1、. .PAGE29 / NUMPAGES30ANSI/AGMA2004-B89 齒輪材料與熱處理指南（節譯）宏華石油設備 鉆采裝備研究所 譯齒輪材料與熱處理指南Gear Materials and Heat Treatment Manual1 適用圍本指南是為了提供齒輪材料、它們的熱處理和相關于齒輪的制造、使用的其他考慮的基本信息與補充信息的推薦來源而編寫的。相關于齒輪傳動裝置額定值（允許的Sac和Sat數據）的冶金學方面的問題沒有包括，但這些包括在美國齒輪制造商協會（AGMA）的額定標準中。引用文件和資料 （略）定義（略）材料選擇指導原則有許多因素影響齒輪材料的選擇，每個因素的相對重要性是可

2、以變化的。這些因素包括：機械性能材料級別和熱處理材料潔凈度尺寸穩定性實用性和成本可淬硬性和尺寸效應可切削性和其他加工特性4.1 機械性能在材料選擇之前，齒輪設計人員必需知道齒輪的應用和設計載荷，并計算應力大小。4.1.1 硬度. 強度特性與材料的硬度密切相關，在AGMA的齒輪額定值確定實踐中要用到它。表面硬度是齒輪耐磨性的重要考慮，芯部硬度是彎曲和沖擊強度的重要考慮。4.1.2 疲勞強度. 接觸和彎曲疲勞強度用來預測在給定的應力等級（水平）下，點蝕與斷裂破壞出現前，齒輪傳動裝置能耐受的預期的循環次數。接觸和彎曲疲勞強度受到許多因素的影響，例如：硬度、微觀組織、材料潔凈度、表面狀況和殘余應力等。

3、4.1.3 拉伸強度. 拉伸強度用來預測應力等級（水平），超過拉伸強度則破裂發生。在齒輪加工規中不推薦采用它。4.1.4 屈服強度. 屈服強度用來確定應力等級（水平），超過它則永久變形產生。4.1.5 韌性. 材料韌性用沖擊強度試驗、拉伸延展性試驗和/或破裂韌性試驗來測定。雖然它沒有直接地被考慮在齒輪額定之中，但它對于齒輪在高沖擊或低溫下或兩者都有的情況下的應用是很重要的。鋼制齒輪傳動裝置的韌性，受到下列因素的相反影響：（1）低溫（2）不適當的熱處理或微觀組織（3）高硫（4）高磷與發脆型的殘留元素（5）非金屬夾雜物（6）大晶粒結構（7）缺少鎳這樣的合金元素注：設計與加工考慮也會相反地影響齒輪的

4、韌性（例如：切槽、小的園角半徑、材料瑕疵等，它們都會產生應力集中）4.1.6 熱處理. 大多數成形的齒輪用黑色金屬材料都要進行熱處理以適應硬度和/或機械性能的要求。園形的和扁平的毛坯可以有多種機械的和熱工的加工過程組合，例如：熱軋、冷軋、冷拔、消除應力、酸洗、淬火和調質等。齒輪毛坯通常是進行退火或正火處理，它們能均勻材料的微觀結構，從而均勻其機加工性和機械性能。齒輪毛坯也可進行淬火加回火（調質）處理。4.1.5 毛坯切除. 所有的園形黑色金屬齒輪鍛件、鑄件和棒料，表面都有一層脫碳層，含有非金屬雜質、裂縫與其他表面缺陷，這一層應該從齒輪臨界表面上切除掉。最小的毛坯表面切除量根據毛坯尺寸大小和機械

5、工作類型而不同。最小毛坯切除量表可在大多數機加工材料手冊中找到。4.2 材料等級和熱處理詳細的齒輪設計，通常都將規定出作為后續熱處理功能所要求的材料等級，后續熱處理包括淬火加回火（調質）或表面淬火。材料等級和熱處理見表4-1，4-2和4-3。表4-1 典型的齒輪材料鍛鋼普通合金鋼等級常用熱處理慣例 1備注/應用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,

6、F-H在大截面上有好的淬硬性Nitralloy 135 Mod.T-H&N特殊熱處理Nitralloy GT-H&N特殊熱處理4150I-H, F-H, T-H, T-H &N好的淬硬性,但淬火裂紋敏感4142I-H, F-H, T-H&N當4140顯示出邊界淬硬性時采用之.4350 2T-H, I-H, F-H在大截面時有卓越的淬硬性,但淬火裂紋敏感.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在大截面時有好的芯部淬硬性3310 2C-H這三個等級的材料都有卓越的淬硬性(在大截面

7、時)4820C-H9310C-H注 1 ：C-H=滲碳淬火，F-H=火焰淬火，I-H=感應淬火，T-H=整體淬火， T-H&N=整體淬火后再滲氮注 2 ：公認的，但不是現行標準等級。表4-2 退火、正火加回火鋼齒輪的布氏硬度圍與強度規定的典型合金鋼退火熱處理正火加回火布氏硬度圍HB最小拉伸強度Ksi （MPa）最小屈服強度Ksi （MPa）布氏硬度圍HB最小拉伸強度Ksi （MPa）最小屈服強度Ksi （MPa）1045159-20180 （550）50 （345）159-20180 （550）50（345）41308630156-19780 （550）50 （345）167-21290 （6

8、20）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：材料以淬硬性遞增的順序排列。 2：淬火加回火這種熱處理得到的綜合性能，也即抗沖擊性和延展性，優于退火或正火加回火處理獲得的性能，見表4-3，淬火加回火齒輪。 3：硬度和可以用正火加回火獲得的強度，它們是一個控制截面大小與考慮回火溫度的函數。表4-3

9、 淬火加回火的合金鋼齒輪典型的布氏硬度圍和強度合金鋼等級 1熱處理布氏硬度圍HB 2最小拉伸強度Ksi（MPa）最小屈服強度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材料以淬硬性遞增的順序排列

