齿轮材料与热处理指南.doc

1、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 译宏 华ANSI/AGMA 2004-B89 齿轮材料与热处理指南 1宏 华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S ac和S at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

2、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。ANSI/AGMA 2004-B89 齿轮材料与热处理指南 2宏 华4.1.2 疲劳强度 . 接触和弯曲疲劳

3、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，

4、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

5、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。ANSI/AGMA 2004-B89 齿轮材料与热处理指南 3宏 华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

6、 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Nitralloy 135 Mod. T-H&N 特殊热处理Nitralloy G 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

7、采用之.4350 2 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3310 2 C-H4820 C-H9310 C-H这三个等级的材料都有卓越的淬硬性(在大截面时)ANSI/AGMA 2004-B89 齿轮材料与热处理指南 4宏 华注 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

8、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）1045159-201 80 （550）50 （345）159-201 80 （550）50（345 ）41308630 156-19780 （550）50 （345）167-21290 （620）60（415）414041428640187-22995 （665）60 （415）262-302130（895）85（585）414

9、54150 197-241100（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（M

10、Pa） 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341-388 120（830 ） 95（655 ）ANSI/AGMA 2004-B89 齿轮材料与热处理指南 5宏 华414241454150油淬加回火 341-388 170（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

11、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

12、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

13、） 。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ANSI/AGMA 2004-B89 齿轮材料与热处理指南 6宏 华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

14、 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

15、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 A

16、NSI、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。ANSI/AGMA 2004-B89 齿轮材料与热处理指南 7宏 华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

17、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

18、，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

19、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ANSI/AGMA 2004-B89 齿轮材料与热处理指南 8宏 华少了加工时间，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

20、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、

21、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。ANSI/AGMA 2004-B89 齿轮材料与热处理指南 9宏 华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。

22、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 (

23、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

24、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