齿轮可以由各种材料制成，包括许多类型的钢、黄铜、青铜、铸铁、球墨铸铁、铝、粉末金属和塑料。总体而言，钢是最常见的材料，尽管多年来，我们一直在使用提到的所有材料类型。钢通常是最理想的，因为它提供了高强度重量比、高耐磨性、通过热处理增强物理性能的能力以及有竞争力的价格的成功组合。

了解齿轮所用材料

1、一般结构用轧钢（SS材质）

保证抗拉强度而不是化学成分的钢。（表 5-2）

表 5-2 SS 材料成分表（引自 JIS G 3101）

SS330 - SS490 没有规定碳 (C) 的含量。碳负责钢的强度，也影响淬透性。
因此，如果您选择日本经常用于齿轮的SS400材料，您就是在选择未硬化的低强度金属齿轮。

2、冷轧钢板（SPC材质）

用于平板或曲板作为一般钣金件。（表 5-3）

表5-3 SPC材料成分表（引自JIS G 3141）

SPCC 常用于齿轮材料，因为它的碳 (C) 含量高且具有通用性。由于厚度较薄，SPCC 用于强度低于 SS 材料的齿轮。由于碳含量低，它们的表面不能通过硬化来固化，因此您需要指定软氮化处理来简单地硬化它们的表面。

3、机械结构用碳素钢（SC材质）

在各种特殊钢中，有时在热处理后使用，因此被归类为合金钢。热处理仅限于表面层。如果内部零件需要坚硬，机器结构使用合金钢。（表5-4）

表 5-4 SC 材料成分表（引自 JIS G 4051）

对于 S15C - S25C，碳 (C) 的淬火和回火的拉伸强度没有规定，因为由于碳 (C) 含量较低，热处理不会提高硬度。当您只想使用金属时选择这种材料。如果要对这种低碳钢的齿面进行硬化，请在指定添加碳的渗碳和淬火后选择这些材料。
另一方面，S30C 及以下材料含有较多的碳，因此适用于一般硬化。如果您想用这些材料硬化齿面，请指定淬火和回火（整体）或感应淬火（选择性部分）。

“硬化时，根据碳含量选择渗碳淬火或感应淬火！”

齿轮材料

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选择用于制造齿轮的特定材料类型最终是在所需强度、耐用性和成本之间取得平衡。本文回顾了不同的金属和非金属齿轮材料、齿轮应用以及动力传输计算。

齿轮钢的分类

齿轮钢可分为两大类——普通碳钢和合金钢。合金钢在一定程度上用于工业领域，但热处理的普通碳钢更为常见。齿轮上使用未经处理的合金钢很少，如果有的话，是合理的，而且只有在缺乏热处理设施的情况下。确定使用热处理普通碳钢还是热处理合金钢时应考虑的要点是：使用条件或设计是否需要合金钢的优越特性，或者，如果不需要合金钢，所获得的优势是否会抵消额外的成本？对于大多数应用而言，普通碳钢经过热处理以获得预期服务的最佳质量，是令人满意且相当经济的。使用热处理合金钢代替热处理普通碳钢的优点如下：

1. 对于相同的碳含量和淬火，增加了表面硬度和硬度渗透深度。
2. 能够以较不剧烈的淬火获得相同的表面硬度，并且在某些合金的情况下，淬火温度较低，因此变形较小。
3. 更高的屈服点、伸长率和面积减少值表明韧性增加。
4. 更细的晶粒尺寸，由此产生更高的冲击韧性和更高的耐磨性。
5. 在某些合金的情况下，更好的加工质量或更高硬度加工的可能性。

表面硬化钢的使用

两大类齿轮钢中的每一类可进一步细分如下： 1) 表面硬化钢；2) 全硬化钢；3) 经热处理并拉制成可进行机械加工的硬度的钢。

前两种——表面硬化钢和全硬化钢——在某些服务中可以互换，选择通常取决于个人意见。当需要耐磨性时，通常使用具有极硬、细晶粒（适当处理时）表壳和相对柔软且具有延展性的芯部的表面硬化钢。表面硬化合金钢具有相当坚韧的核心，但不如全硬化钢坚韧。为了从核心性能中获得最大收益，表面硬化钢应进行双淬火。对于合金钢来说尤其如此，因为从它们的使用中获得的好处很少能证明额外的费用是合理的，除非通过第二次淬火对核心进行精炼和增韧。额外细化必须付出的代价是增加失真，