10、，4350最高，這些鋼材可以列在“H”段淬硬性圍。2 硬度圍決定于控制截面尺寸（見附錄B）和淬火的激烈程度3 當4100系列鋼材硬度高于HB 341， 4300系列鋼材硬度高于HB 375時，齒輪的切齒加工困難。W 高的規定硬度用于特殊齒輪傳動，由于高硬度降低了機械加工性，應該考慮成本。4.3 材料潔凈度電爐冶煉的齒輪加工用棒料或鍛造合金鋼，通常是經過真空除氣、惰性氣體（氬）屏蔽和底澆工藝來減少有害氣體（氫、氧、氮）的含量，提高其潔凈度的。提高了潔凈度（減少了非金屬夾雜物含量），材料橫向延展性和抗沖擊強度得以提高，但是材料的機械加工性能（切削性能）則可能降低，例如，硫含量低于0.015%的合金

11、鋼就是這樣。真空除氣鋼可能會進一步用真空電弧再熔（VAR）或電渣再熔（ESR）工藝精煉，這些精煉過程會進一步減小氣體和夾雜物的尺寸和含量，提高材料的疲勞強度，生產出關鍵齒輪傳動裝置用的最高質量的鋼材。但是，這樣作顯著地增加了成本，降低了機械加工性能，對于那些不是關鍵的齒輪傳動裝置，必須充分地評估有無提高這些性能的必要。注：為獲得更多的信息，請參見ASTM A534、A535和AMS 2301、2300。4.4 尺寸穩定性為了實現設計圖紙的要求，可能在材料方面要考慮這樣一些問題：增加的原材料數量、模鍛步驟、淬硬性限制等，以減少扭曲和可能的裂紋（見5.8）。4.5 成本和實用性具體的材料選擇，經常

12、由成本和實用性因素來決定，例如：標準的工業合金、采購時間等。標準的鍛造用碳鋼和合金鋼，如1020、8620、4320、4820、9310、4140、4150和4340等可以從維修中心和軋鋼廠購得，維修中心通常可以較快地從其庫存中小批量地提供這些鋼材，軋鋼廠供貨需要一定的批量（幾千磅），且交付時間較長。然而，工廠批量的價格可以較低，且在有特殊要求時可以提供非標準鋼材。當零件量小時，宜采用標準合金鋼，或在圖紙上允許選擇材料。在采用鋼、鑄鐵和有色金屬的場合，可能時宜使用SAE與ASTM的命名法。4.6 淬硬性鋼材的淬硬性，是測定它在奧氏體化溫度下淬火時的硬度梯度的特性。淬火后的鋼制零件的表面硬度，主

13、要取決于材料的含碳量和冷卻速度。在給定的淬火條件下，達到規定硬度的深度，是鋼材淬硬性的函數，淬硬性較決定于該鋼級的合金含量。4.6.1 測定. 淬硬性通常是用Jominy End Quench 試驗法測得的(ASTM A255)，或者可用理想直徑（DI）概念預測。4.6.1.1 Jominy試驗法. 一個長4”（102mm），直徑為1” (25mm)的棒料，首先進行正火處理，然后均勻地加熱到標準的奧氏體化溫度，把棒料放在夾具上，對其一個端面噴室溫下的水以淬火。4.6.1.2 Jominy分析. 沿著棒料的長度方向每間隔1/16”長度測量其洛氏硬度HRC。Jominy淬硬性用每個間隔的HRC表示

14、，起點為水淬火端面。例如：J5=40應解釋為，在離水淬端面5/16”的地方的硬度為HRC40。4.6.1.3 H段鋼材. Jominy淬硬性已用于標準鋼材，對于給定成分的鋼材，Jominy淬硬性數據落在預測圍。根據預測淬硬性圍采購的鋼材稱為H段鋼材。這些段由ASTM、ANSI和SAE發布。鋼材可以根據H段或受限制的H段規進行采購。4.6.1.4 理想臨界直徑. 理想臨界直徑方法（DI）是基于ANSI、SAE、伯利恒鋼鐵公司出版的現代鋼材和它們的性質和其他淬硬性參考出版物中描述的化學分析方法的。4.6.2 應用. 對于給定成分的鋼材，淬硬性是恒定的，但硬度則隨冷卻速度而變化。因此，零件上任一點獲

15、得的硬度，將決定于碳含量、淬硬性、零件尺寸、結構、淬火介質和淬火條件。典型地，按照淬硬特性選擇的鋼材，將會獲得比規定硬度高的淬火硬度，這樣就可通過適當的回火來獲得所需的韌性和機械加工性。截面厚度增加，鋼材的淬硬性必須增加以維持零件截面上給定的硬度。4.7 機械加工性（切削性）有幾個因素影響材料的機械加工性能，反過來又影響經濟性和制造的可行性。這些因素在設計階段就必須加以考慮，特別是在規定高強度等級時時更是這樣。影響機械加工性的因素有：需要切削的材料的化學成分、微觀組織、硬度、形狀和尺寸切削速度，進給（刀）量和切削工具機床條件，包括剛度、精度和動力等采用的切削液的特性對于機械加工性的論述市面上有

16、豐富的出版物，對于切削操作力學這里將不予考慮，僅將討論一些冶金學的影響因素。鋼材的化學成分與微觀組織對其機械加工性有重大影響，因它們影響鋼材的性質和結構。金屬氧化物，如鋁與硅（？）的氧化物，形成硬的氧化物雜質和分布，使得材料的機械加工性變壞。硫、鉛、硒、碲等元素，在鋼的矩（點）陣中形成軟的夾雜物，有利于改善材料的機械加工性。鈣添加劑（煉鋼中）形成硬的不規則的夾雜物，也有利于加工性。然而，硫、鉛、鈣在有利于切削性的同時降低了鋼材的力學特性，特別是在橫向上。加鈣煉制的鋼材，當用在高應力齒輪和軸時，與傳統方法煉制的鋼材相比，其疲勞強度將有顯著的降低。碳含量超過0.30%由于硬度的增加而降低了加工性。

