2024年6月3日发(作者：候梓露)
二、典型零部件选材及工艺分析
金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前的主要工程材料。高分子材料的强度、刚度较低、易老化，一
般不能用于制作承受载荷较大的机械零件。但其减振性好，耐磨性较好，适于制作受力小、减振、耐磨、密封零件，如
轻载齿轮、轮胎等。陶瓷材料硬而脆，一般也不能用于制作重要的受力零部件。但其具有高熔点、高硬度、耐蚀性好、
红硬性高等特点，可用于制作高温下工作的零部件、耐磨耐蚀零部件及切削刀具等。复合材料克服了高分子材料和陶瓷
材料的不足，具有高比强度、高减振性、高抗疲劳能力、高耐磨性等优异性能，是一种很有发展前途的工程材料。与以
上三类工程材料相比，金属材料具有优良的使用性能和工艺性能，储藏量大，生产成本比较低、广泛用于制作各种重要
的机械零件和工程构件，是机械工业中最主要、应用最广泛的一类工程结构材料。下面介绍几种钢制零部件的选材及热
处理工艺分析。
㈠齿轮类零件的选材
齿轮是机械工业中应用广泛的重要零件之一，主要用于传递动力、调节速度或方向。
1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。
⑴齿轮的工作条件：①啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。②传递动力时，轮齿类
似于悬臂梁，轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。③换挡、启动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载荷。
⑵齿轮的主要失效形式：①断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动
力时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。②齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使齿厚变小、齿隙加大。③接触疲
劳；在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。
⑶对齿轮材料的性能要求：①高的弯曲疲劳强度；②高的耐磨性和接触疲劳强度；③轮齿心部要有足够的强度和韧性。
2、典型齿轮的选材
⑴机床齿轮
机床齿轮的选材是依其工作条件（园周速度、载荷性质与大小、精度要求等）而定的。表13-3列出了机床齿轮的选材
及热处理。
表13-3机床齿轮的选材及热处理
序号
1
齿轮工作条件
在低载荷下工作，要求耐磨性好的齿
轮
2
低速（<0.1m/s）、低载荷下工作的不
重要的变速箱齿轮和挂轮架齿轮
3
低速（<0.1m/s）、低载荷下工作的齿
轮（如车床溜板上的齿轮）
4
中速、中载荷或大载荷下工作齿轮（如
车床变速箱中的次要齿轮）
5
速度较大或中等荷下工作的齿轮，齿
部硬度要求较高（如钻床变速箱中的
次要齿轮）
6
高速、中等载荷，要求齿面硬度高的
齿轮（如磨床砂轮箱齿轮）
45 高频加热，水冷，180~200C回
火
0
钢种
15
0
0
热处理工艺
900~950C渗碳，直接淬火，或
780~800C水冷，180~200C回
火
0
硬度要求
58~63HRC
45 840~860C正火
00
0
156~217HB
45 820~840C水冷，500~550C回
火
200~250HB
45 高频加热，水冷，300~340C回
火
0
45~50HRC
45 高频加热，水冷，240~230C回
火
0
50~55HRC
54~60HRC
7
速度不大，中等载荷，断面较大的齿
轮（如铣
床工作面变速箱齿轮、立车齿轮）
40Cr
42SiMn
45MnB
40Cr
42SiMn
840~860C油冷，600~650C回
火
00
200~230HB
8
中等速度（2~4m/s）、中等载荷下工
作的高速机床走刀箱、变速箱齿轮
高速、高载荷、齿部要求高硬度的齿
轮
调质后高频加热，乳化液冷却，
260~300C回火
0
50~55HRC
9
40Cr
42SiMn
调质后高频加热，乳化液冷却，
180~200C回火，