使用“透硬化”钢

当需要高强度、高耐力极限、韧性和抗冲击性时，可使用穿通硬化钢。这些品质取决于所用钢材的种类和处理方式。在这组中可以获得相当高的表面硬度，尽管不如表面硬化钢高。由于这个原因，耐磨性并没有达到可能获得的那么大，但是当要求耐磨性与高强度和韧性相结合时，这种钢优于其他钢。硬化钢在硬化时会发生一定程度的变形，变形量取决于所使用的钢和淬火介质。出于这个原因，贯穿硬化钢不适用于以噪音为主要因素的高速齿轮，或用于精度至关重要的齿轮，当然，除非：在可以磨牙的情况下。中碳和高碳百分比需要油淬，但对于较低的碳含量可能需要水淬，以获得最高的物理性能和硬度。然而，水淬时变形会更大。

允许加工的热处理

当齿轮齿的磨削不切实际并且需要高精度时，可以将硬化钢拉制或回火到允许切割齿的硬度。这种处理提供了高度精细的结构、出色的韧性，并且尽管硬度低，但仍具有出色的耐磨性。通过消除由于不准确性引起的冲击而产生的增量载荷，在一定程度上补偿了较低的强度。当以这种方式处理从表面到核心的硬度渗透程度较低的钢时，设计不能基于与表面硬度相对应的物理特性。由于物理特性是由硬度决定的，从表面到核心的硬度下降会导致牙根的物理特性降低，压力最大的地方。淬火介质可以是油、水或盐水，这取决于所使用的钢和所需的硬度渗透。当然，变形量无关紧要，因为机加工是在热处理之后进行的。

使小齿轮比齿轮更硬以平衡磨损

通过使小齿轮比齿轮更硬，从磨损的角度来看是有益的结果。小齿轮的齿数比齿轮少，每个齿自然会做更多的功，小齿轮和齿轮之间的硬度差异（取决于比率）用于平衡磨损率。较硬的小齿轮齿通过初始磨损在一定程度上纠正了齿轮齿中的误差，然后由于表面的冷加工而使齿轮的齿变得光滑并增加了其承受磨损的能力。在齿轮比高且没有严重冲击载荷的应用中，与经过油处理的齿轮一起运行的表面硬化小齿轮，经过处理后达到可切割齿的布氏硬度，是一个很好的组合。小齿轮，

齿轮用锻轧碳钢

根据热处理，这些成分涵盖了三组齿轮用钢，如下所示：

a) 表面硬化齿轮

b) 未淬硬的齿轮，机加工后未经热处理

c) 调质齿轮

锻造和轧制碳齿轮钢是根据表 1 中规定的化学成分要求购买的。N 级钢通常在这些限制内的十点碳范围内订购。对物理性能的要求已省略，但在要求时应省略对碳的要求。钢可以通过平炉和电炉工艺中的一种或两种来制造。

表 1 齿轮用锻轧碳钢的成分

齿轮用锻轧合金钢

这些成分包括齿轮用合金钢，根据热处理分为以下两类：

a) 表面硬化齿轮

b) 淬火和回火齿轮

锻轧合金齿轮钢按表2规定的化学成分要求采购，省略了物理性能要求。钢应由平炉和电炉工艺中的一种或两种工艺制成。

表 2 齿轮用锻轧合金钢的成分

a C = 碳；Mn = 锰；Si = 硅；Ni = 镍；Cr = 铬，Mo = 钼。

b两种 Nitralloy 合金均含有 0.85–1.2% 的铝

齿轮用钢铸件

建议根据化学分析购买用于切削齿轮的铸钢件，并且只使用两种分析，一种用于表面硬化齿轮，另一种用于未经处理的齿轮和需要淬火和回火的齿轮。钢将通过平炉、坩埚或电炉工艺制造。转换器进程无法识别。必须提供足够的立管，以确保稳固和免于过度隔离。未退火铸件不得强行折断冒口。用火炬切断冒口时，切口应至少高于铸件表面二分之一英寸，并通过切削、磨削或其他无害方法去除剩余的金属。

齿轮用钢应符合表 3 规定的化学成分要求。所有齿轮用钢铸件必须彻底正火或退火，使用的温度和时间应完全消除未退火铸件的特征组织。

表 3 齿轮用铸钢的成分

a C = 碳；Mn = 锰；Si = 硅。

合金化金属对齿轮钢的影响

这里总结了各种合金元素对钢的影响，以帮助确定用于特定目的的特定合金钢。概述的特性仅适用于热处理钢。当说明添加合金元素的效果时，可以理解的是，与相同碳含量的普通碳钢相比，参考的是给定碳含量的合金钢。