17、基于一樣碳和硫水平，高的鎂含量也會降低切削性。總的來講，合金增加材料的硬度和韌性，但降低切削性。常用齒輪材料，以其機械加工性能的優良、良好、差分組列在表4-4中。以優良級加工性能的材料為基數，良好級材料的加工成本要增加2030%，差級材料的加工成本則要增加4050%。4.8 黑色金屬齒輪齒輪用黑色金屬材料包括鍛造用碳素鋼與合金鋼、鑄造用碳素鋼與合金鋼、鑄鐵和可鍛鑄鐵。根據用途、尺寸、設計、數量、實用性和經濟性的考慮，碳素鋼與合金鋼齒輪可以通過不同形式的粗毛坯加工而成，這些形式包括鍛鋼、焊接組合和鑄件。4.8.1 鍛鋼. 鍛鋼是機械地加工成特殊用途形狀的碳素鋼和合金鋼的通用術語。標準的鍛鋼是園形

18、坯料（園鋼）、扁平坯料（扁鋼與鋼板）和鍛件。鍛件減少了加工時間，在廣泛的尺寸和鋼級圍都是可用的。4.8.1.1 園料. 不同直徑的標準的碳素鋼和合金鋼園棒料可從市場上購得。通常的園鋼是熱軋的、熱軋冷拔的、熱軋冷成形的和鍛造的。冷拔園鋼尺寸公差精確，有改良的機械性能（高的硬度和屈服強度）。低到中碳鋼的冷拔園鋼通常可用于齒輪傳動。 熱軋冷成形園鋼經機械加工（車、磨和/或拋光）以獲得更精確的尺寸，但表4-4 普通齒輪材料的機械加工性材料級別低碳滲碳鋼級備注1020優良的切削性軋制完工后，鍛造完工后或正火后4118462086208822優良的切削性軋制完工后，鍛造完工后，然而，正火是首選。正火過程中

19、不適當的冷卻會使材料發粘，降低刀具的壽命和工件表面光潔度。淬火加回火作為預處理可以改善材料的切削性，但預處理的經濟性需要加以考慮。3310432048209310切削性介于良好與優良之間正火加回火后、退火后、或淬火加回火后。正火而不回火會導致切削性降低。材料級別中碳整體淬硬鋼級備注104511411541優良的切削性正火后413041404142優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；硬度超過HB321，切削加工性良好（尚可）；硬度大于HB363，切削加工性差；不適當的（馬虎的）淬火加低溫回火可能使零件達到規定的硬度，但產生的混合微觀組織

20、會導致切削加工性變差。41454150434043454350上邊的對于中碳合金鋼的備注適用。但是，碳含量越高則切削性越差。硫添加則有益于這些鋼級的切削性。4340鋼的硬度到HB363時切削性都還優良。4145、4150、4345和4350中的較高碳含量，使它們的加工更加困難，只有在大截面零件時才宜采用。不適當的（馬虎從事的）淬火可嚴重地影響這些鋼的切削加工性。注：粗粒度的鋼材比細粒度的鋼材更容易加工。然而，齒輪鋼材一般都在細粒度狀態下使用，因為其機械性能得到了改善，且熱處理過程中的變形也減少了。現在，越來越多的潔凈鋼也被規定為齒輪用鋼，但是，如果硫含量低，小于0.015%，則切削加工性會略有

21、降低。材料級別其他齒輪材料備注灰鑄鐵灰鑄鐵有優良的切削加工性，較高強度灰鑄鐵（拉伸強度高于50ksi (345MPa)時），其切削加工性能有所降低。可鍛（延展）鑄鐵退火或正火后的可鍛鑄鐵有優良的機加工性，鑄造完工不經熱處理的鑄件的機加工性尚可（良好）。淬火加回火的可鍛鑄鐵，硬度在HB285以下機加工性優良，硬度達HB325以前良好，HB325以上則加工性差。青銅、黃銅所有齒輪用青銅與黃銅都具有優良的機加工性。很高強度的經熱處理后的青銅（拉伸強度高于110ksi (760MPa)時）的機加工性良好。奧氏體不銹鋼所有的奧氏體不銹鋼都具尚可（良好）的切削加工性能。因為有加工硬化的趨勢，所以在加工中要

22、很好選擇進刀量和切削速度以減小硬化。相對于熱軋或退火園鋼來講并沒有改善其機械性能。熱軋園鋼是在大約2100-2400F (1150-1315 )下機械加工的，可能隨之以退火、校直和消除應力。鍛造園鋼是在與熱軋大約一樣的溫度下（對于低碳鋼和低碳合金鋼溫度較高些）用壓力機或空氣錘加工園形的，購買時可以根據其不同應用有多種形式的熱處理組合。熱軋園棒料現在已常用連鑄機生產的鑄鋼棒軋制而成。連鑄棒料經過熱軋成形，橫截面積尺寸充分減小（7：1最小），為齒輪傳動生產出稠化高質量園鋼。根據鋼廠的生產能力，不同類型的園鋼材料的最大直徑大約如下： 熱軋園鋼 8” (205mm) 冷拔園鋼 4” (100mm) 冷

23、成形園鋼 5” (125mm) 鍛造園鋼 16” (405mm)表4-5 機械性能要求冷拔、消除應力園鋼（專用冷拔高拉伸強度園鋼）規 格In. (mm)鋼 號園鋼、方鋼、六角鋼的機械性質最小拉伸強度最小屈服強度2” (50mm) 時的最小伸長率, %名義硬度HRC WksiMPaksiMPa0.3753.000(1076)1137SR1045SR1141SR1144SR1144SS4145SS951151151151401506557957957959651035901001001001251306206906906908658951110111010W10W2424242430323.001

