度、高模量及比重小的特点，且减摩、耐磨、自润滑、耐热、耐腐蚀性良好。可用于比强度、比模量要求高的结构件及化工设备中的耐腐蚀件，如齿轮、轴瓦等。缺点是各向异性高，纤维与树脂结合力差。

聚甲醛
是60年代初研制出的一种高强度热塑性工程塑料。具有良好的综合性能，强度、刚性、韧性、疲劳强度、抗蠕变性等性能均较高，减摩耐磨性能良好，尺寸稳定性好，吸水性小，并有耐化学药品的能力，其性能不亚于尼龙，且价格便宜。广泛用于减摩耐磨及传动件，如齿轮、凸轮等。

聚酰胺
又称尼龙（PA）。含有酰胺基或芳香酰胺基，具有坚韧、耐磨、耐疲劳、耐油、耐水、无毒、吸水性大等特性。尼龙6具有弹性好，冲击强度高，吸水性较大的特点；尼龙66强度高、耐磨性好；尼龙610性能与尼龙66相似，但吸水性和刚性均较小；尼龙1010呈半透明，吸水性较小，且耐寒性较好；铸型尼龙6性能与尼龙6相近，但各项机械强度、耐磨性均较高，吸水性较小；芳香尼龙耐辐射、耐热性高，电绝缘性能很高，高温下不变质。可用于一般机械零件，及对减摩、耐磨性能要求高的传动零件，如齿轮、轴承等。

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