镍：添加镍往往会增加硬度和强度，但不会牺牲延展性。硬度渗透比普通碳钢稍大。由于淬火温度较低，使用镍作为合金元素降低了临界点并产生较少的变形。表面硬化组的镍钢渗碳较慢，但晶粒长大较少。

铬：铬比使用镍获得的硬度和强度增加，但延展性的损失更大。铬细化了晶粒并赋予了更大的硬度。铬钢具有高度的耐磨性，尽管晶粒细小，但易于加工。

锰：当存在足够量以保证使用合金一词时，添加锰是非常有效的。它比镍具有更高的强度，比铬具有更高的韧性。由于其对冷加工的敏感性，它很可能在严重的单位压力下流动。到目前为止，它还没有大量用于热处理齿轮，但现在受到越来越多的关注。

钒：钒具有与锰相似的作用——增加硬度、强度和韧性。延展性的损失比锰造成的损失要多一些，但硬度渗透比任何其他合金元素都大。由于晶粒结构极细，冲击强度高；但钒往往会使加工变得困难。

钼：钼具有增加强度而不影响延展性的特性。对于相同的硬度，含钼钢比任何其他合金钢更具延展性，并且具有几乎相同的强度，更坚韧；尽管增加了韧性，但钼的存在并不会使加工变得更加困难。事实上，这种钢的加工硬度比任何其他合金钢都高。冲击强度几乎与钒钢一样大。

铬镍钢：铬和镍两种合金元素的组合增加了两者的有益品质。镍钢的高延展性与添加铬所赋予的高强度、更细的晶粒尺寸、深度硬化和耐磨性能相辅相成。韧性的提高使这些钢比普通碳钢更难加工，而且更难热处理。变形随着铬和镍的量增加而增加。

铬钒钢：铬钒钢具有与铬镍钢几乎相同的拉伸性能，但更细的晶粒尺寸增加了硬化能力、冲击强度和耐磨性。与其他合金钢相比，它们难以加工并且更容易变形。

铬钼钢：该组钢具有与直钼钢相同的品质，但通过添加铬提高了硬化深度和耐磨性。这种钢很容易热处理和机加工。

镍钼钢：镍钼钢的品质与铬钼钢相似。据说韧性更大，但钢更难加工。

烧结材料

对于低负载和中等负载齿轮的高产量，使用烧结金属粉末可以显着节省生产成本。使用这种材料，齿轮在高压下在模具中成型，然后在熔炉中烧结。主要成本节约来自于加工齿轮齿和其他齿轮毛坯表面的劳动力成本的大幅降低。生产量必须足够高以分摊模具的成本，并且齿轮毛坯必须具有可以成型并容易从模具中脱模的构造。

青铜和黄铜齿轮铸件

这些规范涵盖了用于直齿轮、锥齿轮和蜗轮的有色金属、用于复合齿轮的衬套和法兰。该材料应根据化学成分购买。合金可以通过任何批准的方法制造。

正齿轮和锥齿轮：对于正齿轮和锥齿轮，建议使用硬铸青铜（ASTM B-10-18；SAE No. 62；以及众所周知的 88-10-2 混合物），其成分限制如下： 铜, 86 至 89; 锡，9 至 11；锌，1 至 3；铅（最大值），0.20；铁（最大），0.06%。用这种青铜制成的优质铸件应具有以下最低物理特性：极限强度，每平方英寸 30,000 磅；屈服点，每平方英寸 15,000 磅；2英寸伸长率，14%。

工业齿轮用钢

蜗轮：对于青铜蜗轮，推荐使用两种替代分析磷青铜，SAE No. 65 和 No. 63。

SAE No. 65（称为磷齿轮青铜）具有以下成分： 铜，88 至 90；锡，10 至 12；磷，0.1 至 0.3；铅、锌和杂质（最大） 0.5%。

由这种合金制成的优质铸件应具有以下最低物理特性： 极限强度，每平方英寸 35,000 磅；屈服点，每平方英寸 20,000 磅；2英寸伸长率，10%。

SAE No. 63（称为含铅炮铜）的成分如下：铜，86 至 89；锡，9 至 11；铅，1比2.5；磷（最大值），0.25；锌和杂质（最大），0.50%。

由这种合金制成的优质铸件应具有以下最低物理特性： 极限强度，每平方英寸 30,000 磅；屈服点，每平方英寸 12,000 磅；2英寸伸长率，10%。

这些合金，尤其是 65 号合金，适用于淬火以提高硬度和细化晶粒。65 号更适合用于硬度高、精度高的蜗杆。63 号更适合与未硬化的蜗杆一起使用。

齿轮衬套：对于齿轮用青铜衬套，推荐使用 SAE No. 64 进行以下分析：铜，78.5 至 81.5；锡，9 至 11；领先，9比11；磷，0.05 至 0.25；锌（最大值），0.75；其他杂质（最大），0.25%。这种合金的良好铸件应具有以下最低物理特性：极限强度，每平方英寸 25,000 磅；屈服点，每平方英寸 12,000 磅；2英寸伸长率，8%。

