齿轮材料与热处理指南

ANSI/AGMA 2004-B89 齿轮材料与热处理指南 ANSI/AGMA 2004-B89 齿轮材料与热处理指南（节译）四川宏华石油设备有限公司 钻采装备研究所 译齿轮材料与热处理指南Gear Materials and Heat Treatment Manual1 适用范围本指南是为了提供齿轮材料、它们的热处理和相关于齿轮的制造、使用的其他考虑的基本信息与补充信息的推荐来源而编写的。相关于齿轮传动装置额定值（允许的Sac和Sat数据）的冶金学方面的问题没有包括，但这些包括在美国齿轮制造商协会（AGMA）的额定标准中。2 引用文件和资料 （略）3 定义（略）4 材料选择指导原则有许多因素影响齿轮材料的选择，每个因素的相对重要性是可以变化的。这些因素包括：（1） 机械性能（2） 材料级别和热处理（3） 材料洁净度（4） 尺寸稳定性（5） 实用性和成本（6） 可淬硬性和尺寸效应（7） 可切削性和其他加工特性4.1 机械性能在材料选择之前，齿轮设计人员必需知道齿轮的应用和设计载荷，并计算应力大小。4.1.1 硬度. 强度特性与材料的硬度密切相关，在AGMA的齿轮额定值确定实践中要用到它。表面硬度是齿轮耐磨性的重要考虑，芯部硬度是弯曲和冲击强度的重要考虑。4.1.2 疲劳强度. 接触和弯曲疲劳强度用来预测在给定的应力等级（水平）下，点蚀与断裂破坏出现前，齿轮传动装置能耐受的预期的循环次数。接触和弯曲疲劳强度受到许多因素的影响，例如：硬度、微观组织、材料洁净度、表面状况和残余应力等。4.1.3 拉伸强度. 拉伸强度用来预测应力等级（水平），超过拉伸强度则破裂发生。在齿轮加工规范中不推荐采用它。4.1.4 屈服强度. 屈服强度用来确定应力等级（水平），超过它则永久变形产生。4.1.5 韧性. 材料韧性用冲击强度试验、拉伸延展性试验和/或破裂韧性试验来测定。虽然它没有直接地被考虑在齿轮额定之中，但它对于齿轮在高冲击或低温下或两者都有的情况下的应用是很重要的。钢制齿轮传动装置的韧性，受到下列因素的相反影响：（1）低温（2）不适当的热处理或微观组织（3）高硫（4）高磷与发脆型的残留元素（5）非金属夹杂物（6）大晶粒结构（7）缺少镍这样的合金元素注：设计与加工考虑也会相反地影响齿轮的韧性（例如：切槽、小的园角半径、材料瑕疵等，它们都会产生应力集中）4.1.6 热处理. 大多数成形的齿轮用黑色金属材料都要进行热处理以适应硬度和/或机械性能的要求。园形的和扁平的毛坯可以有多种机械的和热工的加工过程组合，例如：热轧、冷轧、冷拔、消除应力、酸洗、淬火和调质等。齿轮毛坯通常是进行退火或正火处理，它们能均匀材料的微观结构，从而均匀其机加工性和机械性能。齿轮毛坯也可进行淬火加回火（调质）处理。4.1.5 毛坯切除. 所有的园形黑色金属齿轮锻件、铸件和棒料，表面都有一层脱碳层，含有非金属杂质、裂缝与其他表面缺陷，这一层应该从齿轮临界表面上切除掉。最小的毛坯表面切除量根据毛坯尺寸大小和机械工作类型而不同。最小毛坯切除量表可在大多数机加工材料手册中找到。4.2 材料等级和热处理详细的齿轮设计，通常都将规定出作为后续热处理功能所要求的材料等级，后续热处理包括淬火加回火（调质）或表面淬火。材料等级和热处理见表4-1，4-2和4-3。表4-1 典型的齿轮材料锻钢普通合金钢等级常用热处理惯例 1备注/应用1045T-H, I-H, F-H低的淬硬性4130T-H最低限度的淬硬性4140T-H, T-H&N, I-H, F-H尚可的淬硬性4145T-H, T-H&N, I-H, F-H中等的淬硬性8640T-H, T-H&N, I-H, F-H中等的淬硬性4340T-H, T-H&N, I-H, F-H在大截面上有好的淬硬性Nitralloy 135 Mod.T-H&N特殊热处理Nitralloy GT-H&N特殊热处理4150I-H, F-H, T-H, T-H &N好的淬硬性,但淬火裂纹敏感4142I-H, F-H, T-H&N当4140显示出边界淬硬性时采用之.4350 2T-H, I-H, F-H在大截面时有卓越的淬硬性,但淬火裂纹敏感.1020C-H非常低的淬硬性4118C-H尚可的芯部淬硬性4620C-H好的表面淬硬性8620C-H尚可的芯部淬硬性4320C-H好的芯部淬硬性8822C-H在大截面时有好的芯部淬硬性3310 2C-H这三个等级的材料都有卓越的淬硬性(在大截面时)4820C-H9310C-H注 1 ：C-H=渗碳淬火，F-H=火焰淬火，I-H=感应淬火，T-H=整体淬火， T-H&N=整体淬火后再渗氮注 2 ：公认的，但不是现行标准等级。表4-2 退火、正火加回火钢齿轮的布氏硬度范围与强度规定的典型合金钢退火热处理正火加回火布氏硬度范围HB最小拉伸强度Ksi （MPa）最小屈服强度Ksi （MPa）布氏硬度范围HB最小拉伸强度Ksi （MPa）最小屈服强度Ksi （MPa）1045159-20180 （550）50 （345）159-20180 （550）50（345）41308630156-19780 （550）50 （345）167-21290 （620）60（415）414041428640187-22995 （665）60 （415）262-302130（895）85（585）41454150197-241100（690）60（415）285-331140（965）90（620）43404350型212-255110（760）65（450）302-341150（1035）95（655）注1：材料以淬硬性递增的顺序排列。 