齿轮材料及热处理指南.doc

ANSI/AGMA 2004-B89 齿轮材料与热处理指南〔节译〕四川宏华石油设备 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 根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） 材料干净度（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外表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、材料干净度、外表状况和剩余应力等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标准中不推荐采用它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，受到以下因素的相反影响：〔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〕大晶粒构造〔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展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展退火或正火处理，它们能均匀材料的微观构造，从而均匀其机加工性和机械性能齿轮毛坯也可进展淬火加回火〔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，外表都有一层脱碳层，含有非金属杂质、裂缝与其他外表缺陷，这一层应该从齿轮临界外表上切除掉最小的毛坯外表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〕或外表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好的外表淬硬性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炽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〕和淬火的剧烈程度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 材料干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，提高其干净度的。

提高了干净度〔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、23004.4 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外表硬度，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，到达规定硬度的深度，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，首先进展正火处理，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HRCJominy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HRC404.6.1.3 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段标准进展采购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、构造、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。