齿轮在我们日常生活中依赖的许多产品的性能中起着至关重要的作用。当我们想到齿轮时，我们通常将它们分为两类：运动承载和动力传输。承载运动的齿轮通常是有色金属或塑料，而承载动力传输齿轮通常由铁合金制成。这里的重点是热处理用于重型服务的齿轮。
要了解热处理为何重要，请考虑材料科学模型。产品性能能力的最终用途是由其机械、物理和冶金性能定义的，这些性能由通过特定热处理工艺生产的零件微观结构决定。
齿轮制造的感应加热处理工艺选型及分析
预硬化工艺
在齿轮制造过程中通常会进行几次热处理，以便为预期的制造步骤准备零件。这些对于制造优质齿轮至关重要。
退火
退火包括加热并保持在合适的温度，然后以合适的速率冷却，主要是为了软化零件并提高其可加工性。超临界或完全退火涉及将零件加热至高于临界温度 (AC3) — 即冷却过程中奥氏体开始转变为铁素体的温度，然后在炉中缓慢冷却至 600ºF 左右。临界间退火涉及将零件加热到高于最终转变温度 (AC1) 的温度，这是加热过程中奥氏体开始形成的温度。亚临界退火将零件加热到刚好低于 AC1 点，然后在炉中缓慢冷却。随着退火温度接近 AC1 部分，软化速率迅速增加。
正火
正火包括将零件加热到高于临界温度，然后在炉外进行空气冷却，以消除齿轮毛坯中的残余应力，并确保尺寸稳定性。通常从热和微观结构的角度考虑正火。在热学意义上，正火是奥氏体化，然后在静止或轻微搅拌的空气或氮气中冷却。在微观结构的意义上，归一化会产生更均匀的结构。归一化部件非常易于加工，但比退火部件更硬。正火在控制渗碳过程中的尺寸变化方面也起着重要作用。
压力缓解
应力消除涉及加热到低于较低转变温度的温度，如在回火中，保持足够长的时间以减少残余应力并足够缓慢地冷却（通常在空气中），以尽量减少新残余应力的发展。应力消除热处理用于消除由于制造步骤而锁定在齿轮中的内部应力。
硬化工艺
各种热处理工艺旨在提高齿轮硬度。这些通常涉及加热和冷却，通常分为通过硬化、表面硬化（渗碳、碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗）和通过施加能量（火焰、激光、感应）硬化。
完全或直接硬化是指不产生外壳的热处理方法。常见的淬硬齿轮钢的例子是 AISI 1045、4130、4140、4145、4340 和 8640。重要的是要注意，不应假设整个齿轮齿的硬度均匀。由于齿轮的外部比内部冷却得更快，因此会形成硬度梯度。最终硬度取决于钢中的碳含量；硬度的深度取决于钢的淬透性以及淬火强度。
可以在齿轮齿被切削之前或之后进行彻底硬化。在零件硬化后切割齿轮齿时，表面硬度和机械加工性成为重要因素，特别是考虑到机械加工会将部分或大部分硬度较高的材料去除到奥氏体范围内，通常为 815 至 875°C（ 1500 至 1600°F），然后进行淬火和回火。
表面硬化
表面硬化在延展性、抗震性内部或核心的顶部产生坚硬、耐磨的外壳或表面层。表面硬化背后的想法是将轮齿的核心保持在 30 到 40 HRC 左右的水平以避免齿断裂，同时硬化外表面以增加抗点蚀性。表面硬度值越高，抗点蚀性越大。当表面硬度达到约 50 HRC 时，弯曲强度增加，之后弯曲强度的增加被缺口敏感性的增加所抵消。
渗碳
渗碳是最常见的表面硬化方法。一个适当渗碳的齿轮将能够比淬火齿轮多处理 30-50% 的负载。渗碳钢通常是含约 0.10% 至 0.20% 碳的合金钢。常用渗碳钢的例子包括 AISI 10148、4320、5120、8620 和 9310 以及国际牌号，例如 20MnCr5、16MnCr5、ZF-7B、20MoCr4 和 V2525。
渗碳可以在 1475-2000°F (800-1090°C) 的温度范围内进行。今天的行业惯例发现大部分渗碳操作发生在 1600-1850°F（870 至 1010°C）。渗碳层深度可以在 0.005 到 0.25 英寸（0.13 到 8.25 毫米）的范围内变化。然而，对于低于 0.015 英寸（0.4 毫米）的表面深度，通常使用碳氮共渗工艺。
