铸铁齿轮材料及热处理优化方案

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：灰铸铁齿轮多用于开式齿轮传动。表1-29 常用灰铸铁、球墨铸铁的力学性能1.齿轮用灰铸铁及其热处理灰铸铁的选用灰铸铁的抗弯及抗冲击能力很差，但它易于铸造、易切削，具有良好的耐磨性和减振性、最小的缺口敏感性、成本低。

铸铁齿轮与钢制齿轮相比，具有可加工性好、耐磨性高、噪声低及成本低等优点。因此，适合于负荷小、低速运转、不受冲击、精度要求不高、但耐磨的场合。如采用灰铸铁HT200 HT250、HT300等，铸铁齿轮一般在铸造后进行去应力退火、正火，机械加工后进行表面淬火目的是提高耐磨性。灰铸铁齿轮多用于开式齿轮传动。近年来在闭式齿轮传动中，采用球墨铸铁QT600-3、QT500-7代替铸钢来制造齿轮的趋势越来越明显。

由于铸铁中存在的游离石墨和多孔性结构，所以齿轮耐磨性良好、噪声小、成本低，可在许多负荷不大、工作条件不苛刻的蜗杆传动中替换铜合金蜗轮。常用的铸铁主要包括灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和合金铸铁等四种。齿轮最常用的是灰铸铁和球墨铸铁。

常用齿轮铸铁性能对比见表1-28，常用灰铸铁、球墨铸铁的力学性能见表1-29。

表1-28 常用齿轮铸铁性能对比

① 弯曲疲劳比，弯曲疲劳极限与抗拉强度之比，设计时推荐使用0.35的疲劳比。

② 分别为珠光体、灰铸铁范围：154～216MPa、216～309MPa和大于309MPa的对应值。

③ 按ISO R946标准，在20mm试棒上测得。

④ 无缺口试样。

⑤ 有缺口试样（45°，V形），上贝氏体球墨铸铁。

⑥ V形缺口（单铸试块），球墨铸铁QT400-18，括号外数据分别为试验温度（23±5）℃和（－20±2）℃时3个试样

的平均值，括号内的数据则分别为前述2种试验温度下单个试样的值。

表1-29 常用灰铸铁、球墨铸铁的力学性能

1.齿轮用灰铸铁及其热处理

（1）灰铸铁的选用灰铸铁的抗弯及抗冲击能力很差，但它易于铸造、易切削，具有良好的耐磨性和减振性、最小的缺口敏感性、成本低。可用于低速、载荷不大的开式齿轮传动。

齿轮用灰铸铁的牌号及抗拉强度见表1-30。

表1-30 齿轮用灰铸铁的牌号及抗拉强度

根据铸件使用条件和目的不同，应采用合理的热处理工艺，通常有消除内应力退火、消除白口的石墨化退火、提高铸件硬度和耐磨性的表面淬火（如感应淬火、火焰淬火、激光淬火，其中，常用高、中频感应淬火，淬火加热温度850～950℃，淬火采用PAG水溶液等）和等温淬火，以及提高铸件强度和塑性的正火等。HT200、HT250、HT300、HT350材料可用于制作承受高负荷的重要零件，如汽车发动机凸轮轴齿轮等。铸铁齿轮去应力退火工艺规程参见表3-7和表3-8。铸铁齿轮的正火工艺如图3-6和图3-7所示。

（2）齿轮用可锻灰铸铁的选用可锻灰铸铁系白口灰铸铁经可锻化退火而得，它有较高的强度和塑性，近似于钢和球墨铸铁，而耐磨性和减振性优于普通碳素钢，铸造性能比灰铸铁差，加工性能优于钢而接近于灰铸铁。

作为齿轮材料的主要是珠光体可锻铸铁，如KTZ450-06、KTZ550-04、KTZ650-02与KTZ700-02等。

2.齿轮用球墨铸铁及其热处理

齿轮用球墨铸铁性能介于钢和灰铸铁之间，强度比灰铸铁高很多，具有良好的韧性和塑性在冲击不大的情况下，可代替钢制齿轮。主要使用珠光体基体的球墨铸铁（如QT600-3、QT700-2和QT800-2等）和贝氏体基体的球墨铸铁（如QT900-2等），通常在齿面硬度低于250HBW的情况下，球墨铸铁齿轮齿面的接触疲劳强度不低于钢件。若将不同牌号的球墨铸铁与不同种类的钢相比较，则珠光体球墨铸铁的接触疲劳强度相当于调质钢，而贝氏体球墨铸铁的接触疲劳强度处于调质钢和渗碳钢之间，相当于渗氮钢的水平。

（1）球墨铸铁热处理球墨铸铁热处理的目的是消除应力，提高机械加工性能，改善基体的组织和性能，同时也提高硬度和耐磨性等。例如，QT600-3、QT700-2、QT800-2材料通过热处理获得铁素体＋珠光体基体组织，具有中等的强度和韧性，用于制造受力不大的齿轮、齿条等QT900-2材料通过热处理获得贝氏体组织，具有较高的强度和韧性，可代替低合金结构钢制造汽车、拖拉机的弧齿锥齿轮或减速齿轮、柴油机齿轮轴等。

球墨铸铁齿轮毛坯的预备热处理一般采用退火、正火，也可进行正火＋回火，或调质处理最终热处理多采用等温淬火（提高综合力学性能），部分采用感应淬火（提高齿面硬度及耐磨性）及化学热处理（如渗氮，提高齿面硬度、接触疲劳强度，延长寿命）。

（2）球墨铸铁牌号、基体组织、力学性能及其在不同热处理状态下的力学性能（见表1-31和表1-32）

表1-31 球墨铸铁牌号、基体组织及力学性能