复合小齿轮法兰 : 对于复合小齿轮的黄铜法兰，推荐使用 ASTM B-30-32T 和 SAE No. 40。这是一种良好的铸造红黄铜，具有足够的强度和硬度，可以在设计使法兰与配对齿轮啮合时承受其负载和磨损。组成如下：铜，83～86；锡，4.5 至 5.5；领先，4.5 至 5.5；锌，4.5 至 5.5；铁（最大）0.35；锑（最大），0.25%；铝，没有。由这种合金制成的优质铸件应具有以下最低物理特性：极限强度，每平方英寸 27,000 磅；屈服点，每平方英寸 12,000 磅；2英寸伸长率，16%。

蜗轮传动材料

Hamilton Gear & Machine Co. 对可能用于蜗轮的各种材料进行了一系列广泛的测试，以确定哪种材料最合适。根据这些测试，冷铸镍磷青铜在耐磨性和抗变形性方面排名第一。这种青铜由大约 87.5% 的铜、11% 的锡、1.5% 的镍和 0.1% 到 0.2% 的磷组成。这些测试中使用的蜗杆由 SAE-2315、3 ?% 镍钢制成，经过表面硬化、研磨和抛光。蠕虫的肖氏硬度在 80 到 90 之间。这种镍合金钢是在对多种钢进行多次测试后采用的，因为它提供了必要的强度以及所需的硬度。

在这些测试中表现第二好的材料是 SAE 65 号青铜。海军青铜 (88-10-2) 含有 2% 的锌，不含磷，未冷却，在每分钟 600 转的速度下表现令人满意，但在较低的速度下不够强。红黄铜 (85-5-5) 在每分钟 1500 到 1800 转的情况下被证明稍好一些，但会在较低的速度下弯曲，然后才会显示出实际磨损。

非金属齿轮

非金属或复合齿轮主要用于高速运行的安静性是首要考虑因素。非金属材料也非常普遍地应用于正时齿轮和许多其他类别的齿轮。生皮最初用于非金属齿轮，但已引入其他具有重要优势的材料。这些后来的材料由不同的公司以各种商品名称出售，例如 Micarta、Textolite、Formica、Dilecto、Spauldite、Phenolite、Fibroc、Fabroil、Synthane、Celoron 等。这些齿轮材料大部分由帆布层或其他材料组成浸渍塑料并在液压作用下强制结合在一起，再加上加热，形成致密的刚性块。

尽管酚醛树脂齿轮通常具有弹性，但它们是自支撑的，除非承受很大的启动扭矩，否则不需要侧板或护罩。酚醛树脂元件保护这些齿轮免受害虫和啮齿动物的侵害。

所指的非金属齿轮材料一般假定具有铸铁的动力传递能力。尽管抗拉强度可能远低于铸铁，但这些材料的弹性使它们能够承受一定程度的冲击和磨损，从而可能导致铸铁齿的过度磨损。因此，浸渍帆布的组合齿轮经常被证明比铸铁更耐用。

非金属齿轮的应用

这些非金属材料最有效的应用领域是高速负载。在低速时，当启动扭矩可能很高，或者当负载可能波动很大，或者当可能遇到高冲击负载时，这些非金属材料并不总是令人满意。一般来说，非金属材料不应用于低于 600 英尺/分钟 (3.05 m/s) 的节线速度。

齿形：非金属材料的最佳齿形是 20 度短齿系统。当只涉及单对齿轮且中心距可以变化时，制作全齿顶形式的非金属主动小齿轮和标准齿比的从动金属齿轮可获得最佳效果。这种驱动器将承载比标准齿比例之一高 50% 到 75% 的负载。

配合齿轮的材料：为了在负载下的耐用性，使用硬化钢（超过 400 布氏硬度）作为配合金属齿轮似乎可以提供最佳效果。配合件材料的第二个不错的选择是铸铁。使用黄铜、青铜或软钢（低于 400 布氏硬度）作为酚醛层压齿轮配合部件的材料会导致过度磨损。

