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齒輪為什么要進行熱處理?

2023-06-01 17:22 山西中重重工集團

要回答“齒輪為什么要進行熱處理”,首先要搞清楚熱處理的概念,用比較通俗的語言來說,熱處理就是將金屬材料通過加熱、保溫和冷卻的手段,改變材料表面或內部的化學成分與組織,獲得所需性能的一種金屬熱加工技術,所以這是一門很神奇且精益的技術,現代齒輪如果沒有經過熱處理,那將是沒有靈魂的,齒輪作為傳統的機械零件應用廣泛,熱處理技術為其賦予了新的性能和生命。


根據不同的承載能力和使用壽命要求,齒輪熱處理采用的主要方式有調質、滲碳淬火、滲氮、感應加熱淬火等,工業齒輪箱中的齒輪加工制造流程一般要經過下料、滾齒、熱處理、磨齒等步驟



可以看出熱處理處在中間環節,鋼材加工成齒輪以后,為什么不可以直接使用,而需要進行熱處理后才能使用呢?我們可以從以下三個方面來說明。



第一,齒輪是古老的機械零件,雖傳承千年,但歷久彌新


齒輪傳動歷史悠久,中國最早可考證的齒輪出現在距今3000年的指南車上,早期齒輪不考慮齒距和齒形,可稱其為原始齒輪。而現代齒輪起源于歐洲,人們以科學的方式研究齒輪,出現嚙合原理、強度計算,并以漸開線齒輪為主,廣泛應用,我們可稱其為現代齒輪。


現代齒輪嚙合,體現著機械傳動之美,齒輪嚙合過程中,既有滾動、又有滑動,一方面齒面承受著高接觸應力的挑戰,另一方面齒根承受著高彎曲應力的考驗,這就要求制作齒輪的材料同時具備兩種技能:一是齒輪表面具有足夠的硬度,二是齒輪芯部要有足夠的強度和韌性,就像一位“鋼鐵直男”,堅毅的外表下有著一顆溫柔的內心。


研究中人們認識到,齒面的硬度越高強度越大,因此根據齒輪表面硬度,現代齒輪的發展可劃分為兩個時期:軟齒面齒輪和硬齒面齒輪。

鍛件

軟齒面齒輪是指齒面硬度小于350HBS的齒輪,五十年代的中國齒輪多是軟齒面,接觸強度比較差,使用壽命也短,但隨著傳遞扭矩不斷提高,齒輪制作的尺寸越來越大,并且在嚙合過程中由于齒面承受很大的接觸應力,這些都開始制約齒輪傳動的發展,需要新的技術改變這一瓶頸。


表面硬化齒輪(case hardened)應運而生,通過熱處理技術可幫助齒輪實現表面硬化,同時保持芯部韌性,如同具備了武裝色霸氣的路飛,工業齒輪通常采用滲碳淬火的熱處理工藝來完成華麗轉身。滲碳淬火技術由來已久,從20世紀初開始,經歷了大約100多年的發展,到今天已經相對成熟。


鋼經滲碳淬火后形成了一種復合組織:高碳含量的滲層和低碳含量的芯部。覆蓋滲層的齒面硬度可提高到60HRC,因其充分發揮了齒面和齒根強度的潛力,使齒輪箱重量和尺寸大幅度減小,從而使功率密度(Power Density)提高到前所未有的高度,至此代表著更經濟、更高技術的硬齒面齒輪時代到來。


第二,熱處理是齒輪的必修課,經烈火淬煉、終涅槃重生


齒輪滲碳淬火的過程,就如同個人成長過程中經歷的困難和歷練,通過硬化變身,它讓一個齒輪變得強大和自信,在面對惡劣工況的時候發揮出驚人的承載力。


齒輪的滲碳過程是指在950℃高溫下用化學方法把碳元素滲入到齒輪的表層,使表層碳含量增加,形成一定碳濃度梯度,這樣就獲得表層高碳、芯部仍保持原有成分的狀態。齒輪穿上了一層“盔甲”,等待淬火完成最后的涅槃古代的寶劍核心之一在于淬火,同樣的道理,齒輪最終機械性能決定于滲碳后的淬火工藝,這是因為淬火的過冷作用可以使奧氏體進行馬氏體轉變。

鍛件


第三,熱處理是齒輪技術的飛躍,然百尺竿頭,需更進一步


硬齒面齒輪技術沒有專利,但它是國際上行業認可的一種技術,齒輪通過表面硬化的熱處理技術完成了一次技術變革,在這次技術更新中,人們認識到優良的齒輪材料是前提,熱處理工藝是關鍵,兩者結合才能將齒輪的潛力開發到最大。


sOULu6">滲碳淬火后的齒輪齒面硬度提高倍數遠高于齒根強度提高幅度,需彌補水桶中短板,均衡齒面和齒根強度,需要從原材料層面嚴格把控,采用優質合金鋼18CrNiMo7-6作為齒輪的加工材料。18CrNiMo7-6有著很高的綜合機械性能,具有高強度、高韌性和高淬透性等優點,在重載減速器、風電行業的關鍵件是主導應用材料。


為確保其產品的高效性、可靠性,這對材料質量技術指標不斷提出新的要求,同時對材料的晶粒度、含氧量、淬透性、非金屬夾雜等提出更高的標準,為齒輪傳動的金字塔打下了堅實的基礎,也同時成就了FLENDER 減速器在重載、惡劣工況下所表現出的超高品質及可靠性



總結:齒輪傳動因其高可靠性而應用廣泛,而熱處理技術激發了齒輪的深層潛力,使其應用無處不在,但隨著齒輪傳遞功率不斷增加、材料性能不斷提高,也會促進新的熱處理技術發展,因為得到使用強度高、壽命長、質量高的產品性能一直是熱處理技術的終極追求。而滲碳淬火技術作為工業齒輪最常用的熱處理手段,也勢必會往更加精準的工藝控制、更加合理的滲碳深度、更加節能的滲碳工藝方向發展,未來的齒輪與熱處理技術結合更加緊密,相輔相成,傳動萬鈞。


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