0
54~60HRC
10
高速、中载荷、受冲击、模数<5的齿
轮（如机床变速箱齿轮、龙门铣床的
电动机齿轮）
20Cr
20Mn2B
900~950C渗碳，直接淬火，或
800~820C油淬，180~200C回
火
0
0
00
0
58~63HRC
11
高速、重载荷、受冲击、模数>6的齿
轮（如立车上的重要齿轮）
20SiMnVB 900~950C渗碳，降温至
820~850C淬火，180~200C回
20CrMnTi
火
0
0
58~63HRC
12
高速、重载荷、形状复杂，要求热处
理变形小的齿轮
38CrMoAl 正火或调质后510~550C氮化
38CrAl
850HV以上
13 在不高载荷下工作的大型齿轮
50Mn2
65Mn
820~840C空冷
0
<241HB
14 传动精度高，要求具有一定耐磨性的
大齿轮
35CrMo
850~870C空冷，600~650C回
火（热处理后精切齿形）
00
255~302HB
机床
传动齿轮
工作时受
力不大，
工作较平
稳，没有
强烈冲
击，对强
度和韧性
的要求都
不太高，
一般用中
碳钢（例
如45钢）
经正火或
调质后，
再经高频
感应加热
表面淬火
强化，提
高耐磨
性，表面
硬度可达
52~58HRC
。对于性
能要求较
高的齿
轮，可选
用中碳合
金钢（例
如40Cr
等）。其
工艺路线
为：备料
→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→高频淬火+低温回火→装配。
正火工序作为预备热处理，可改善组织，消除锻造应力，调整硬度便于机械加工，并为后续的调质工序做好组织准
备。正火后硬度一般为180~207HB，其切削加工性能好。经调质处理后可获得较高的综合力学性能，提高齿轮心部的强
度和韧性，以承受较大的弯曲应力和冲击载荷。调质后的硬度为33~48HRC。高频淬火+低温回火可提高齿轮表面的硬度
和耐磨性，提高齿轮表面接触疲劳强度。高频加热表面淬火加热速度快，淬火后脱碳倾向和淬火变形小，同时齿面硬度
比普通淬火高约2HRC，表面形成压应力层，从而提高齿轮的疲劳强度。齿轮使用状态下的显微组织为：表面是回火马氏
体+残余奥氏体，心部是回火索氏体。
⑵汽车、拖拉机齿轮
汽车、拖拉机齿轮的选材及热处理详见表13-4。
表13-4汽车、拖拉机齿轮常用钢种及热处理
热处理
序号 齿轮类型 常用钢种
主要工
序
技术条件
2024年6月3日发(作者：候梓露)
二、典型零部件选材及工艺分析
金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料是目前的主要工程材料。高分子材料的强度、刚度较低、易老化，一
般不能用于制作承受载荷较大的机械零件。但其减振性好，耐磨性较好，适于制作受力小、减振、耐磨、密封零件，如
轻载齿轮、轮胎等。陶瓷材料硬而脆，一般也不能用于制作重要的受力零部件。但其具有高熔点、高硬度、耐蚀性好、
红硬性高等特点，可用于制作高温下工作的零部件、耐磨耐蚀零部件及切削刀具等。复合材料克服了高分子材料和陶瓷
材料的不足，具有高比强度、高减振性、高抗疲劳能力、高耐磨性等优异性能，是一种很有发展前途的工程材料。与以
上三类工程材料相比，金属材料具有优良的使用性能和工艺性能，储藏量大，生产成本比较低、广泛用于制作各种重要
的机械零件和工程构件，是机械工业中最主要、应用最广泛的一类工程结构材料。下面介绍几种钢制零部件的选材及热
处理工艺分析。
㈠齿轮类零件的选材
齿轮是机械工业中应用广泛的重要零件之一，主要用于传递动力、调节速度或方向。
1、齿轮的工作条件、主要失效形式及对性能的要求。
⑴齿轮的工作条件：①啮合齿表面承受较大的既有滚动又有滑动的强烈磨擦和接触疲劳压应力。②传递动力时，轮齿类
似于悬臂梁，轮齿根部承受较大的弯曲疲劳应力。③换挡、启动、制动或啮合不均匀时，承受冲击载荷。
⑵齿轮的主要失效形式：①断齿：除因过载（主要是冲击载荷过大）产生断齿外，大多数情况下的断齿，是由于传递动
力时，在齿根部产生的弯曲疲劳应力造成的。②齿面磨损：由于齿面接触区的磨擦，使齿厚变小、齿隙加大。③接触疲
劳；在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，遂渐剥落，形成麻点。