24、3.500(76.189)4145SS150103513089510W323.0014.000(76.1102)1045SR1141SR1144SR10572590620924注： 作了消除應力處理； 專用鋼，額外要求：硬度最小HRC30，1144SS鋼沒有大于2.5in.(64mm)的規格； 專用鋼，額外要求：硬度最小HRC32，4145SS鋼沒有大于3.5in.(89mm)的規格；W 典型值，不是要求。注：某些冷成形軋鋼公司以不同的商業名稱提供上述材料。4.8.1.2 扁鋼或板材. 標準厚度不同長度和寬度的碳素鋼或合金鋼扁鋼或板材在市面上可獲得。扁鋼板材通常是熱軋的或熱軋加退火狀態。4.8

25、.1.3 鍛件. 鍛件是機械地用熱變形方法生產出來的，這種成形法可以使鋼材結構變密，可以改善含物質的方向性。典型地，鍛造熱變形通常是在鋼坯溫度高于1900。F （1038。C）下完成的。鑄錠用以加工鍛坯，鍛坯再加工成鍛件和棒料。現在的鑄錠多是底澆的，具有改善的宏觀結構和錠收獲率（頂澆錠有許多有用的錠金屬被切除丟棄）。采用了4.3中討論的部分或全部潔凈技術的電爐冶煉的合金鋼，可使材料的橫向延展性和沖擊強度改善。鍛件材料經常總是采用完全鎮靜鋼，以減小因可溶氣體存在而出現的鍛造裂紋。標準鍛造可分為：自由鍛這種方法用材料在開式結構的空氣錘或壓力機的上、下模（錘頭和鐵砧）之間的變形生產尺寸粗糙的鍛件。自

26、由鍛也可規定為鐓（頂）鍛以增加中心的密稠性。鐓鍛可以最初把鍛坯在一個方向上熱加工，然后轉過90度再熱加工。鐓鍛件常用在臨界高速齒輪傳動中，節徑線速度可大于30,000英尺/分（152m/s），它可在中心產生高的離心應力。模鍛這種方法經常用來生產比自由鍛件較小的精密公差鍛件。上、下模把鍛坯材料吸入閉合的模腔中，壓迫作用使金屬填滿模腔，生產出輪廓很精確的鍛件。滾環鍛這種方法用來生產園環形工件。典型的作法是用沖頭（心軸）在鍛坯上沖出一中心孔，再用此心軸拿著坯料在鍛錘與鐵砧之間鍛打并轉動，靠鐵砧與心軸之間的熱變形使鍛坯成為環形工件。大直徑的工件是用帶有中心孔的園形鋼坯在軋輥壓力機上軋制而成的。有關鍛鋼

27、加工和鋼材煉制的額外知識，可參考以下原始資料：美國金屬協會的金屬手冊；美國鋼鐵學會的鋼材手冊；美國鍛造行業協會的鍛造工業手冊。4.8.2 齒輪的組焊結構. 通常，組焊結構的齒輪由幾個軋制或鍛造的環形件組成，一個成形的園盤或鑄件作為輪緣（輪齒）部分，一個鍛造或鑄造的輪轂，低碳鋼板作為輪輻或支承部分。組焊前，輪緣或輪齒部分經過熱處理以獲得規定的硬度（機械性能）。組焊中采用適當的預熱和焊后熱處理溫度。組焊后的總成要在爐中進行消除應力退火，采用的溫度依輪緣先前熱處理時的回火溫度而不同，大約在9501250F (510675 )之間。組焊齒輪用環形鍛件，宜參考ASTM A290標準規。4.8.3 鑄鋼.

28、 碳素鋼和合金鋼鑄件廣泛地用在整體淬硬齒輪傳動中，但較少用在表面淬火齒輪中。鑄鋼齒輪的規格從10”（250mm）外徑2”（50mm）齒寬的整體式齒輪，到480”（12,192mm）外徑40”（1,016mm）齒寬的分體式齒輪。小規格的齒輪通常都是實體的輪輻和輪轂設計，盡可能在輪輻上開孔以減輕重量。大規格的齒輪可以是是實體輪轂、分體輪轂、分體輪轂和輪緣設計，輪輻常用輻條臂而不用小規格齒輪常采用的實體輻板。分體式齒輪為了組裝和安裝目的在分體上與徑輻板部位設計有螺栓孔。分體式齒輪常鑄造成兩塊或四塊，典型的鑄造齒輪設計見圖4-1。4.8.3.1 加工. 鑄鋼可以用平爐、電弧爐和感應爐熔煉，爐氛可以是酸

29、性的或鹼性的，二次精煉過程可用來減少鑄鋼中的氣體、磷、硫含量水平。4.8.3.2 鑄鋼材料等級. 齒輪傳動用鑄鋼通常都是AISI和SAE 鋼號的變種(硅等元素)。整體淬硬齒輪常用1045，4135，4140，8630，8640和4340類鋼，滲碳淬火齒輪則采用1020，8620和4320類鋼。如鍛鋼一樣，必需小心從事以保證整體淬硬齒輪獲得規定的最小硬度。典型的整體淬硬鑄鋼齒輪材料的化學成分和拉伸性質如表4-6，4-7所示。4.8.3.3 鑄鋼的焊修. 鑄件熱處理前的焊接修理是由鑄件生產者執行的。輪齒部分和其他臨界載荷承載部分的焊修只能在熱處理之前進行。宜采用可熱處理的焊條（4130，4140和