2：淬火加回火这种热处理得到的综合性能，也即抗冲击性和延展性，优于退火或正火加回火处理获得的性能，见表4-3，淬火加回火齿轮。 3：硬度和可以用正火加回火获得的强度，它们是一个控制截面大小与考虑回火温度的函数。 表4-3 淬火加回火的合金钢齿轮典型的布氏硬度范围和强度合金钢等级 1热处理布氏硬度范围HB 2最小拉伸强度Ksi（MPa）最小屈服强度Ksi（MPa）41308630水淬加回火212-248 到302-341100（650）145（1000）75（515）125（860）41408640油淬加回火241-285 3 到341-388120（830）95（655）414241454150油淬加回火341-388170（1170）150（1035）43404350油淬加回火277-321到363-415 W135（910）180（1240）110（760）145（1000）注： 1 材料以淬硬性递增的顺序排列，4350最高，这些钢材可以列在“H”段淬硬性范围。 2 硬度范围决定于控制截面尺寸（见附录B）和淬火的激烈程度3 当4100系列钢材硬度高于HB 341， 4300系列钢材硬度高于HB 375时，齿轮的切齿加工困难。W 高的规定硬度用于特殊齿轮传动，由于高硬度降低了机械加工性，应该考虑成本。4.3 材料洁净度电炉冶炼的齿轮加工用棒料或锻造合金钢，通常是经过真空除气、惰性气体（氩）屏蔽和底浇工艺来减少有害气体（氢、氧、氮）的含量，提高其洁净度的。提高了洁净度（减少了非金属夹杂物含量），材料横向延展性和抗冲击强度得以提高，但是材料的机械加工性能（切削性能）则可能降低，例如，硫含量低于0.015%的合金钢就是这样。真空除气钢可能会进一步用真空电弧再熔（VAR）或电渣再熔（ESR）工艺精炼，这些精炼过程会进一步减小气体和夹杂物的尺寸和含量，提高材料的疲劳强度，生产出关键齿轮传动装置用的最高质量的钢材。但是，这样作显著地增加了成本，降低了机械加工性能，对于那些不是关键的齿轮传动装置，必须充分地评估有无提高这些性能的必要。注：为获得更多的信息，请参见ASTM A534、A535和AMS 2301、2300。4.4 尺寸稳定性为了实现设计图纸的要求，可能在材料方面要考虑这样一些问题：增加的原材料数量、模锻步骤、淬硬性限制等，以减少扭曲和可能的裂纹（见5.8）。4.5 成本和实用性具体的材料选择，经常由成本和实用性因素来决定，例如：标准的工业合金、采购时间等。标准的锻造用碳钢和合金钢，如1020、8620、4320、4820、9310、4140、4150和4340等可以从维修中心和轧钢厂购得，维修中心通常可以较快地从其库存中小批量地提供这些钢材，轧钢厂供货需要一定的批量（几千磅），且交付时间较长。然而，工厂批量的价格可以较低，且在有特殊要求时可以提供非标准钢材。当零件量小时，宜采用标准合金钢，或在图纸上允许选择材料。在采用钢、铸铁和有色金属的场合，可能时宜使用SAE与ASTM的命名法。4.6 淬硬性钢材的淬硬性，是测定它在奥氏体化温度下淬火时的硬度梯度的特性。淬火后的钢制零件的表面硬度，主要取决于材料的含碳量和冷却速度。在给定的淬火条件下，达到规定硬度的深度，是钢材淬硬性的函数，淬硬性较大地决定于该钢级的合金含量。4.6.1 测定. 淬硬性通常是用Jominy End Quench 试验法测得的(ASTM A255)，或者可用理想直径（DI）概念预测。4.6.1.1 Jominy试验法. 一个长4”（102mm），直径为1” (25mm)的棒料，首先进行正火处理，然后均匀地加热到标准的奥氏体化温度，把棒料放在夹具上，对其一个端面喷室温下的水以淬火。4.6.1.2 Jominy分析. 沿着棒料的长度方向每间隔1/16”长度测量其洛氏硬度HRC。Jominy淬硬性用每个间隔的HRC表示，起点为水淬火端面。例如：J5=40应解释为，在离水淬端面5/16”的地方的硬度为HRC40。4.6.1.3 H段钢材. Jominy淬硬性已用于标准钢材，对于给定成分的钢材，Jominy淬硬性数据落在预测范围内。根据预测淬硬性范围采购的钢材称为H段钢材。这些段由ASTM、ANSI和SAE发布。钢材可以根据H段或受限制的H段规范进行采购。4.6.1.4 理想临界直径. 理想临界直径方法（DI）是基于ANSI、SAE、伯利恒钢铁公司出版的现代钢材和它们的性质和其他淬硬性参考出版物中描述的化学分析方法的。4.6.2 应用. 对于给定成分的钢材，淬硬性是恒定的，但硬度则随冷却速度而变化。因此，零件上任一点获得的硬度，将决定于碳含量、淬硬性、零件尺寸、结构、淬火介质和淬火条件。典型地，按照淬硬特性选择的钢材，将会获得比规定硬度高的淬火硬度，这样就可通过适当的回火来获得所需的韧性和机械加工性。截面厚度增加，钢材的淬硬性必须增加以维持零件截面上给定的硬度。4.7 机械加工性（切削性）有几个因素影响材料的机械加工性能，反过来又影响经济性和制造的可行性。