===== 了解齿轮材料的种类和强度 ===== 进行齿轮设计时模数等要素十分重要，但是提前确定好决定[[齿轮知识:齿轮技术资料:齿轮的强度|齿轮强度]]的材料也是十分必要的。 ==== 1. 材料的选定 ==== 作为一般机械零件，选定材料时应根据使用环境进行以下项目的探讨（表5-1）。 表5-1 材料选择时的探讨项目\\ | 金属材料 | 树脂材料 | | * 力学特性（拉伸，压缩，弯曲，扭转） * 硬度（淬透性） * 尺寸变化（温度等） * 耐腐蚀性（镀层） * 导电性 * 耐热性 * 磁性/非磁性 * 比重（轻量化、重量化） | * 尺寸变化（温度、湿度等） * 耐热性 * 耐药性 * 成形性 * 自润滑性 | 从可以满足功能和强度的材料中选择最廉价的材料。齿轮一般使用如下材料。 一般结构用扎制钢（SS400、SGD400等） 冷压延钢板（SPCC等） 机械结构用碳素钢（S25C、S45C等） 机械结构用合金钢（SCM415、SCM440等） 铜合金（C5191等） 特殊用途钢（SUS303等） 工程塑料（MC尼龙、POM等） 注）金属材料的记号是由日本JIS规格决定，所以只能在日本国内购买到。如果是在日本国外加工的话，可以考虑从日本提供材料或者选择同等成分的材料。 ==== 2. 了解使用在齿轮上的材料 ==== === 1. 一般结构用轧制钢（SS材料） === 比起保证化学成分，它是主要更侧重于保证拉伸强度的钢材（表5-2）。 表5-2 SS材料的成分表（引用自JIS G3101）\\ | 钢材牌号 | 化学成分 |||| 拉伸强度 N/mm2 | | ::: | C | Mn | P | S | ::: | | SS330 | - | - | ≤0.050 | ≤0.050 | 330 - 430 | | SS400 | ::: | ::: | ::: | ::: | 400 - 510 | | SS490 | ::: | ::: | ::: | ::: | 490 - 610 | | SS540 | ≤0.30 | ≤1.60 | ≤0.040 | ≤0.040 | ≥540 | SS330-SS490当中碳素的含有量并没有作出规定。但是碳素是决定钢材强度的成分，对淬透性有一定影响。 因此，一般在日本如果使用SS400材料作为齿轮材料的话，并不会进行淬火处理，一般在需要低强度的金属齿轮时才选用。 === 2. 冷压延钢板（SPC材料） === 作为一般性的钣金材料在平板或者弯曲板中使用（表5-3）。 表5-3 SPC材料的成分表（引用自JIS G3141） | 钢材牌号 | 化学成分 |||| 拉伸强度 N/mm2 | | ::: | C | Mn | P | S | ::: | | SPCC | ≤0.15 | ≤0.60 | ≤0.100 | ≤0.035 | ≥270 | | SPCD | ≤0.10 | ≤0.50 | ≤0.040 | ::: | ::: | | SPCE | ≤0.08 | ≤0.45 | ≤0.030 | ::: | ::: | 表5-3所示的3种钢材中，碳素（C）含有量高，通用性强的SPCC材料，作为齿轮材料被选用较多。因为厚度较薄，所以运用在比SS材料更低强度的齿轮中。但其碳素含量对淬火来说，仍属较少范畴（淬火需要较多碳素含量），因此通过淬火达到表面硬化的效果并不理想。想要轻松达到表面硬化的目的，一般指定氮化处理。 === 3. 机械结构用碳素钢（S-C材料） === 因其是在热处理后使用的材料，所以被归类为特殊钢中的合金钢。热处理仅限于材料表面，如果材料内部也需要硬度的话则使用机械结构用合金钢（表5-4）。 表5-4 S-C材料的成分表（引用自JIS G 4051） | 钢材牌号 | 化学成分 ||||| 拉伸强度 N/mm2 || | ::: | C | Si | Mn | P | S | 正火 | 淬火回火 | | S15C | 0.13-0.18 | 0.15-0.35 | 0.3-0.6 | ≤0.030 | ≤0.035 | ≥370 | - | | S20C | 0.18-0.23 | ::: | ::: | ::: | ::: | ≥400 | - | | S25C | 0.22-0.28 | ::: | ::: | ::: | ::: | ≥440 | - | | S30C | 0.27-0.33 | ::: | 0.6-0.9 | ::: | ::: | ≥470 | ≥540 | | S35C | 0.32-0.38 | ::: | ::: | ::: | ::: | ≥510 | ≥570 | | S40C | 0.37-0.43 | ::: | ::: | ::: | ::: | ≥540 | ≥610 | | S45C | 0.42-0.48 | ::: | ::: | ::: | ::: | ≥570 | ≥690 | | S50C | 0.47-0.53 | ::: | ::: | ::: | ::: | ≥610 | ≥740 | | S55C | 0.52-0.58 | ::: | ::: | ::: | ::: | ≥650 | ≥780 | 从表中可以看出，对S15C-S25C的碳素（C）的淬火、回火的拉伸强度并没有作出规定。