碳氮共渗
碳氮共渗是渗碳工艺的改进，而不是渗氮的一种形式。这种改进包括将氨引入渗碳气氛中，以便在渗碳外壳生产过程中向渗碳外壳中添加氮气。通常碳氮共渗的齿轮钢的例子包括 AISI 1018、1117 和 12L14。
通常，碳氮共渗在比渗碳更低的温度下完成，或者在 1330-1650°F (700-900°C) 之间，并且时间更短。由于氮会抑制碳的扩散，因此通常会导致比渗碳零件的典型情况更浅的情况。碳氮共渗外壳的深度通常在 0.003-0.030 英寸（0.075-0.75 毫米）之间。
氮化
渗氮是另一种增加表面硬度的表面处理工艺。由于不需要快速淬火，尺寸变化保持在最低限度，这是一个主要优点。并非适用于所有齿轮材料。其局限性之一是产生了极高的表面硬度或“白层”，比渗碳产生的表面更脆。尽管如此，氮化已被证明是许多应用的可行替代方案。通常的氮化齿轮钢包括 AISI 4140、4150、4340、7140、8640 和 AMS 6475（Nitralloy N）。
氮化通常在 925-1050°F (495-565°C) 范围内进行。对于生产优质且一致的氮化物外壳和可预测的尺寸变化而言，三个极其关键的因素是钢成分、先前结构和核心硬度。表面深度和表面硬度特性不仅随渗氮的持续时间和类型而变化，而且还受这些因素的影响。通常，外壳深度在 0.008-0.025 英寸（0.20-0.65 毫米）之间，需要 10 到 80 小时才能生产。
氮碳共渗
氮碳共渗是渗氮的一种改进形式，而不是渗碳的一种形式。在这里，当钢处于铁素体状态时，即在低于加热过程中奥氏体开始形成的温度下，氮和碳同时被引入钢中。在此过程中会形成非常薄的“白色”或复合层，以及下面的扩散区。与渗氮一样，不需要快速淬火。通常进行氮碳共渗的齿轮钢的例子包括 AISI 1018、1141、12L14、4140、4150、5160、8620 和某些工具钢。
氮碳共渗通常在 1025-1110°F (550-600°C) 下进行，可用于产生等效的 58 HRC 最低硬度，该值随基材而增加。白层深度范围为 0.00005-0.0022 英寸（0.0013 至 0.056 毫米），典型的扩散区域为 0.0013-0.032 英寸（0.03-0.80 毫米）。
在齿轮的制造中使用了各种通过施加能量进行淬火的方法，包括火焰淬火、激光表面淬火和感应淬火。
火焰硬化
通过旋转或渐进式加热技术，火焰硬化可用于小型和大型齿轮。在渐进式加热方法中，火焰逐渐加热火焰头前面的齿轮。有时必须通过逐渐增加行驶速度或通过预冷来补偿这种影响。通过这种技术可以硬化多种齿轮材料，包括普通碳钢、渗碳等级、铸铁和某些不锈钢等级。
主要的操作变量是火焰头或叉的移动速度；火焰速度和氧燃料比；内火焰锥体或燃气燃烧器到工作台面的距离；以及淬火的类型、体积和角度。许多小批量火焰硬化操作的成功取决于操作员的技能。
激光表面硬化
激光表面硬化用于提高齿轮等高应力机械零件的机械性能和表面硬度。由于大型工业激光器的成本较高，而且 0.16-0.20 英寸的材料带无需多次重叠即可硬化，因此用于表面处理的激光器的使用相对有限。从能量的角度来看，激光不是很有效，增加了费用。AISI 1045、4340 和铸铁（灰色、可锻和延展性）等齿轮材料是该技术的理想选择。
感应淬火
感应淬火通常用于齿轮的热处理。该过程使用交流电来加热齿轮齿的表面。然后对该区域进行淬火，导致加热区域的硬度增加。它通常在相对较短的时间内完成。钢的类型、其先前的微观结构和所需的齿轮性能特征决定了所需的硬度分布以及由此产生的齿轮强度和残余应力分布。外部正齿轮和斜齿轮、锥齿轮和蜗轮、齿条和链轮通常采用感应淬火。典型的齿轮钢包括 AISI 1050、1060、4140、4150、4350 和 5150，感应淬火后尽快消除应力或回火可降低开裂风险。