这些因素在设计阶段就必须加以考虑，特别是在规定高强度等级时时更是这样。影响机械加工性的因素有：（1） 需要切削的材料的化学成分、微观组织、硬度、形状和尺寸（2） 切削速度，进给（刀）量和切削工具（3） 机床条件，包括刚度、精度和动力等（4） 采用的切削液的特性对于机械加工性的论述市面上有丰富的出版物，对于切削操作力学这里将不予考虑，仅将讨论一些冶金学的影响因素。钢材的化学成分与微观组织对其机械加工性有重大影响，因它们影响钢材的性质和结构。金属氧化物，如铝与硅（？）的氧化物，形成硬的氧化物杂质和分布，使得材料的机械加工性变坏。硫、铅、硒、碲等元素，在钢的矩（点）阵中形成软的夹杂物，有利于改善材料的机械加工性。钙添加剂（炼钢中）形成硬的不规则的夹杂物，也有利于加工性。然而，硫、铅、钙在有利于切削性的同时降低了钢材的力学特性，特别是在横向上。加钙炼制的钢材，当用在高应力齿轮和轴时，与传统方法炼制的钢材相比，其疲劳强度将有显著的降低。碳含量超过0.30%由于硬度的增加而降低了加工性。基于相同碳和硫水平，高的镁含量也会降低切削性。总的来讲，合金增加材料的硬度和韧性，但降低切削性。常用齿轮材料，以其机械加工性能的优良、良好、差分组列在表4-4中。以优良级加工性能的材料为基数，良好级材料的加工成本要增加2030%，差级材料的加工成本则要增加4050%。4.8 黑色金属齿轮齿轮用黑色金属材料包括锻造用碳素钢与合金钢、铸造用碳素钢与合金钢、铸铁和可锻铸铁。根据用途、尺寸、设计、数量、实用性和经济性的考虑，碳素钢与合金钢齿轮可以通过不同形式的粗毛坯加工而成，这些形式包括锻钢、焊接组合和铸件。4.8.1 锻钢. 锻钢是机械地加工成特殊用途形状的碳素钢和合金钢的通用术语。标准的锻钢是园形坯料（园钢）、扁平坯料（扁钢与钢板）和锻件。锻件减少了加工时间，在广泛的尺寸和钢级范围内都是可用的。4.8.1.1 园料. 不同直径的标准的碳素钢和合金钢园棒料可从市场上购得。通常的园钢是热轧的、热轧冷拔的、热轧冷成形的和锻造的。冷拔园钢尺寸公差精确，有改良的机械性能（高的硬度和屈服强度）。低到中碳钢的冷拔园钢通常可用于齿轮传动。 热轧冷成形园钢经机械加工（车、磨和/或抛光）以获得更精确的尺寸，但表4-4 普通齿轮材料的机械加工性材料级别低碳渗碳钢级备注1020优良的切削性轧制完工后，锻造完工后或正火后4118462086208822优良的切削性轧制完工后，锻造完工后，然而，正火是首选。正火过程中不适当的冷却会使材料发粘，降低刀具的寿命和工件表面光洁度。淬火加回火作为预处理可以改善材料的切削性，但预处理的经济性需要加以考虑。3310432048209310切削性介于良好与优良之间正火加回火后、退火后、或淬火加回火后。正火而不回火会导致切削性降低。材料级别中碳整体淬硬钢级备注104511411541优良的切削性正火后413041404142优良的切削性如果退火后，或正火加回火后硬度在HB255左右；或淬火加回火后硬度在HB321左右；硬度超过HB321，切削加工性良好（尚可）；硬度大于HB363，切削加工性差；不适当的（马虎的）淬火加低温回火可能使零件达到规定的硬度，但产生的混合微观组织会导致切削加工性变差。41454150434043454350上边的对于中碳合金钢的备注适用。但是，碳含量越高则切削性越差。硫添加则有益于这些钢级的切削性。4340钢的硬度到HB363时切削性都还优良。4145、4150、4345和4350中的较高碳含量，使它们的加工更加困难，只有在大截面零件时才宜采用。不适当的（马虎从事的）淬火可严重地影响这些钢的切削加工性。注：粗粒度的钢材比细粒度的钢材更容易加工。然而，齿轮钢材一般都在细粒度状态下使用，因为其机械性能得到了改善，且热处理过程中的变形也减少了。现在，越来越多的洁净钢也被规定为齿轮用钢，但是，如果硫含量低，小于0.015%，则切削加工性会略有降低。材料级别其他齿轮材料备注灰铸铁灰铸铁有优良的切削加工性，较高强度灰铸铁（拉伸强度高于50ksi (345MPa)时），其切削加工性能有所降低。可锻（延展）铸铁退火或正火后的可锻铸铁有优良的机加工性，铸造完工不经热处理的铸件的机加工性尚可（良好）。淬火加回火的可锻铸铁，硬度在HB285以下机加工性优良，硬度达HB325以前良好，HB325以上则加工性差。青铜、黄铜所有齿轮用青铜与黄铜都具有优良的机加工性。很高强度的经热处理后的青铜（拉伸强度高于110ksi (760MPa)时）的机加工性良好。奥氏体不锈钢所有的奥氏体不锈钢都具尚可（良好）的切削加工性能。因为有加工硬化的趋势，所以在加工中要很好选择进刀量和切削速度以减小硬化。相对于热轧或退火园钢来讲并没有改善其机械性能。热轧园钢是在大约2100-2400F (1150-1315 )下机械加工的，可能随之以退火、校直和消除应力。锻造园钢是在与热轧大约相同的温度下（对于低碳钢和低碳合金钢温度较高些）用压力机或空气锤加工园形的，购买时可以根据其不同应用有多种形式的热处理组合。热轧园棒料现在已常用连铸机生产的铸钢棒轧制而成。连铸棒料经过热轧成形，横截面积尺寸充分减小（7：1最小），为齿轮传动生产出稠化高质量园钢。