齿轮为什么要进行热处理?

2023-03-14 00:00:00 0

要回答“齿轮为什么要进行热处理”,首先要搞清楚热处理的概念,用比较通俗的语言来说,热处理就是将金属材料通过加热、保温和冷却的手段,改变材料表面或内部的化学成分与组织,获得所需性能的一种金属热加工技术,所以这是一门很神奇且精益的技术,现代齿轮如果没有经过热处理,那将是没有灵魂的,齿轮作为传统的机械零件应用广泛,热处理技术为其赋予了新的性能和生命。

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根据不同的承载能力和使用寿命要求,齿轮热处理采用的主要方式有调质、渗碳淬火、渗氮、感应加热淬火等,工业齿轮箱中的齿轮加工制造流程一般要经过下料、滚齿、热处理、磨齿等步骤

可以看出热处理处在中间环节,钢材加工成齿轮以后,为什么不可以直接使用,而需要进行热处理后才能使用呢?我们可以从以下三个方面来说明:


第一,齿轮是古老的机械零件,虽传承千年,但历久弥新


齿轮传动历史悠久,中国最早可考证的齿轮出现在距今3000年的指南车上,早期齿轮不考虑齿距和齿形,可称其为原始齿轮。而现代齿轮起源于欧洲,人们以科学的方式研究齿轮,出现啮合原理、强度计算,并以渐开线齿轮为主,广泛应用,我们可称其为现代齿轮。

现代齿轮啮合,体现着机械传动之美,齿轮啮合过程中,既有滚动、又有滑动,一方面齿面承受着高接触应力的挑战,另一方面齿根承受着高弯曲应力的考验,这就要求制作齿轮的材料同时具备两种技能:一是齿轮表面具有足够的硬度,二是齿轮芯部要有足够的强度和韧性,就像一位“钢铁直男”,坚毅的外表下有着一颗温柔的内心。

研究中人们认识到,齿面的硬度越高强度越大,因此根据齿轮表面硬度,现代齿轮的发展可划分为两个时期:软齿面齿轮和硬齿面齿轮。

软齿面齿轮是指齿面硬度小于350HBS的齿轮,五十年代的中国齿轮多是软齿面,接触强度比较差,使用寿命也短,但随着传递扭矩不断提高,齿轮制作的尺寸越来越大,并且在啮合过程中由于齿面承受很大的接触应力,这些都开始制约齿轮传动的发展,需要新的技术改变这一瓶颈。

表面硬化齿轮(case hardened)应运而生,通过热处理技术可帮助齿轮实现表面硬化,同时保持芯部韧性,如同具备了武装色霸气的路飞,工业齿轮通常采用渗碳淬火的热处理工艺来完成华丽转身。渗碳淬火技术由来已久,从20世纪初开始,经历了大约100多年的发展,到今天已经相对成熟。

钢经渗碳淬火后形成了一种复合组织:高碳含量的渗层和低碳含量的芯部。覆盖渗层的齿面硬度可提高到60HRC,因其充分发挥了齿面和齿根强度的潜力,使齿轮箱重量和尺寸大幅度减小,从而使功率密度(Power Density)提高到前所未有的高度,至此代表着更经济、更高技术的硬齿面齿轮时代到来。


第二,热处理是齿轮的必修课,经烈火淬炼、终涅槃重生


齿轮渗碳淬火的过程,就如同个人成长过程中经历的困难和历练,通过硬化变身,它让一个齿轮变得强大和自信,在面对恶劣工况的时候发挥出惊人的承载力。

齿轮的渗碳过程是指在950℃高温下用化学方法把碳元素渗入到齿轮的表层,使表层碳含量增加,形成一定碳浓度梯度,这样就获得表层高碳、芯部仍保持原有成分的状态。齿轮穿上了一层“盔甲”,等待淬火完成最后的涅槃

古代的宝剑核心之一在于淬火,同样的道理,齿轮最终机械性能决定于渗碳后的淬火工艺,这是因为淬火的过冷作用可以使奥氏体进行马氏体转变。


第三,热处理是齿轮技术的飞跃,然百尺竿头,需更进一步


硬齿面齿轮技术没有专利,但它是国际上行业认可的一种技术,齿轮通过表面硬化的热处理技术完成了一次技术变革,在这次技术更新中,人们认识到优良的齿轮材料是前提,热处理工艺是关键,两者结合才能将齿轮的潜力开发到最大。

sOULu6">渗碳淬火后的齿轮齿面硬度提高倍数远高于齿根强度提高幅度,需弥补水桶中短板,均衡齿面和齿根强度,需要从原材料层面严格把控,采用优质合金钢18CrNiMo7-6作为齿轮的加工材料。18CrNiMo7-6有着很高的综合机械性能,具有高强度、高韧性和高淬透性等优点,在重载减速器、风电行业的关键件是主导应用材料。

为确保其产品的高效性、可靠性,这对材料质量技术指标不断提出新的要求,同时对材料的晶粒度、含氧量、淬透性、非金属夹杂等提出更高的标准,为齿轮传动的金字塔打下了坚实的基础,也同时成就了FLENDER 减速器在重载、恶劣工况下所表现出的超高品质及可靠性

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总结:齿轮传动因其高可靠性而应用广泛,而热处理技术激发了齿轮的深层潜力,使其应用无处不在,但随着齿轮传递功率不断增加、材料性能不断提高,也会促进新的热处理技术发展,因为得到使用强度高、寿命长、质量高的产品性能一直是热处理技术的终极追求。而渗碳淬火技术作为工业齿轮最常用的热处理手段,也势必会往更加精准的工艺控制、更加合理的渗碳深度、更加节能的渗碳工艺方向发展,未来的齿轮与热处理技术结合更加紧密,相辅相成,传动万钧。