齿轮材料和热处理指南.docx
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齿轮材料和热处理指南
ANSI/AGMA2004-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
GearMaterialsandHeatTreatmentManual
1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
1045
T-H,I-H,F-H
低的淬硬性
4130
T-H
最低限度的淬硬性
4140
T-H,T-H&N,I-H,F-H
尚可的淬硬性
4145
T-H,T-H&N,I-H,F-H
中等的淬硬性
8640
T-H,T-H&N,I-H,F-H
中等的淬硬性
4340
T-H,T-H&N,I-H,F-H
在大截面上有好的淬硬性
Nitralloy135Mod.
T-H&N
特殊热处理
NitralloyG
T-H&N
特殊热处理
4150
I-H,F-H,T-H,T-H&N
好的淬硬性,但淬火裂纹敏感
4142
I-H,F-H,T-H&N
当4140显示出边界淬硬性时采用之.
43502
T-H,I-H,F-H
在大截面时有卓越的淬硬性,但淬火裂纹敏感.
1020
C-H
非常低的淬硬性
4118
C-H
尚可的芯部淬硬性
4620
C-H
好的表面淬硬性
8620
C-H
尚可的芯部淬硬性
4320
C-H
好的芯部淬硬性
8822
C-H
在大截面时有好的芯部淬硬性
33102
C-H
这三个等级的材料都有卓越的淬硬性（在大截面时）
4820
C-H
9310
C-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）
1045
159-201
80（550）
50（345）
159-201
80（550）
50（345）
4130
8630
156-197
80（550）
50（345）
167-212
90（620）
60（415）
4140
4142
8640
187-229
95（665）
60（415）
262-302
130（895）
85（585）
4145
4150
197-241
100（690）
60（415）
285-331
140（965）
90（620）
4340
4350型
212-255
110（760）
65（450）
302-341
150（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
HB2
最小拉伸强度
Ksi（MPa）
最小屈服强度
Ksi（MPa）
4130
8630
水淬加回火
212-248到
302-341
100（650）
145（1000）
75（515）
125（860）
4140
8640
油淬加回火
241-2853到
341-388
120（830）
95（655）
4142
4145
4150
油淬加回火
341-388
170（1170）
150（1035）
4340
4350
油淬加回火
277-321到
363-415W
135（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HB341，4300系列钢材硬度高于HB375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ASTMA534、A535和AMS2301、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JominyEndQuench试验法测得的（ASTMA255），或者可用理想直径（DI）概念预测。
4.6.1.1Jominy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。
4.6.1.2Jominy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。
4.6.1.3H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20~30%，差级材料的加工成本则要增加40~50%。
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
4118
4620
8620
8822
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。
3310
4320
4820
9310
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
1045
1141
1541
优良的切削性——正火后
4130
4140
4142
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。
4145
4150
4340
4345
4350
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2100-2400°F（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HRCW
ksi
MPa
ksi
MPa
0.375~3.000
（10~76）
1137SR﹡
1045SR
1141SR
1144SR
1144SS[
4145SS]
95
115
115
115
140
150
655
795
795
795
965
1035
90
100
100
100
125
130
620
690
690
690
865
895
11
10
11
10
10W
10W
24
24
24
24
30
32
3.001~3.500
（76.1~89）
4145SS]
150
1035
130
895
10W
32
3.001~4.000
（76.1~102）
1045SR
1141SR
1144SR
105
725
90
620
9
24
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950~1250°F（510~675℃）之间。
组焊齿轮用环形锻件，宜参考ASTMA290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
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