这是因为碳素（C）含有量比较少，通过热处理实现硬度提高的效果并不理想。单纯的想作为金属齿轮使用的话可以选择此材料。但是，想要使这种低碳素钢的齿面硬化的话，则需要指定对材料进行补加碳素的[[齿轮知识:齿轮术语集:齿轮渗碳|渗碳]]淬火后使用。\\ 与此相反，S30C以后的材料因为碳素含有量高，被称为适合进行淬火的材料。因此，这样的材料，想要使齿面硬化的话，可以选择淬火、回火（全体淬火）或者高频淬火（部分淬火）后使用。 " 对材料进行淬火的话，原来可以通过碳素含有量来选择渗碳淬火或者高频淬火的呀！ "\\ {{ :gear:firststep:lb-cat-1.jpg?nolink | labnotes mechanical cat }} === 4. 机械构造用合金钢（SCM材料） === 做完热处理之后才使用是前提条件。一般被称为铬钼钢，加入钼（Mo）来提高淬火性，有在500°C左右的高温下仍然能够保持强度的特点（表5-5）。 表5-5 SCM材料的成分表（引用自JIS G4053） | 钢材牌号 | 化学成分 |||||||| 拉伸强度 N/mm2 | 硬度\\ HBW | | ::: | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | ::: | ::: | | SCM415 | 0.13-0.18 | 0.15-0.35 | 0.6-0.9 | ≤0.03 | ≤0.03 | ≤0.25 | 0.6-1.2 | 0.15-0.25 | ≥830 | 235-321 | | SCM420 | 0.18-0.23 | ::: | ::: | ::: | ::: | ::: | ::: | ::: | ≥930 | 262-352 | | SCM430 | 0.28-0.33 | ::: | ::: | ::: | ::: | ::: | ::: | 0.15-0.3 | ≥830 | 241-302 | | SCM435 | 0.33-0.38 | ::: | ::: | ::: | ::: | ::: | ::: | ::: | ≥930 | 269-331 | | SCM440 | 0.38-0.43 | ::: | ::: | ::: | ::: | ::: | ::: | ::: | ≥980 | 285-352 | SCM415和SCM420的碳素（C）含有量分别为0.15%和0.2%，比较低，所以热处理一般指定为渗碳淬火。SCM430-SCM440的碳素（C）含有量均超过0.3%，所以一般指定淬火回火（全体淬火的调质）或者高频淬火（部分淬火）。 === 5. 铸铁（FC材料） === 通过铸造可以简单制作复杂的形状是其特点（表5-6）。 表5-6 FC材料的成分表（引用自JIS G 5501、JIS G 5502） | 钢材牌号 | 化学成分 |||||||| 拉伸强度 N/mm2 | | ::: | C | Si | Mn | P | S | Mg | Cr | Mo | ::: | | FC250 | 3.2-3.5 | 1.7-2.2 | 0.6-0.9 | ≤0.15 | ≤0.10 | - | - | - | ≥270 | | FCD500 | 3.5-3.6 | 2.5-2.7 | ≤0.4 | ≤0.05 | ≤0.02 | - | ≤0.1 | ≤0.1 | ≥500 | 碳素（C）含有量与钢相比高出很多，所以具有耐磨性强的特点。FCD材料适合大型齿轮，另外，由于降震性能高，所以可以实现降噪的目的。 === 6. 铜合金（Cxxx材料） === 耐腐蚀性和耐磨性高，被使用在齿轮和滑动轴承等上面。 表5-7 Cxxx材料的成分表（引用自JIS H 5120） | 材料牌号 | 化学成分 |||||||| 0.2% 耐力 N/mm2 | | ::: | Cu | Sn | P | Pb | Zn | Fe | Sb | Ni | ::: | | CAC502A (磷青铜铸造) | 87.0-91.0 | 9.0-12.0 | 0.05-0.20 | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 0.05 | 1.0 | ≥120 | 也可以使用在一般的齿轮上，但更适合使用在滑动轴承和蜗轮上。 === 7. 特殊用途钢（SUS材料） === 要求耐腐蚀性的话，可以使用不锈钢。碳素（C）含有量1.2%以下，铬（Cr）含有量10.5%以上的材料被称为不锈钢。SUS303和SUS304是奥氏体不锈钢，耐腐蚀性强。SUS440C是马氏体不锈钢，强度高（表5-8）。 