30、4340類型），以便在鑄件熱處理后得到與母材相當的硬度。熱處理后若還允許進行焊修的話，只要可能就必需進行再熱處理。如果不可能進行再熱處理，則推薦采用局部的預熱和后熱，以避免或減少熱影響區的令人不愉快的殘余拉應力或高硬度。全部焊縫宜檢查到鑄件使用的同一質量標準。注：輪齒部分的焊修可能需要通知買方。（上邊的設計也可是鍛件或組合焊接件）圖4-1 鑄鋼齒輪的典型設計4.8.3.4 鑄鋼的熱處理. 鑄件或者熱處理到規定的硬度，或者熱處理到規定的硬度和最低的機械性質。要求的齒面兩端的硬度試驗次數通常決定于齒輪的外直徑，試驗數隨外直徑的增加而增加。機械性能試驗要有規定時才做。宜參考6.2和6.3的附加資料。

31、4.8.3.5 鑄鋼的質量. 交貨的鑄件應當沒有夾砂、鐵鱗、無關附著物、電弧、氣割引起的硬區和會負面影響機加工的焊修。齒輪鑄件在輪齒（輪緣）部分也不應該有裂紋、熱裂、冷硬和未熔化的菜花頭，且應符合無損檢測的要求。輪齒以外部分的質量要求不是很嚴格。次要的缺陷（不連續）如果出現在已加工完成的齒面上，常用輪廓磨削加以去除，優先采用裝飾性焊補。這可能需要顧客的認可。干式或濕式熒光磁粉探傷法例行地用來檢驗鑄件是否符合規定的表面質量要求。其他的無損檢測法如射線探傷和超聲波探傷，也用來評價輪齒部的完整性。試驗方法、試驗位置和接收標準由供需雙方確定。推薦采用的的ASTM無損檢測規如下：ASTM E709-80

32、 磁粉試驗ASTM E125-63（1980） 黑色金屬鑄件磁粉試驗顯示參考照片ASTM E609-83 碳素鋼和低合金鋼鑄件超聲波試驗ASTM E186-80 厚壁51114mm鑄件用標準參考射線照片ASTM E280-81 厚壁114305mm鑄件用標準參考射線照片ASTM E446-81 厚度達51mm的鑄件用標準參考射線照片4.8.3.2 鑄鋼的補充信息. 下列資料中可得到許多補充信息：ASM手冊叢書第5卷，第8版，美國鑄鋼翻砂工協會出版；ASM手冊叢書第11卷，第8版無損檢測與質量控制。表4-6 整體淬硬鑄鋼齒輪的典型化學成分元 素鑄鋼種類與合金成分百分比1045 Type4140

33、Type8630 Type8642 Type4340 Type碳0.40-0.500.37-0.430,27-0.370.38-0.450.38-0.43錳，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鎳0.60-0.900.60-0.901.65-2.00鉻0.80-1.100.60-0.900.60-0.900.70-0.90鉬0.15-0.250.30-0.400.40-0.500.20-

34、0.30注釋：1. 在鋼號后加“Type”字樣表示不符合精確的美國鋼鐵學會（AISI）的化學成分要求。2. 當采用鹼性煉鋼法“桶中精煉”或“氬氧脫碳（AOD）”時，一般都能達到低磷、硫含量（低于0.020%）。3. 可規定釩元素含量在 0.060.10 %之間，以細化鋼材晶粒。4. 對于低合金鑄鋼的桶中脫氧熔煉法，可規定鋁元素的最大含量為0.025 %，以改善材料的韌性、潔凈性和機加工性（按ASTM A356標準）。5. 對于碳素鋼和低合金鋼，要采用按ASTM A148 或顧客規的其他AISI 典型或專用化學成分，這取決于零件規定的硬度（機械性能）、熱處理類型和控制截面尺寸（淬硬性）等考慮。6

35、. 資料來源： AGMA 6033-A88, 船用推進器齒輪傳動裝置，第1部分：材料表4-7 整體淬硬鑄鋼齒輪的拉伸特性AGMA6033-A87等級布氏硬度圍最小拉伸強度ksi (MPa)最小屈服強度ksi (MPa)2” 時的最小伸長率，%最小截面收縮率，%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

36、-363145 （1000）120 （830）8.020.0G331-375150 （1030）125 （860）7.018.0注：上述7個等級的拉伸特性要求，是對ASTM A148規中3個等級（從10585到150135）的要求的修正。資料來源： AGMA 6033-A88, 船用推進器齒輪傳動裝置，第1部分：材料4.8.4 鑄鐵. (略)4.9 鍛鋼、鑄鋼和組合焊接齒輪的選擇準則對大多數應用來講，選擇齒輪毛坯的生產方法首先是一個經濟問題，但隨著齒輪的載荷、停工成本和安全考慮的增加，毛坯質量也變得日益重要。宇航和特別高速的這些關鍵的齒輪傳動，齒輪材料通常是用真空除氣合金鋼制造，進一步用特別昂

37、貴的真空電弧重熔（VAR）或電渣重熔（ESR）工序加以精煉。這些和其他很經濟的工序（如AOD、桶中精煉等）改善了材料的潔凈度，生產出很高質量的鋼材。鍛鋼或鍛造的鋼件，通常被認為比鑄鋼要好，因為是熱成形的。然而，鍛鋼件具有各向異性，這意味著其機械性質（拉伸延展性、疲勞強度和沖擊強度）是隨熱加工時的方向或成形時含物流向而變化的（見圖4-2）。改善材料潔凈度是為了使材料橫向和切向性質接近（但不能相等）其縱向性質注：橫向上的機械性質隨含物的類型和材料的形狀而變化。 機械性質數據通常是在縱向上測得的。（注：如果要求沖擊性能測試，ASTM E399標準可采用。）圖4-2 鍛件性質的方向性鑄鋼一般來講在各個