感应加热产生的硬度图案取决于所用感应器的类型和形状以及加热模式。一种用于齿轮感应淬火的技术是使用线圈环绕零件。在实践中，这个圆周感应器从尖端向下硬化牙齿。虽然这种模式对于花键和一些齿轮装置是可以接受的，但在点蚀、剥落、齿疲劳和耐久性等问题的较重负载齿轮需要更像渗碳情况下的硬度模式。这种类型的感应淬火称为轮廓淬火，是通过应用单次或扫描模式通过逐齿或逐间隙技术产生的。图案均匀性对线圈定位非常敏感。
与轮廓硬化具有相同效果的另一种方法是使用双频。使用 3 或 10 kHz 的预热使核心温度上升到略低于奥氏体化温度。然后根据齿轮的要求，单元变为中频或高频。这种方法的优点是更短的循环时间。在非常大的齿轮中，轮廓加热将更具成本效益，因为线圈随着尺寸的增加而变得非常昂贵。
后硬化工艺
硬化后，齿轮通常要经过几个热处理和机械加工步骤。
回火
下临界温度（AC1）以下的任何温度均可用于回火，但最终回火温度是使用中所需的硬度、强度和韧性的平衡。在 300-400°F (150-200°C) 范围内回火对于齿轮来说是常见的，它会稍微增加韧性，这对于大多数需要高强度和抗疲劳性的应用来说是足够的，其中负载主要是压缩。有时对齿轮进行双重回火以确保回火反应的完成并促进所得微观结构的稳定性。
零下处理
目前使用两种类型的低温处理：-120°F (-85°C) 的“浅”冷却和 -300°F (-185°C) 的“深”冷却。在某些情况下，这种处理与随后的回火操作相结合。
深冷处理的目的是转化残余奥氏体，提高淬火态组织的硬度。此外，通常还可以获得更好的尺寸稳定性。亚零处理的最终目标是提高耐磨性、改善弯曲疲劳寿命和最小化残余应力。如今，低温处理在高性能齿轮中很常见。
喷丸强化
喷丸强化是一种冷加工过程，其中齿轮表面用称为丸粒的小球形介质进行轰击。喷丸强化是一个受控过程，在该过程中，介质的尺寸、形状和速度受到仔细监测和控制。齿轮喷丸处理的一个常见要求是对齿根进行喷丸处理，齿面允许有过喷。喷丸处理不应与喷丸处理（一种清洁工艺）混淆。
喷丸会在齿轮表面产生残余压应力，从而增强齿的弯曲疲劳性能。残余压应力抵消了可能导致弯曲材料失效的施加拉应力。
材料选择
动力传动齿轮使用多种钢和铸铁。在所有齿轮中，必须在仔细考虑最终用途所需的性能和总制造成本后，才能选择材料，并考虑加工经济性等问题。关键的设计考虑需要分析施加的载荷类型，无论是渐进的还是瞬时的，以及所需的机械性能，例如弯曲疲劳强度或耐磨性，所有这些都定义了核心强度和热处理要求。
齿轮齿廓的不同区域有不同的服务需求。必须考虑作用在轮齿上的力，其中轮齿弯曲和接触应力、抗划伤和耐磨性以及疲劳问题是最重要的。例如，在根部区域，需要良好的表面硬度和高残余压应力以提高耐久性或弯曲疲劳寿命。在中径处，必须结合高硬度和足够的表面强度来处理接触应力和磨损并防止剥落。
影响疲劳强度的因素很多，包括：
硬度分布，作为表面硬化、表面深度、核心硬度的函数
显微组织，作为残余奥氏体百分比、晶粒尺寸、碳化物（尺寸、类型、分布）、非马氏体相的函数。
缺陷控制，作为残余压应力、表面光洁度、几何形状、晶间韧性的函数
在整个制造方案中，材料选择过程、工程设计和制造之间必须存在协同关系。为了优化齿轮设计的最终性能，必须在每个学科的优先级之间取得平衡。这通常不是一件容易的事。
尽管材料仅占制造典型齿轮成本的一小部分（约 10%），但材料选择必须是原材料成本和性能能力的完美结合。了解材料中存在的每种合金元素的功能及其对合金物理性能的影响对于材料选择至关重要。通过材料选择来平衡的特性包括拉伸强度、屈服强度和冲击强度，以及伸长率。
对于许多齿轮应用，需要 30 到 40 HRC 范围内的核心硬度，即齿轮齿的横截面中心。为了达到这种硬度，在选择材料时需要考虑零件截面尺寸和齿轮节距尺寸。如果芯部硬度太低，在高负荷下将无法支撑外壳；如果太高，可能会在壳/芯接口处发生齿轮齿的“碎裂”。
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