表5-8 SUS材料的成分表（引用自JIS G 4305） | 钢材牌号 | 化学成分 ||||||| 耐力 N/mm2 | 拉伸强度 N/mm2 | | ::: | Cu | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | ::: | ::: | | SUS303 | ≤0.15 | ≤1.0 | ≤2.0 | ≤0.20 | ≥0.15 | 8.0-10.0 | 17.0-19.0 | ≥205 | ≥520 | | SUS304 | ≤0.08 | ≤1.0 | ≤2.0 | ≤0.045 | ≤0.03 | 8.0-10.5 | 16.0-18.0 | ≥205 | ≥520 | | SUS440C | 0.95-1.20 | ≤1.0 | ≤1.0 | ≤0.04 | ≤0.03 | ≤0.75 | 16.0-18.0 | - | - | SUS303比SUS304的硫磺（S）含有量多，所以可切削性强。 === 8. 工程塑料 === 作为齿轮材料，在追求低价格、轻量化、防锈效果的时候，有时会选择树脂材料。\\ 一般使用具有自润滑性的尼龙和POM（聚醛树脂）。\\ 尼龙类型的材质当中，一般使用MC901（机械加工）和M90（注塑成型）。\\ 聚醛树脂中，一般使用Duracon（日本宝理公司的商品名）。\\ 与此相反，使用在外罩等树脂成形中的ABS（ABS树脂）和PC（聚碳酸酯）、丙烯酸树脂等有润滑油等的油分附着时，会产生溶剂裂纹现象，导致龟裂更容易发生，所以不适合使用在像齿轮这样的机械要素中。\\ 在树脂齿轮上附着的润滑油等的油分通过旋转会产生飞散，附着在附近的ABS和PC、丙烯酸树脂的零件时会诱发龟裂问题，所以周边零件的设计时要十分注意。 ==== 3. 齿轮材质的组合和硬度 ==== 一对齿轮的材质，可以根据负荷的大小给出具体标准（表5-9）。 表5-9 齿轮材料组合的思考方法 | 负荷（PV值） | 驱动侧齿轮 | 被动侧齿轮 | 参考 | | 低负荷 | 树脂、铜合金、\\ 钢（无热处理） | 树脂 | 配对齿轮都是树脂，并且在高速啮合运转的话，热量会难以散出，一般会与金属齿轮配对使用，这样具有冷却效果 | | 中负荷 | 钢 | 铜合金、钢 | 钢材基本要进行热处理 | | 高负荷 | 钢（有热处理） | 钢 | ::: | 如果要对钢材制作的齿轮进行热处理的话，需要在图纸上标注清楚要求硬度。硬度的标准可以参考齿轮厂商等的样本（表5-10）。 表5-10 齿轮硬度的标准（样本规格参考值） | 材质 | 热处理种类 | 硬度标准 | | S45C（机械结构用碳素钢） | 无 | HB194以下 | | ::: | 调质 （淬火、回火） | HB225-260 | | ::: | 高频淬火 | HRC45-55 | | SCM440（铬钼合金钢） | 调质 （淬火、回火） | HB225-260 | | ::: | 高频淬火 | HRC45-60 | | SCM415（铬钼合金钢） | 渗碳淬火 | HRC55-60 | * HB（布式硬度） 通过向较软材料压入超硬合金钢的圆球来测量\\ * HRC（洛氏硬度）通过向比HB更硬的材料压入钻石的压头来测量 ==== 4. 齿轮的强度 ==== 齿轮的强度计算包括齿的弯曲强度和齿面硬度，两种都需要计算，确认强度是否满足条件。 === 1. 齿的弯曲强度 === 齿受到很大力的负荷的时候，齿根就会破损。\\ 齿的弯曲强度是预防齿折断必须要确认的项目（图5-1）。 要增强齿的弯曲强度，一般有以下几个方法。 * 增加模数 * 增加齿宽 * 使用拉伸强度大的材料 * 增大压力角 {{ :gear:firststep:lack-of-bending-stress-at-root.jpg?nolink | 弯曲应力不足 }}\\ 图5-1 弯曲应力不足 === 2. 齿面硬度 === 对齿的表面施加大的面压时，会诱发齿面的剥落和磨损。\\ 齿面硬度是预防齿面损伤必须要确认的项目（图5-2）。 {{ :gear:firststep:contact-stress.jpg?nolink | 齿的接触应力 }}\\ 图5-2 齿的接触应力 增大齿面硬度，一般有以下几个方法。 * 做热处理，使齿面变硬。 * 通过增大齿的节圆直径来减小圆周方向得切向力。 * 增加齿宽 * 研磨齿面提高表面光洁度 通过以上解说，相信您已经理解了关于在设计齿轮时选定材质的种类和强度方面的问题。 " 谢谢！ " {{ :gear:firststep:lb-cat-2.jpg?nolink | 机器猫 }}\\ 【学习运用齿轮的机械设计第一步】共5回，全部完结。 插图：KAOSUN ---- 来源：[[https://khkchilun.com/gearknowledge/|KHK 齿轮知识]] · [[https://khkchilun.com/gearknowledge/the-first-step-of-mechanism-design-using-gears/know-about-type-and-strength-of-gear-material.html|原文链接]]