齒輪技術站 AMX － 齒輪科普之基礎篇 (13) --- 昭源企業

2022-10-31

4. 齒輪的材料及熱處理

機械、機器、日用品、玩具等領域中廣泛使用的齒輪，其材料也是各種各樣。在這裡，我們將
向您介紹具有代表性的齒輪用金屬材料及其熱處理方法。

◆ 齒輪的精度大致可以分成三類。
◆ 齒輪精度的基準是齒輪的中心線（齒輪軸心）。
◆ 誤差越小齒輪的精度越高。

6-1 具有代表性的齒輪材料

♦ S45C（機械構造用碳鋼）S45C 是含碳量為0.45% 的中碳鋼(Steel) 的代表。因為非常普及，正齒輪、螺旋齒輪、齒條、傘形齒輪、蝸桿等各種齒輪多使用這種材料。
♦ SCM440（鉻鉬合金鋼）
   含碳量C = 0.40%，成份中含有鉻/ 鉬等成分的中碳合金鋼。比S45C 的強度高，使用調質或高周波淬火處理可提高硬度，用來製造各種不同的齒輪。
♦ SCM415（鉻鉬合金鋼）
   低碳合金鋼(C=0.15%) 的代表材料。
   一般情況下，經滲碳淬火處理後使用。
   材料熱處理後的強度高於S45C 及SCM440。使用表面硬度在55 ～ 60HRC 左右。
♦ SUS303（不鏽鋼：18Cr-8Ni 鋼）
   不鏽鋼，正如其名是不容易生鏽的鋼(Stainless Steel)。
   奧斯田系的不鏽鋼基本上為非磁性。
   不鏽鋼材的齒輪主要使用在食品機械等需要避免生鏽的機械中。
   與SUS303 的成分相似的不鏽鋼材料還有SUS304。它的耐蝕性能高於SUS303。
♦ 鑄造銅合金
   鑄造銅合金是製造蝸輪的主要材料。一般有鑄造磷青銅(CAC502) 鋁青銅(CAC702) 等。
   咬合配對的蝸桿的材料大多使用S45C/SCM440/SCM415 等鋼材。蝸桿與蝸輪使用不同材料是為了防止蝸桿蝸輪咬合時由於滑動而引起的齒面燒著及過度磨損等。

♦ 什麼是淬火？
   為了提高鋼材的硬度，將材料加熱到高溫( 約800℃ ) 後快速冷卻。根據冷卻介質，分為油冷/ 水冷/ 噴射冷卻等不同種類。淬火後的鋼材過脆，為了增加鋼材的韌性，一般需要再進行回火處理。
   純鐵即使經過淬火處理也不會變硬。鋼材的含碳量在0.35% 以上的話，淬火硬化才有可能。
♦ 什麼是調質處理？
   調質處理是將淬火及高溫回火相結合，調整鋼材( 鋼件) 硬度/ 強度/ 韌性的熱處理。
   因為調質後的材料及製品要進行機械加工，所以不能讓硬度達到淬火後那麼高。
♦ 什麼是高周波淬火？
   像S45C 或SCM440 這樣含碳量在0.35% 以上的碳素鋼，對其表面進行硬化處理的方法。
   要注意的是，對齒輪進行高周波淬火處理後，會發生齒面及齒頂的硬度達到使用要求，但齒根部分會有達不到淬火硬度的情況。硬度低於滲碳淬火處理的硬度。
   齒輪經過高周波淬火後精度下降。作為高精度齒輪使用時需要對齒輪再做磨削加工。
♦ 什麼是滲碳淬火？
   滲碳淬火是在低碳鋼的表面滲入碳素，使之成為高含碳量狀態的處理。是僅對鋼材表面進行硬化的熱處理手段。
   滲入碳素的表面會變得特別的硬。芯部 (C = 0.15% 的低碳素) 也會有某種程度的變硬，但卻不如表面來得硬。
   經過滲碳淬火處理的齒輪容易產生變形( 尺寸增大)及扭曲等，致使齒輪精度下降1 個等級程度。
   要想提高齒輪精度，需要對齒輪做再次磨削。
♦ 什麼是氮化處理？
   氮化是將氮擴散滲入鋼的表面以提高表面硬度的熱處理方法。含有鋁、鉻、鉬的鋼材容易達到氮化目的，表面硬度提高。適合氮化處理的鋼有SACM645 ( 鋁鉻鉬鋼)。

「本文章摘錄自小原齒車工業株式會社出版之齒輪ABC」