非金属齿轮的动力传递能力

酚醛层压材料制成的齿轮的特性与金属齿轮的特性有很大的不同，应该将它们单独归为一类。由于弹性模量低，齿形和齿距小误差的影响大部分被弹性变形吸收在齿面，对齿轮的强度影响不大。

如果

S = 给定速度 ib/in 2 (MPa)的安全工作应力
S s = 允许的静态应力 lb/in 2 (MPa)
V = 节线速度，单位为英尺/分钟（米/秒）

那么，美国齿轮制造商协会的推荐做法，

酚醛层压材料的S s值为6000 lb/in 2 (41.36 MPa)。附表给出了不同节线速度下的安全工作应力S。当S的值已知时，通过将S的值替换为从第 592 页开始的塑料齿轮的动力传输能力部分中的适当方程式中的S值来确定马力。

非金属齿轮的安全工作应力

用于齿轮的酚醛层压材料的抗拉强度略低于铸铁。这些材料比任何金属都软得多，弹性模量约为钢的三十分之一。换言之，如果将引起 0.001 英寸（0.025 毫米）变形的钢齿轮上的齿载荷施加到由酚醛层压材料制成的类似齿轮的齿上，则非金属齿轮的齿将变形约1?32 英寸（0.794 毫米）。

在这些条件下，会发生几件事。对于所有齿轮，无论理论上的接触持续时间如何，只有一个齿会承受负载，直到负载足以使齿变形至可能存在的误差量。在金属齿轮上，当齿已变形时的误差量，材料中产生的应力可能接近或超过材料的弹性极限。因此，对于标准齿形和由标准基本齿条生成的齿形，计算它们的强度远远大于单个齿上可以安全承载的强度是很危险的。另一方面，在由酚醛层压材料制成的齿轮上，齿会发生这种正常误差的变形量，而不会在材料中产生任何明显的应力，因此负载实际上是由多个齿支撑的。

所有材料都有其独特而鲜明的特性，因此在某些特定条件下，每种材料都有自己的优势领域。这样的领域可能会有一定程度的重叠，只有在这样的重叠领域中，不同的材料才有直接的竞争力。例如，钢或多或少具有延展性，具有高抗拉强度和高弹性模量。另一方面，铸铁不具有延展性，抗拉强度低，但抗压强度高，弹性模量低。因此，当刚度和高抗拉强度至关重要时，钢远优于铸铁。另一方面，当这两个特性不重要，但高抗压强度和适度的弹性是必不可少的时，铸铁优于钢。

非金属齿轮的首选齿距

齿轮或小齿轮的节距应与功率或速度或施加的扭矩具有合理的关系，如附表所示。该表的上半部分基于在给定的节线速度下传输的马力 (kw)。下半部分给出以磅英尺 (Nm) 为单位的扭矩或 1 英尺（米）半径处的扭矩。对于任何给定的马力 (kw) 和速度，该扭矩T可以从以下公式获得：

非金属齿轮的孔径

对于普通酚醛层压小齿轮，即没有金属端板的小齿轮，应使用每英寸（或毫米/毫米）轴直径 0.001 英寸的驱动配合。对于直径超过 2.5 英寸（63.5 毫米）的轴，配合应恒定在 0.0025 到 0.003 英寸（0.064–0.076 毫米）。当使用金属加强端板时，驱动配合应符合与金属相同的标准。

酚醛层压型小齿轮的齿根直径应使从键槽边缘到齿根直径的最小距离至少等于齿深。

非金属齿轮的键槽应力

普通酚醛层压齿轮或小齿轮上的键槽应力不应超过 3000 psi (20.68 MPa)。键槽应力由以下公式计算：

在哪里

S = 单位应力，单位为磅/平方英寸（牛顿/平方米）
hp = 传输的马力
kw = 传输的千瓦功率
V = 轴的圆周速度，单位为英尺/分钟（米/秒）
A = 平方英寸（平方米）键槽面积小齿轮（长×高）

如果键槽应力公式以轴半径r（英寸或米）和每分钟转数来表示，它将显示为：

非金属齿轮的首选齿
距适用于生皮和酚醛层压材料

当设计使得键槽应力超过 3000 psi (20.68 MPa) 时，可以使用金属加强端板。这种端板不应超出齿根直径。固定螺栓外缘到齿根直径的距离不应小于全齿深。应避免使用驱动键，但如果需要，应在小齿轮上使用金属端板以起到键的楔入作用。

对于酚醛层压小齿轮，配合齿轮的面应与小齿轮面相同或稍大。

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