38、方向上的性質一樣（各向同性），當在齒圈上用得適當時，可提供相當于鍛鋼齒輪的性質。鑄鋼件的質量涉與到煉鋼、制模型、澆注、熱處理和無損檢測（磁粉檢測、超聲波檢測、射線檢測）的實際操作。當齒輪制造用組合焊接工藝比用鍛件或鑄件更經濟時，可采用組合焊接工藝。輪緣（齒圈）通常用鍛件或環鍛、成形的合金鋼板，很少也采用鑄件。齒圈鋼材的淬硬性必須適當，以便能夠在最低回火溫度1000。F （540。C）時獲得硬度。組合焊接后應當最低在950。F （510。C）消除應力（比回火溫度低50。F）。退火狀態下使用的齒圈，可在1250。F （675。C）的溫度下消除應力。模鍛或熱軋模生成的齒輪輪齒，金屬與含物的流動方向與

39、齒廓平行，成就了齒輪材料含物的最佳方向。這種齒輪的應用受到了限制，因為齒輪數量和關鍵的應用考慮必須證明增加的開發和模具成本是合理的。熱處理熱處理是使齒輪材料獲得期望的性能的加熱和冷卻過程。當額定值和使用要求需要擔保齒輪有高的硬度和強度來改善其疲勞強度和耐磨性時，黑色金屬齒輪可以采用整體淬硬和表面淬硬熱處理。通常，黑色金屬材料熱處理包括：（1）預先（備）熱處理 退火； 正火加回火； 淬火加回火； 消除應力；（2）熱處理 整體淬硬（退火，正火加回火，淬火加回火） 表面淬硬輪廓加熱（火焰和感應加熱）和輪廓化學修正（滲碳、碳氮共滲、滲氮）（3）后熱處理消除應力 有色金屬材料的特殊熱處理宜由生產者推薦。

40、5.1 整體淬火 （略）5.2 火焰淬火和感應淬火（略）5.3 滲碳. 氣體滲碳包括把低碳合金（碳含量在0.070.28%）材料加熱和保溫在一個可控氣氛環境（爐）中，通常保持溫度在16501800F (899982 )之間，這使得補充的碳擴散到材料中（典型地在表面達0.70-1.2%）。欲滲碳淬火的齒輪坯，通常在原先的下臨界溫度11001250F (592675 ) 退火之后進行預熱、正火、正火加回火或淬火加回火處理，使其滲碳淬火前達到規定的硬度。這樣作是考慮機加工性、尺寸穩定性和細化晶粒的緣故。在滲碳前的最后機加工前的中間應力消除處理也可采用，以消除粗加工中的殘余應力。在滲碳進行了適當的時間

41、之后，齒輪一般被冷到14751550F (802843 )并保持穩定以維持碳勢，后直接淬火。滲碳后的齒輪也可在大氣下冷卻到600F (315)以下，再在可控氣氛下加熱到14751550F (802843 )后再淬火。淬火后通常是在300375F (149191 )溫度下回火。隨后齒輪還可給以冷藏處理以轉化余留的奧氏體和再回火。5.3.1 應用. 當要求齒輪有最佳性能時常采用滲碳淬火處理。高的表面硬度、高的齒面強度、淬硬的齒面留有用的殘余壓應力、由于選用了適當的滲碳級鋼使芯部有適當的性能等等，這一切使得對于接觸應力、抗點蝕和齒根彎曲強度都有最高的AGMA齒輪牙齒額定值。滲碳淬火齒輪的額定值比整體

42、淬火或其他表面淬硬的齒輪的額定值要高，這是因為其疲勞強度較高。改善其載荷分布可由隨后的硬齒光整獲得。常規的硬齒光整工序（剃齒和磨齒）會導致有益的表面壓應力的某些犧牲和成本的增加。滲碳淬火齒輪用在一般工業用途的高速傳動和宇航的精密傳動的閉式齒輪傳動裝置中，也用在軋鋼廠的大型開式傳動裝置中，同時也可用在要求耐磨損的傳動中。淬火后的特殊的輪齒光整作業，取決于所有應用的精確度和接觸要求。滲碳工藝技術已經是很好地建立起來了，可用的設備和控制手段使它成為一個可靠的過程。表面硬度、齒表（淬硬）深度、芯部硬度都可合理地規定得公差精密，且質量可以審查。某些齒輪不能作滲碳淬火是因為變形（扭曲）。扭曲的齒輪不能夠被

43、校正而不產生裂紋。齒條齒、薄截面、復雜形狀、不能光整的零件和光整消耗被禁止的零件，都呈現出加工難題。滲碳之后進行模壓淬火可用來減小變形。齒輪上的選定區域可以在滲碳中被保護（遮蔽）起來以允許淬火后進行機加工，或者是滲碳后緩慢冷卻機加工后再淬硬。齒輪直徑超過80” (2032mm)進行滲碳就變得困難，原因是能進行這種處理的爐子就很有限。當前滲碳淬火齒輪的最大尺寸是120” (3048mm)，這種大齒輪在滲碳淬火后通常都需要對輪齒進行光整（剃、磨）加工。5.3.2 材料. 材料選擇是設計過程的綜合部分，選擇應當在考慮材料的硬度和淬硬性、化學成分、潔凈度、機械性能和經濟性的前提下作出。機械性能包括但不

44、限于韌性、缺口敏感性、抗疲勞強度、彎曲強度、抗點蝕性和運行特性等。材料選擇宜參考表4-1（典型滲碳材料）和附錄C（表面淬硬性）作出。5.3.2 試棒控制. 試棒用來證明齒輪表面特性，要求時也用于芯部特性，符合規定要求。試棒材料應與齒輪材料的種類一樣，但不必是同一爐出的。試棒應當伴隨齒輪的全部熱處理過程，包括后淬硬處理過程。宜對輪齒光整加工不能去掉部分的評價進行考慮。一個磨削與拋光了表面的一段（法向的，在試棒長度的中間），被認為能滿意地用來測定徑節（DP）到4 1/2的直齒與斜齒的表面滲碳層有效厚度。試棒的最小尺寸宜為直徑15mm，長度為50mm。直徑為25mm，長度為50mm的試棒可以用作徑節