根据钢厂的生产能力，不同类型的园钢材料的最大直径大约如下： 热轧园钢 8” (205mm) 冷拔园钢 4” (100mm) 冷成形园钢 5” (125mm) 锻造园钢 16” (405mm)表4-5 机械性能要求冷拔、消除应力园钢（专用冷拔高拉伸强度园钢）规 格In. (mm)钢 号园钢、方钢、六角钢的机械性质最小拉伸强度最小屈服强度2” (50mm) 时的最小伸长率, %名义硬度HRC WksiMPaksiMPa0.3753.000(1076)1137SR1045SR1141SR1144SR1144SS4145SS951151151151401506557957957959651035901001001001251306206906906908658951110111010W10W2424242430323.0013.500(76.189)4145SS150103513089510W323.0014.000(76.1102)1045SR1141SR1144SR10572590620924注： 作了消除应力处理； 专用钢，额外要求：硬度最小HRC30，1144SS钢没有大于2.5in.(64mm)的规格； 专用钢，额外要求：硬度最小HRC32，4145SS钢没有大于3.5in.(89mm)的规格；W 典型值，不是要求。注：某些冷成形轧钢公司以不同的商业名称提供上述材料。4.8.1.2 扁钢或板材. 标准厚度不同长度和宽度的碳素钢或合金钢扁钢或板材在市面上可获得。扁钢板材通常是热轧的或热轧加退火状态。4.8.1.3 锻件. 锻件是机械地用热变形方法生产出来的，这种成形法可以使钢材结构变密，可以改善内含物质的方向性。典型地，锻造热变形通常是在钢坯温度高于1900。F （1038。C）下完成的。铸锭用以加工锻坯，锻坯再加工成锻件和棒料。现在的铸锭多是底浇的，具有改善的宏观结构和锭收获率（顶浇锭有许多有用的锭金属被切除丢弃）。采用了4.3中讨论的部分或全部洁净技术的电炉冶炼的合金钢，可使材料的横向延展性和冲击强度改善。锻件材料经常总是采用完全镇静钢，以减小因可溶气体存在而出现的锻造裂纹。标准锻造可分为：（1） 自由锻这种方法用材料在开式结构的空气锤或压力机的上、下模（锤头和铁砧）之间的变形生产尺寸粗糙的锻件。自由锻也可规定为镦（顶）锻以增加中心的密稠性。镦锻可以最初把锻坯在一个方向上热加工，然后转过90度再热加工。镦锻件常用在临界高速齿轮传动中，节径线速度可大于30,000英尺/分（152m/s），它可在中心产生高的离心应力。（2） 模锻这种方法经常用来生产比自由锻件较小的精密公差锻件。上、下模把锻坯材料吸入闭合的模腔中，压迫作用使金属填满模腔，生产出轮廓很精确的锻件。（3） 滚环锻这种方法用来生产园环形工件。典型的作法是用冲头（心轴）在锻坯上冲出一中心孔，再用此心轴拿着坯料在锻锤与铁砧之间锻打并转动，靠铁砧与心轴之间的热变形使锻坯成为环形工件。大直径的工件是用带有中心孔的园形钢坯在轧辊压力机上轧制而成的。有关锻钢加工和钢材炼制的额外知识，可参考以下原始资料：美国金属协会的金属手册；美国钢铁学会的钢材手册；美国锻造行业协会的锻造工业手册。4.8.2 齿轮的组焊结构. 通常，组焊结构的齿轮由几个轧制或锻造的环形件组成，一个成形的园盘或铸件作为轮缘（轮齿）部分，一个锻造或铸造的轮毂，低碳钢板作为轮辐或支承部分。组焊前，轮缘或轮齿部分经过热处理以获得规定的硬度（机械性能）。组焊中采用适当的预热和焊后热处理温度。组焊后的总成要在炉中进行消除应力退火，采用的温度依轮缘先前热处理时的回火温度而不同，大约在9501250F (510675 )之间。组焊齿轮用环形锻件，宜参考ASTM A290标准规范。4.8.3 铸钢. 碳素钢和合金钢铸件广泛地用在整体淬硬齿轮传动中，但较少用在表面淬火齿轮中。铸钢齿轮的规格从10”（250mm）外径2”（50mm）齿宽的整体式齿轮，到480”（12,192mm）外径40”（1,016mm）齿宽的分体式齿轮。小规格的齿轮通常都是实体的轮辐和轮毂设计，尽可能在轮辐上开孔以减轻重量。大规格的齿轮可以是是实体轮毂、分体轮毂、分体轮毂和轮缘设计，轮辐常用辐条臂而不用小规格齿轮常采用的实体辐板。分体式齿轮为了组装和安装目的在分体上与内径辐板部位设计有螺栓孔。分体式齿轮常铸造成两块或四块，典型的铸造齿轮设计见图4-1。4.8.3.1 加工. 铸钢可以用平炉、电弧炉和感应炉熔炼，炉氛可以是酸性的或硷性的，二次精炼过程可用来减少铸钢中的气体、磷、硫含量水平。4.8.3.2 铸钢材料等级. 齿轮传动用铸钢通常都是AISI和SAE 钢号的变种(硅等元素)。整体淬硬齿轮常用1045，4135，4140，8630，8640和4340类钢，渗碳淬火齿轮则采用1020，8620和4320类钢。如锻钢一样，必需小心从事以保证整体淬硬齿轮获得规定的最小硬度。典型的整体淬硬铸钢齿轮材料的化学成分和拉伸性质如表4-6，4-7所示。4.8.3.3 铸钢的焊修. 铸件热处理前的焊接修理是由铸件生产者执行的。轮齿部分和其他临界载荷承载部分的焊修只能在热处理之前进行。宜采用可热处理的焊条（4130，4140和4340类型），以便在铸件热处理后得到与母材相当的硬度。热处理后若还允许进行焊修的话，只要可能就必需进行再热处理。如果不可能进行再热处理，则推荐采用局部的预热和后热，以避免或减少热影响区的令人不愉快的残余拉应力或高硬度。