⑶对齿轮材料的性能要求：①高的弯曲疲劳强度；②高的耐磨性和接触疲劳强度；③轮齿心部要有足够的强度和韧性。
2、典型齿轮的选材
⑴机床齿轮
机床齿轮的选材是依其工作条件（园周速度、载荷性质与大小、精度要求等）而定的。表13-3列出了机床齿轮的选材
及热处理。
表13-3机床齿轮的选材及热处理
序号
1
齿轮工作条件
在低载荷下工作，要求耐磨性好的齿
轮
2
低速（<0.1m/s）、低载荷下工作的不
重要的变速箱齿轮和挂轮架齿轮
3
低速（<0.1m/s）、低载荷下工作的齿
轮（如车床溜板上的齿轮）
4
中速、中载荷或大载荷下工作齿轮（如
车床变速箱中的次要齿轮）
5
速度较大或中等荷下工作的齿轮，齿
部硬度要求较高（如钻床变速箱中的
次要齿轮）
6
高速、中等载荷，要求齿面硬度高的
齿轮（如磨床砂轮箱齿轮）
45 高频加热，水冷，180~200C回
火
0
钢种
15
0
0
热处理工艺
900~950C渗碳，直接淬火，或
780~800C水冷，180~200C回
火
0
硬度要求
58~63HRC
45 840~860C正火
00
0
156~217HB
45 820~840C水冷，500~550C回
火
200~250HB
45 高频加热，水冷，300~340C回
火
0
45~50HRC
45 高频加热，水冷，240~230C回
火
0
50~55HRC
54~60HRC
7
速度不大，中等载荷，断面较大的齿
轮（如铣
床工作面变速箱齿轮、立车齿轮）
40Cr
42SiMn
45MnB
40Cr
42SiMn
840~860C油冷，600~650C回
火
00
200~230HB
8
中等速度（2~4m/s）、中等载荷下工
作的高速机床走刀箱、变速箱齿轮
高速、高载荷、齿部要求高硬度的齿
轮
调质后高频加热，乳化液冷却，
260~300C回火
0
50~55HRC
9
40Cr
42SiMn
调质后高频加热，乳化液冷却，
180~200C回火，
0
54~60HRC
10
高速、中载荷、受冲击、模数<5的齿
轮（如机床变速箱齿轮、龙门铣床的
电动机齿轮）
20Cr
20Mn2B
900~950C渗碳，直接淬火，或
800~820C油淬，180~200C回
火
0
0
00
0
58~63HRC
11
高速、重载荷、受冲击、模数>6的齿
轮（如立车上的重要齿轮）
20SiMnVB 900~950C渗碳，降温至
820~850C淬火，180~200C回
20CrMnTi
火
0
0
58~63HRC
12
高速、重载荷、形状复杂，要求热处
理变形小的齿轮
38CrMoAl 正火或调质后510~550C氮化
38CrAl
850HV以上
13 在不高载荷下工作的大型齿轮
50Mn2
65Mn
820~840C空冷
0
<241HB
14 传动精度高，要求具有一定耐磨性的
大齿轮
35CrMo
850~870C空冷，600~650C回
火（热处理后精切齿形）
00
255~302HB
机床
传动齿轮
工作时受
力不大，
工作较平
稳，没有
强烈冲
击，对强
度和韧性
的要求都
不太高，
一般用中
碳钢（例
如45钢）
经正火或
调质后，
再经高频
感应加热
表面淬火
强化，提
高耐磨
性，表面
硬度可达
52~58HRC
。对于性
能要求较
高的齿
轮，可选
用中碳合
金钢（例
如40Cr
等）。其
工艺路线
为：备料
→锻造→正火→粗机械加工→调质→精机械加工→高频淬火+低温回火→装配。
正火工序作为预备热处理，可改善组织，消除锻造应力，调整硬度便于机械加工，并为后续的调质工序做好组织准
备。正火后硬度一般为180~207HB，其切削加工性能好。经调质处理后可获得较高的综合力学性能，提高齿轮心部的强
度和韧性，以承受较大的弯曲应力和冲击载荷。调质后的硬度为33~48HRC。高频淬火+低温回火可提高齿轮表面的硬度
和耐磨性，提高齿轮表面接触疲劳强度。高频加热表面淬火加热速度快，淬火后脱碳倾向和淬火变形小，同时齿面硬度
比普通淬火高约2HRC，表面形成压应力层，从而提高齿轮的疲劳强度。齿轮使用状态下的显微组织为：表面是回火马氏
体+残余奥氏体，心部是回火索氏体。
⑵汽车、拖拉机齿轮
汽车、拖拉机齿轮的选材及热处理详见表13-4。
表13-4汽车、拖拉机齿轮常用钢种及热处理
热处理
序号 齿轮类型 常用钢种
主要工
序
技术条件