45、粗到1.5的齒輪的測量，徑節1.5以上齒輪的測量用試棒的尺寸由雙方商定，且宜大約在輪齒橫截面高度的中間的切園直徑，試棒長度宜為其直徑的2-3倍。當有規定時，芯部硬度和微觀組織，可用表5-1據徑節大小規定的園試棒的中心來測定。也可采用最小厚度為度為試棒直徑的70%的試驗盤或試驗板。試驗盤或板上的最小接直徑應當最小是其厚度的3倍。對于斜齒輪，推薦的試棒直徑大約等于中間寬度上的法向齒厚的接直徑。表5-1 芯部硬度測定用試棒規格徑節DP試棒規格，直徑長度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

46、/2 DP3.0”7.0” (76mm180mm)1 1/2 DP 和更大3.5”8.0” (89mm205mm)當用從試棒與零件上獲得的性質有爭議時，可以從實際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試驗器測量，它產生小而淺的壓痕，以便獲得的數據能代表被測表面或區域的硬度。那些產生金剛石棱錐或努普（Knoop）顯微壓痕硬度數值（500克載荷）的硬度儀也被推薦使用。當直接在表面淬火的零件或試棒表面上測量時，表面的或洛氏A 或C硬度刻度可被采用。當穿透式硬度計不能使用時，其他的硬度計，如肖氏硬度計或便攜式里氏硬度計（Equolip）也可采用。硬度計壓痕深度相對于

47、表面淬火層厚度必須加以考慮。當試驗器全部或部分地穿透表面淬火層時，能夠獲得低的讀數。表面硬度的顯微硬度應當在表面之下0.05-0.10mm深度的拋光橫截面上測定。在打磨和拋光時必需注意不要把被測邊緣倒園了，也不要把磨削過的表面回了火或燒毀了。注：直接的表面硬度讀數（ASTM E18-79），或銼刀在齒尖或齒側的檢查，一般能確認表面硬度。然而，如果在表面下幾千分之一表層里有二次轉化物存在，直接的表面檢查將不會必然地顯示其存在。表面之下0.05-0.10mm深度的拋光橫截面上測定的顯微硬度更加精確，這種類型的測量對于接近表面的精確的顯微硬度讀數可能是必要的。5.3.3.2 芯部硬度. 有要求時，芯

48、部硬度可以用任何硬度試驗計測量，當然要按5.3.3來考慮試件的尺寸。注：芯部硬度的定義見第3章。金屬熔煉中偶爾產生的條帶現象，在用顯微硬度計測試時可引起芯部硬度的變化。當規定了芯部硬度時，這種變化不得低于其最小規定值。5.3.3.3 表面淬硬層有效厚度. 用于準備表面硬度測定的橫截面樣本的程序，同樣適用于表面淬硬層深度測定的樣本的準備。顯微硬度穿越線（譯者注：原文microhardness traverse，但譯者估計這就是表面淬硬層厚度測定。）應當從表面以下0.05-0.10mm（0.0020.004in.）開始，至少要超出HRC50獲得點深度0.25mm (0.01in)，通常采用的間隔為

49、0.13mm(0.005in.)。在開始穿越線時注意要在輪齒中點的位置。齒根處的表面淬硬層有效深度約為輪齒中點的50-70%，而齒頂處的表面淬硬層有效深度約為輪齒中點的150%。注：表面淬硬層厚度的定義見第3章。當高淬硬性的鋼材，如4320、4327、8627、4820、9310、3310被用來作為細節距齒輪的材料時，它們的高整體淬硬性可能阻止輪齒橫截面上獲得低于HRC50的硬度，表面淬硬層厚度的測定用下述方式進行：測量母材在輪齒中點的硬度，對每個高于HRC45的點，應當加上一個HRC50的有效表面淬硬層深度標準（例如，芯部硬度為HRC47，表面淬硬層有效深度應當從HRC52算起）。在這些場合

50、，表面淬硬層深度也可用試棒測量，當然，試棒規格應與輪齒截面相關（見5.3.3）。注：整體滲碳細節距輪齒有幾個缺點。有用的表面壓應力降低了。過分的輪齒變形和芯部延展性丟失也可能發生。這樣的零件宜仔細地審核其表面淬硬層有效深度規和低淬硬性材料如4620、8620的應用。5.3.3.4 表面滲碳層含碳量. 表面含碳量可用園試棒的0.13mm深的車床切屑來測定，為此目的，光譜技術已經開發出來。含碳量梯度也可以按不同的精度要求和表面層深度，用0.05mm至0.25mm的增量的切屑進行光譜測定。試件應當與零件一道滲碳。在為后續機加工作準備的冷卻或回火過程中，要注意保持表面的完整性。試棒在機加工前應當校直到

51、0.038mm以。試棒必須干凈和干加工，必須保證車床切屑在分析前不與任何外來碳類物質接觸。5.3.3.5 顯微組織. 滲碳淬火齒輪的顯微組織，可在試棒中間的正截面或在輪齒的正截面，最好是經過拋光和刻蝕后進行測定。顯微組織會隨著材料的淬硬性、截面尺寸、淬火烈度的不同而引起的芯部硬度的變化而變化。5.3.4 技術要求. 為了有助于獲得上述特性，至少應給熱處理者下邊的資料：（1）材料；（2）滲碳淬硬層深度圍（見表5-2）；（3）表面硬度圍。當有額外的特性要求時，下列額外項目可以全部或部分地加以規定：（1）芯部硬度；大約為輪齒的最小芯部硬度，某些典型的滲碳等級鋼材在良好的油液淬火中的獲得的芯部硬度可從