全部焊缝宜检查到铸件使用的同一质量标准。注：轮齿部分的焊修可能需要通知买方。（上边的设计也可是锻件或组合焊接件）图4-1 铸钢齿轮的典型设计4.8.3.4 铸钢的热处理. 铸件或者热处理到规定的硬度，或者热处理到规定的硬度和最低的机械性质。要求的齿面两端的硬度试验次数通常决定于齿轮的外直径，试验数随外直径的增加而增加。机械性能试验要有规定时才做。宜参考6.2和6.3的附加资料。4.8.3.5 铸钢的质量. 交货的铸件应当没有夹砂、铁鳞、无关附着物、电弧、气割引起的硬区和会负面影响机加工的焊修。齿轮铸件在轮齿（轮缘）部分也不应该有裂纹、热裂、冷硬和未熔化的菜花头，且应符合无损检测的要求。轮齿以外部分的质量要求不是很严格。次要的缺陷（不连续）如果出现在已加工完成的齿面上，常用轮廓磨削加以去除，优先采用装饰性焊补。这可能需要顾客的认可。干式或湿式荧光磁粉探伤法例行地用来检验铸件是否符合规定的表面质量要求。其他的无损检测法如射线探伤和超声波探伤，也用来评价轮齿内部的完整性。试验方法、试验位置和接收标准由供需双方确定。推荐采用的的ASTM无损检测规范如下：ASTM E709-80 磁粉试验ASTM E125-63（1980） 黑色金属铸件磁粉试验显示参考照片ASTM E609-83 碳素钢和低合金钢铸件超声波试验ASTM E186-80 厚壁51114mm铸件用标准参考射线照片ASTM E280-81 厚壁114305mm铸件用标准参考射线照片ASTM E446-81 厚度达51mm的铸件用标准参考射线照片4.8.3.2 铸钢的补充信息. 下列资料中可得到许多补充信息：ASM手册丛书第5卷，第8版，美国铸钢翻砂工协会出版社出版；ASM手册丛书第11卷，第8版无损检测与质量控制。表4-6 整体淬硬铸钢齿轮的典型化学成分元 素铸钢种类及合金成分百分比1045 Type4140 Type8630 Type8642 Type4340 Type碳0.40-0.500.37-0.430,27-0.370.38-0.450.38-0.43锰，0.60-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.00.7-1.0磷，最大0.0500.0300.0300.0300.030硫，最大0.0600.0400.0400.0400.040硅，最大0.0600.0600.0600.0600.060镍-0.60-0.900.60-0.901.65-2.00铬-0.80-1.100.60-0.900.60-0.900.70-0.90钼-0.15-0.250.30-0.400.40-0.500.20-0.30注释：1. 在钢号后加“Type”字样表示不符合精确的美国钢铁学会（AISI）的化学成分要求。2. 当采用硷性炼钢法“桶中精炼”或“氩氧脱碳（AOD）”时，一般都能达到低磷、硫含量（低于0.020%）。3. 可规定钒元素含量在 0.06-0.10 %之间，以细化钢材晶粒。4. 对于低合金铸钢的桶中脱氧熔炼法，可规定铝元素的最大含量为0.025 %，以改善材料的韧性、洁净性和机加工性（按ASTM A356标准）。5. 对于碳素钢和低合金钢，要采用按ASTM A148 或顾客规范的其他AISI 典型或专用化学成分，这取决于零件规定的硬度（机械性能）、热处理类型和控制截面尺寸（淬硬性）等考虑。6. 资料来源： AGMA 6033-A88, 船用推进器齿轮传动装置，第1部分：材料表4-7 整体淬硬铸钢齿轮的拉伸特性AGMA6033-A87等级布氏硬度范围最小拉伸强度ksi (MPa)最小屈服强度ksi (MPa)2” 时的最小伸长率，%最小截面收缩率，%A223-269100 （690）75 （480）15.035.0B241-285110 （760）80 （550）13.031.0C262-311118 （810）90 （620）11.028.0D285-331130 （900）100 （690）10.026.0E302-352140 （970）115 （790）9.024.0F321-363145 （1000）120 （830）8.020.0G331-375150 （1030）125 （860）7.018.0注：1. 上述7个等级的拉伸特性要求，是对ASTM A148规范中3个等级（从10585到150135）的要求的修正。2. 资料来源： AGMA 6033-A88, 船用推进器齿轮传动装置，第1部分：材料4.8.4 铸铁. (略)4.9 锻钢、铸钢和组合焊接齿轮的选择准则对大多数应用来讲，选择齿轮毛坯的生产方法首先是一个经济问题，但随着齿轮的载荷、停工成本和安全考虑的增加，毛坯质量也变得日益重要。宇航和特别高速的这些关键的齿轮传动，齿轮材料通常是用真空除气合金钢制造，进一步用特别昂贵的真空电弧重熔（VAR）或电渣重熔（ESR）工序加以精炼。这些和其他很经济的工序（如AOD、桶中精炼等）改善了材料的洁净度，生产出很高质量的钢材。锻钢或锻造的钢件，通常被认为比铸钢要好，因为是热成形的。然而，锻钢件具有各向异性，这意味着其机械性质（拉伸延展性、疲劳强度和冲击强度）是随热加工时的方向或成形时内含物流向而变化的（见图4-2）。改善材料洁净度是为了使材料横向和切向性质接近（但不能相等）其纵向性质注：横向上的机械性质随内含物的类型和材料的形状而变化。 机械性质数据通常是在纵向上测得的。（注：如果要求冲击性能测试，ASTM E399标准可采用。）图4-2 锻件性质的方向性铸钢一般来讲在各个方向上的性质相同（各向同性），当在齿圈上用得适当时，可提供相当于锻钢齿轮的性质。铸钢件的质量涉及到炼钢、制模型、浇注、热处理和无损检测（磁粉检测、超声波检测、射线检测）的实际操作。当齿轮制造用组合焊接工艺比用锻件或铸件更经济时，可采用组合焊接工艺。轮缘（齿圈）通常用锻件或环锻、成形的合金钢板，很少也采用铸件。齿圈钢材的淬硬性必须适当，以便能够在最低回火温度1000。F （540。C）时获得硬度。组合焊接后应当最低在950。F （510。C）消除应力（比回火温度低50。F）。退火状态下使用的齿圈，可在1250。F （675。C）的温度下消除应力。模锻或热轧模生成的齿轮轮齿，金属与内含物的流动方向与齿廓平行，成就了齿轮材料内含物的最佳方向。这种齿轮的应用受到了限制，因为齿轮数量和关键的应用考虑必须证明增加的开发和模具成本是合理的。5 热处理热处理是使齿轮材料获得期望的性能的加热和冷却过程。当额定值和使用要求需要担保齿轮有高的硬度和强度来改善其疲劳强度和耐磨性时，黑色金属齿轮可以采用整体淬硬和表面淬硬热处理。通常，黑色金属材料热处理包括：（1）预先（备）热处理 退火； 正火加回火； 淬火加回火； 消除应力；（2）热处理 整体淬硬（退火，正火加回火，淬火加回火） 表面淬硬轮廓加热（火焰和感应加热）和轮廓化学修正（渗碳、碳氮共渗、渗氮）（3）后热处理消除应力 有色金属材料的特殊热处理宜由生产者推荐。5.1 整体淬火 （略）5.2 火焰淬火和感应淬火（略）5.3 渗碳. 气体渗碳包括把低碳合金（碳含量在0.070.28%）材料加热和保温在一个可控气氛环境（炉）中，通常保持温度在16501800F (899982 )之间，这使得补充的碳扩散到材料中（典型地在表面达0.70-1.2%）。欲渗碳淬火的齿轮坯，通常在原先的下临界温度11001250F (592675 ) 退火之后进行预热、正火、正火加回火或淬火加回火处理，使其渗碳淬火前达到规定的硬度。这样作是考虑机加工性、尺寸稳定性和细化晶粒的缘故。在渗碳前的最后机加工前的中间应力消除处理也可采用，以消除粗加工中的残余应力。在渗碳进行了适当的时间之后，齿轮一般被冷到14751550F (802843 )并保持稳定以维持碳势，后直接淬火。渗碳后的齿轮也可在大气下冷却到600F (315)以下，再在可控气氛下加热到14751550F (802843 )后再淬火。淬火后通常是在300375F (149191 )温度下回火。随后齿轮还可给以冷藏处理以转化余留的奥氏体和再回火。5.3.1 应用. 当要求齿轮有最佳性能时常采用渗碳淬火处理。高的表面硬度、高的齿面强度、淬硬的齿面内留有用的残余压应力、由于选用了适当的渗碳级钢使芯部有适当的性能等等，这一切使得对于接触应力、抗点蚀和齿根弯曲强度都有最高的AGMA齿轮牙齿额定值。渗碳淬火齿轮的额定值比整体淬火或其他表面淬硬的齿轮的额定值要高，这是因为其疲劳强度较高。改善其载荷分布可由随后的硬齿光整获得。常规的硬齿光整工序（剃齿和磨齿）会导致有益的表面压应力的某些牺牲和成本的增加。渗碳淬火齿轮用在一般工业用途的高速传动和宇航的精密传动的闭式齿轮传动装置中，也用在轧钢厂的大型开式传动装置中，同时也可用在要求耐磨损的传动中。淬火后的特殊的轮齿光整作业，取决于所有应用的精确度和接触要求。渗碳工艺技术已经是很好地建立起来了，可用的设备和控制手段使它成为一个可靠的过程。表面硬度、齿表（淬硬）深度、芯部硬度都可合理地规定得公差精密，且质量可以审查。某些齿轮不能作渗碳淬火是因为变形（扭曲）。扭曲的齿轮不能够被校正而不产生裂纹。齿条齿、薄截面、复杂形状、不能光整的零件和光整消耗被禁止的零件，都呈现出加工难题。渗碳之后进行模压淬火可用来减小变形。齿轮上的选定区域可以在渗碳中被保护（遮蔽）起来以允许淬火后进行机加工，或者是渗碳后缓慢冷却机加工后再淬硬。齿轮直径超过80” (2032mm)进行渗碳就变得困难，原因是能进行这种处理的炉子就很有限。当前渗碳淬火齿轮的最大尺寸是120” (3048mm)，这种大齿轮在渗碳淬火后通常都需要对轮齿进行光整（剃、磨）加工。5.3.2 材料. 材料选择是设计过程的综合部分，选择应当在考虑材料的硬度和淬硬性、化学成分、洁净度、机械性能和经济性的前提下作出。机械性能包括但不限于韧性、缺口敏感性、抗疲劳强度、弯曲强度、抗点蚀性和运行特性等。材料选择宜参考表4-1（典型渗碳材料）和附录C（表面淬硬性）作出。5.3.2 试棒控制. 试棒用来证明齿轮表面特性，要求时也用于芯部特性，符合规定要求。试棒材料应与齿轮材料的种类相同，但不必是同一炉出的。试棒应当伴随齿轮的全部热处理过程，包括后淬硬处理过程。宜对轮齿光整加工不能去掉部分的评价进行考虑。一个磨削与抛光了表面的一段（法向的，在试棒长度的中间），被认为能满意地用来测定径节（DP）到4 1/2的直齿与斜齿的表面渗碳层有效厚度。试棒的最小尺寸宜为直径15mm，长度为50mm。直径为25mm，长度为50mm的试棒可以用作径节粗到1.5的齿轮的测量，径节1.5以上齿轮的测量用试棒的尺寸由双方商定，且宜大约在轮齿横截面高度的中间的内切园直径，试棒长度宜为其直径的2-3倍。