52、表5-3中找到。（2）芯部顯微組織；（3）表面淬硬層顯微組織；（4）表面層碳含量；（5）零度以下溫度熱處理；（6）不需要滲碳的需要遮蔽起來的區域。5.3.5 滲碳過程控制. 精確的滲碳需要對多個因數進行精密的控制，這些因數包括：（1）溫度控制加熱爐設備要溫度均勻，溫度控制精密，溫度記錄和控制儀表精度高，這些控制儀表應定期檢查和校準。（2）爐氛控制加熱爐應當有能力維持具有可控碳勢的滲碳爐氛。連續爐氛控制儀器是首選，但其他公認的方法也可采用。（3）零度以下溫度處理（余留奧氏體轉化處理）當表面硬度由于有過多的余留奧氏體存在于淬硬層顯微組織中而較低時，這就可能需要冷凍零件以把余留的奧氏體轉化成馬氏體。

53、冷凍處理的溫度可在20至120F (7至84 )之間變化。為了減小顯微裂紋，零件在冷凍前后都要進行回火處理。注：關鍵齒輪傳動中冷凍處理要慎用。產生的微觀裂紋可使抗疲勞強度降低到中等水平。冷凍處理的使用可能需要供需雙方協議認可。（4）碳化物控制當高的表面碳導致了在滲碳層外部形成了厚重的碳化物網絡時，零件典型地需要在一個低碳勢爐氛中再加熱到1650。F （900。C），以擴散和打破過剩的碳化物。無論何時只要可能都應避免碳化物網絡，因為它傾向于降低材料的抗疲勞強度。（5）脫碳對于滲過碳的齒輪，表面脫碳的定義是：表面0.13mm的外層中的碳含量低于規定的最小值，其特征是碳含量隨深度的增加面增加，例如，

54、最高含碳量是在下表面。明顯的脫碳在顯微鏡下能輕易地辨別：較亮的馬氏體陰影，清楚地辯別出鐵素體晶粒。這個區域的硬度也相應地低。局部脫碳也將出現較亮的馬氏體陰影，但不能顯示出可辨認的鐵素體晶粒。如果碳含量降低到大約0.60%，硬度將會減小。表5-2 滲碳齒輪典型的有效表面淬硬層深度法向徑節1法向齒厚2法向徑節圍法向周節圍到HRC50的有效表面淬硬層深度 （in.）3、4、5正齒、螺旋齒、錐齒和傘齒輪6磨削加工螺旋線蝸輪716009817.5-13.70.180-0.2300.010-0.0200.020-0.030140.11217.5-13.70.180-0.2300.010-0.0200.02

55、0-0.030120.13113.7-10.50.230-0.3000.015-0.0250.025-0.040100.15710.5-8.50.300-0.3700.020-0.0300.035-0.05080.1988.5-7.50.370-0.4800.025-0.0400.040-0.05570.2247.5-6.50.370-0.4800.025-0.0400.040-0.05560.2516.5-5.20.480-0.6000.030-0.0500.045-0.06050.3145.2-4.30.600-0.7280.040-0.0600.045-0.06040.3934.3-3.

56、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.

57、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所有表面淬硬層深度都以法向徑節為基礎計量，在規定表面淬硬層深度前，其他節距測

58、量都需要進行換算。2 輪齒頂面較薄的齒輪在其頂部可能會有超額的表面淬硬層深度，在規定表面淬硬層深度前，宜計算輪齒頂面寬度。3 齒根部位的表面淬硬層深度一般是輪齒中點的5070%。4 錐齒輪和傘齒輪的表面淬硬層深度是以輪齒小端的厚度計算的。5 對于要求最好性能的齒輪傳動，必須對其應用、載荷和加工程序給以詳細的研究，以確定必需的有效表面淬硬層深度，更詳細的要求請參照AGMA 2001-B88。6 要把表列數據換算成公制，乘以25.4即得等量的mm數。7 磨削加工螺旋線蝸輪的淬硬層深度允許磨削，非磨削加工蝸輪的淬硬層深度可相應減小。對于非常重載荷的粗節距磨削加工蝸輪，可能需要比表列數值更高的淬硬層深

59、度。表5-3 滲碳齒輪輪齒芯部的最小硬度 徑 節鋼 級最小硬度，HRC 1234567和7以上331634363738931532343637331031333536931028313334482027333536882225303234432023273033862018242628462018222510201416181 依據材料的Jominy曲線，最高硬度將比表列最低硬度高810點，使用H段鋼是淬硬性控制的正規方法。.冶金學方面的質量控制下述的冶金學方面的資料應當是可獲得的：來料等級資料；來料硬度和力學試驗；熱處理過程控制；零件特性；冶金學方面的測試（最終產品）；顯微組織；試樣考慮。對

60、于產品的工作壽命考慮請參閱附件D。6.1 來料質量控制. 材料的等級是用化學試驗來鑒定的，通常這是一個破壞性過程。一般來說，對于黑色金屬材料，下列試驗類型被采用，我們以試驗成本升序列出：（1）光譜分析（2）X射線分析（3）原子吸收分析（4）濕化學分析鑄鐵件的等級是根據其機械性能如拉伸強度、屈服強度、伸長率等來鑒定的。硬度可以規定，但不能作等級鑒定之用。青銅材料的等級通常是用化學分析和硬度試驗來確認。黃銅材料的等級用化學分析來鑒定。注：原始證明書在分析證明常是承認的。6.2 來料硬度試驗. 經常按照ASTM A 370標準規定的材料硬度試驗，通常是指表面硬度試驗，常作：（1）洛氏硬度試驗（HRC