当有规定时，芯部硬度和微观组织，可用表5-1据径节大小规定的园试棒的中心来测定。 也可采用最小厚度为度为试棒直径的70%的试验盘或试验板。试验盘或板上的最小内接直径应当最小是其厚度的3倍。 对于斜齿轮，推荐的试棒直径大约等于中间宽度上的法向齿厚的内接直径。表5-1 芯部硬度测定用试棒规格径节DP试棒规格，直径长度4 1/2 DP和更小1.25”3” (32mm76mm)2 1/2 DP到41/2 DP2.25”5” (57mm130mm)1 1/2 DP到21/2 DP3.0”7.0” (76mm180mm)1 1/2 DP 和更大3.5”8.0” (89mm205mm)当用从试棒与零件上获得的性质有争议时，可以从实际零件上截取一部分以作分析。5.3.3.1 表面硬度. 表面硬度宜用微型硬度试验器测量，它产生小而浅的压痕，以便获得的数据能代表被测表面或区域的硬度。那些产生金刚石棱锥或努普（Knoop）显微压痕硬度数值（500克载荷）的硬度仪也被推荐使用。当直接在表面淬火的零件或试棒表面上测量时，表面的或洛氏A 或C硬度刻度可被采用。当穿透式硬度计不能使用时，其他的硬度计，如肖氏硬度计或便携式里氏硬度计（Equolip）也可采用。硬度计压痕深度相对于表面淬火层厚度必须加以考虑。当试验器全部或部分地穿透表面淬火层时，能够获得低的读数。表面硬度的显微硬度应当在表面之下0.05-0.10mm深度的抛光横截面上测定。在打磨和抛光时必需注意不要把被测边缘倒园了，也不要把磨削过的表面回了火或烧毁了。注：直接的表面硬度读数（ASTM E18-79），或锉刀在齿尖或齿侧的检查，一般能确认表面硬度。然而，如果在表面下几千分之一表层里有二次转化物存在，直接的表面检查将不会必然地显示其存在。表面之下0.05-0.10mm深度的抛光横截面上测定的显微硬度更加精确，这种类型的测量对于接近表面的精确的显微硬度读数可能是必要的。5.3.3.2 芯部硬度. 有要求时，芯部硬度可以用任何硬度试验计测量，当然要按5.3.3来考虑试件的尺寸。注：芯部硬度的定义见第3章。金属熔炼中偶尔产生的条带现象，在用显微硬度计测试时可引起芯部硬度的变化。当规定了芯部硬度时，这种变化不得低于其最小规定值。5.3.3.3 表面淬硬层有效厚度. 用于准备表面硬度测定的横截面样本的程序，同样适用于表面淬硬层深度测定的样本的准备。显微硬度穿越线（译者注：原文microhardness traverse，但译者估计这就是表面淬硬层厚度测定。）应当从表面以下0.05-0.10mm（0.0020.004in.）开始，至少要超出HRC50获得点深度0.25mm (0.01in)，通常采用的间隔为0.13mm(0.005in.)。在开始穿越线时注意要在轮齿中点的位置。齿根处的表面淬硬层有效深度约为轮齿中点的50-70%，而齿顶处的表面淬硬层有效深度约为轮齿中点的150%。注：表面淬硬层厚度的定义见第3章。当高淬硬性的钢材，如4320、4327、8627、4820、9310、3310被用来作为细节距齿轮的材料时，它们的高整体淬硬性可能阻止轮齿横截面上获得低于HRC50的硬度，表面淬硬层厚度的测定用下述方式进行：测量母材在轮齿中点的硬度，对每个高于HRC45的点，应当加上一个HRC50的有效表面淬硬层深度标准（例如，芯部硬度为HRC47，表面淬硬层有效深度应当从HRC52算起）。在这些场合，表面淬硬层深度也可用试棒测量，当然，试棒规格应与轮齿截面相关（见5.3.3）。注：整体渗碳细节距轮齿有几个缺点。有用的表面压应力降低了。过分的轮齿变形和芯部延展性丢失也可能发生。这样的零件宜仔细地审核其表面淬硬层有效深度规范和低淬硬性材料如4620、8620的应用。5.3.3.4 表面渗碳层含碳量. 表面含碳量可用园试棒的0.13mm深的车床切屑来测定，为此目的，光谱技术已经开发出来。含碳量梯度也可以按不同的精度要求和表面层深度，用0.05mm至0.25mm的增量的切屑进行光谱测定。 试件应当与零件一道渗碳。在为后续机加工作准备的冷却或回火过程中，要注意保持表面的完整性。试棒在机加工前应当校直到0.038mm以内。试棒必须干净和干加工，必须保证车床切屑在分析前不与任何外来碳类物质接触。5.3.3.5 显微组织. 渗碳淬火齿轮的显微组织，可在试棒中间的正截面或在轮齿的正截面，最好是经过抛光和刻蚀后进行测定。显微组织会随着材料的淬硬性、截面尺寸、淬火烈度的不同而引起的芯部硬度的变化而变化。5.3.4 技术要求. 为了有助于获得上述特性，至少应给热处理者下边的资料：（1）材料；（2）渗碳淬硬层深度范围（见表5-2）；（3）表面硬度范围。当有额外的特性要求时，下列额外项目可以全部或部分地加以规定：（1）芯部硬度；大约为轮齿的最小芯部硬度，某些典型的渗碳等级钢材在良好的油液淬火中的获得的芯部硬度可从表5-3中找到。（2）芯部显微组织；（3）表面淬硬层显微组织；（4）表面层碳含量；（5）零度以下温度热处理；（6）不需要渗碳的需要遮蔽起来的区域。5.3.5 渗碳过程控制. 精确的渗碳需要对多个因数进行精密的控制，这些因数包括：（1）温度控制加热炉设备要温度均匀，温度控制精密，温度记录和控制仪表精度高，这些控制仪表应定期检查和校准。（2）炉氛控制加热炉应当有能力维持具有可控碳势的渗碳炉氛。连续炉氛控制仪器是首选，但其他公认的方法也可采用。（3）零度以下温度处理（余留奥氏体转化处理）当表面硬度由于有过多的余留奥氏体存在于淬硬层显微组织中而较低时，这就可能需要冷冻零件以把余留的奥氏体转化成马氏体。冷冻处理的温度可在20至120F (7至84 )之间变化。为了减小显微裂纹，零件在冷冻前后都要进行回火处理。注：关键齿轮传动中冷冻处理要慎用。产生的微观裂纹可使抗疲劳强度降低到中等水平。冷冻处理的使用可能需要供需双方协议认可。（4）碳化物控制当高的表面碳导致了在渗碳层外部形成了厚重的碳化物网络时，零件典型地需要在一个低碳势炉氛中再加热到1650。F （900。C），以扩散和打破过剩的碳化物。无论何时只要可能都应避免碳化物网络，因为它倾向于降低材料的抗疲劳强度。（5）脱碳对于渗过碳的齿轮，表面脱碳的定义是：表面0.13mm的外层中的碳含量低于规定的最小值，其特征是碳含量随深度的增加面增加，例如，最高含碳量是在下表面。明显的脱碳在显微镜下能轻易地辨别：较亮的马氏体阴影，清楚地辩别出铁素体晶粒。这个区域的硬度也相应地低。局部脱碳也将出现较亮的马氏体阴影，但不能显示出可辨认的铁素体晶粒。如果碳含量降低到大约0.60%，硬度将会减小。表5-2 渗碳齿轮典型的有效表面淬硬层深度法向径节1法向齿厚2法向径节范围法向周节范围到HRC50的有效表面淬硬层深度 （in.）3、4、5正齿、螺旋齿、锥齿和伞齿轮6磨削加工螺旋线蜗轮716009817.5-13.70.180-0.2300.010-0.0200.020-0.030140.11217.5-13.70.180-0.2300.010-0.0200.020-0.030120.13113.7-10.50.230-0.3000.015-0.0250.025-0.040100.15710.5-8.50.300-0.3700.020-0.0300.035-0.05080.1988.5-7.50.370-0.4800.025-0.0400.040-0.05570.2247.5-6.50.370-0.4800.025-0.0400.040-0.05560.2516.5-5.20.480-0.6000.030-0.0500.045-0.06050.3145.2-4.30.600-0.7280.040-0.0600.045-0.06040.3934.3-3.70.728-0.8600.050-0.0700.045-0.0603.50.4493.7-3.10.860-1.0280.060-0.0800.060-0.0753.00.5233.1-2.81.026-1.2000.070-0.0900.075-0.0902.750.5712.8-2.61.026-1.2000.070-0.0900.075-0.0902.50.6282.6-2.31.200-1.4000.080-0.1050.075-0.0902.250.6982.3-2.11.200-1.4000.080-0.1050.075-0.0902.000.7852.2-1.91.428-1.6760.090-0.1250.075-0.0901.750.8971.9-1.61.676-1.9760.105-0.1400.075-0.0901.501.0471.6-1.31.976-2.4000.120-0.1550.075-0.0901.251.2561.3-1.12.400-2.8280.145-0.1800.075-0.0901.01.5701.1和以下2.828和以上0.170-0.2050.075-0.0900.752.0941.1和以下2.325和以上0.170-0.2050.075-0.0901 所有表面淬硬层深度都以法向径节为基础计量，在规定表面淬硬层深度前，其他节距测量都需要进行换算。2 轮齿顶面较薄的齿轮在其顶部可能会有超额的表面淬硬层深度，在规定表面淬硬层深度前，宜计算轮齿顶面宽度。3 齿根部位的表面淬硬层深度一般是轮齿中点的5070%。4 锥齿轮和伞齿轮的表面淬硬层深度是以轮齿小端的厚度计算的。5 对于要求最好性能的齿轮传动，必须对其应用、载荷和加工程序给以详细的研究，以确定必需的有效表面淬硬层深度，更详细的要求请参照AGMA 2001-B88。6 要把表列数据换算成公制，乘以25.4即得等量的mm数。7 磨削加工螺旋线蜗轮的淬硬层深度允许磨削，非磨削加工蜗轮的淬硬层深度可相应减小。对于非常重载荷的粗节距磨削加工蜗轮，可能需要比表列数值更高的淬硬层深度。表5-3 渗碳齿轮轮齿芯部的最小硬度 径 节钢 级最小硬度，HRC 1234567和7以上33163436373893153234363733103133353693102831333448202733353688222530323443202327303386201824262846201822251020141618 1 依据材料的Jominy曲线，最高硬度将比表列最低硬度高810点，使用H段钢是淬硬性控制的正规方法。.6 冶金学方面的质量控制下述的冶金学方面的资料应当是可获得的：（1） 来料等级资料；（2） 来料硬度和力学试验；（3） 热处理过程控制；（4