AGMA齿轮材料及热处理手册（含word文档） .pdf

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1、ANSI/AGMA2004-B89 齿轮材料及热处理手册 1988 年 5 月 摘要 本手册可向齿轮制造企业提供产于齿轮材料及热处理方面的资料和数据， 包括定 义、选材原则、热处理质量控制、影响寿命因素及参考文献。材料选择部分包括有色 金属、黑色金属及非金属材料及其锻造、铸造和拼焊齿坯。热处理部分涉及调质、 火 焰淬火、感应淬火、渗碳、碳氮共渗及氮化等方面的数据，并讨论了淬火、变形及喷 丸，以及齿坯、工艺、最终产品金相试验各个阶段的质量控制。 前言 AGMA 标准提供了大量的有关齿轮材料及其热处理方面的资料，目的在于帮助 设计人员、工艺、加工及热处理技术人员对齿轮材料 进行合理的选择和处理，本

2、标 准的资料和数据取得了 AGMA 成员公司冶金代表的一致赞同。 本标准取代 AGMA240.01 （1972.10） .AGMA240.01 第一版齿轮手册1966 年 10 月写成，并于 1972 年 3 月为 AGMA 成员所通过。由于 1979 年冶金及材料委员 会决定重版，所以 AGMA240.01 的印刷发行于 1982 年中止。AGMA2004-B89（原号 240.01） 的初稿于 1983 年 4 月完成。 冶金及材料委员会不断对此标准进行大量的修订 工作，1988 年 9 月完成并由 AGMA 技术部执行委员会通过，1989 年 1 月 23 日正式 成为美国国家标准。 （

3、注：手册中的前言、脚本及附录部分仅供参考，不做为本手册的组成部分） 目录 1范围1 2参考资料1 2.1参考资料1 2.2资料来源2 3定义4 4选材原则6 4.1机械性能7 4.2钢号及热处理8 4.3纯净度10 4.4尺寸稳定性10 4.5成本及合理性10 4.6淬透性10 4.7加工性能12 4.8钢铁材料齿轮12 4.9锻钢、铸钢及拼焊齿轮的选择依据24 4.10铜基材料齿轮25 4.11其它有色金属材料31 4.12非金属材料32 5热处理32 5.1整体硬化处理32 5.2火焰淬火及感应淬火36 5.3渗碳44 5.4碳氮共渗50 5.5氮化51 5.6其它热处理54 5.7淬火5

4、5 5.8变形56 5.9喷丸61 5.10残余应力的作用66 6冶金质量控制68 6.1原材料的质量控制69 6.2原材料的硬度试验69 6.3原材料的机械性能检验71 6.4热处理工艺控制71 6.5工件特性73 6.6冶金性能、机械性能试验及无损检测75 6.7显微组织83 6.8机械性能试棒84 参考资料及来源 附录： 附录 A：塑料齿轮材料87 附录 B：调质齿轮的最大控制截面尺寸91 附录 C：渗碳钢渗层淬透性93 附录 D：影响使用寿命的因素94 附篇：常用齿轮钢材一览表97 1 一、范围 本手册旨在提供齿轮材料、热处理及其它有关齿轮制造及使用方面的基本数据及 其它资料来源。 本

5、手册不包括与齿轮承载能力有关的冶金因素（许用应力 Sac 和 Sat 值） ，该部分 包含在 AGMA 强度计算标准中。 二、参考资料 2.1参考资料 本标准中涉及到的特定文件以缩写来表示，这些缩写包括 AGMA： American Gear Manufacturers Association（美国齿轮制造协会） ；ASNT：American Society of Non-destructive Testing（美国无损检测学会） ；ASTM：American Society for Testing Materials（美国材料试验学会） ；SAE：Society of Automotive

6、Engineers（美国汽车工 程师学会） 。 下面是本标准参考的一些具体条款。这些参考资料的版本在出版期内是有效的， 由于各种出版物都在不断修订，因此建议读者尽量使用所列参考资料的最新版本。 AGMA2001-B88渐开线直齿轮和斜齿轮强度基本核算方法及其主要 系数确定 AGMA141.01-1984塑料齿轮模压、加工及其它方法（新工艺报告） AGMA 6033-A88船用推进齿轮装置第一部分：材料 ASNT-TC-1A（80.6）ASNT 推荐的实用方法 ASTMA48-83灰口铸铁件规范 ASTMA148-84高强度结构铸钢件 ASTMA220-76珠光体可锻铸铁件 ASTMA255-6

7、7钢材料端淬试验方法 ASTMA290-82用于减速器齿圈的碳钢及合金锻件 ASTMA310-77钢件机械性能试验方法及规定 2 ASTMA356-84蒸汽透平机械中厚壁碳钢、 低合金钢及不锈钢铸件 ASTMA370-77钢件机械性能的试验方法及规定 ASTM388-80大型锻件超声波检查的推荐方法 ASTMA400-69（1982）根据截面选择棒料化学成分的推荐方法 ASTMA536-80球墨铸铁件规范 ASTMA609-83碳钢和低合金钢铸件超声波检验规范 ASTME8-83金属材料拉伸试验方法 ASTME10-78金属材料布氏硬度试验方法 ASTME18-79金属材料洛氏及轻压力洛氏硬度

8、试验法 ASTME54-80特殊黄铜及一般黄铜的化学分析方法 ASTME112-84平均晶粒度的测量方法 SAEJ434-86.6汽车用球墨铸铁件 SAEJ461-81.9锻造及铸造铜合金 SAEJ462-81.9铸造铜合金 SAEJ463-81.9锻造铜及铜合金 SAEJ808a-SAEHNS 84：喷丸手册 MIL-S-13165 B(66.12.31 修订后 79.6.25-2)金属件喷丸 ASTME709-80磁粉探伤 ASTME125钢铁铸件磁粉探伤显示参考图片 ASTMA609-83碳钢及低合金钢铸件的超声波检验 ASTME186-8壁厚（51114mm）铸钢件的标准射线照片 AS

9、TME280-81壁厚（114305mm）铸钢件的标准射线照片 ASTME446-81壁厚 51mm 以下铸钢件的标准射线照片 2.2资料来源 齿轮设计与选材及热处理工艺有关。本手册不能涉及金属学专门的知识，目的在 于提供一个有助于选材及热处理的基本工具， 这里收集的材料及热处理数据是基于目 3 前已印发的各种有关资料，因此，读者有必要了解一下材料及工艺的资料来源。 目前，已由政府、大型工业公司及技术协会制订了许多材料规范，其中有： ASM International（美国金属学会） ASM 金属手册 ASM 热处理工作者指南 ASM 金属参考手册 ASM 标准 美国材料试验学会 ASTM 标

10、准 美国汽车工程师协会 ASE 手册 美国钢铁学会 AISI 钢制产品手册 美国国家标准研究所 ANSI 标准 海军出版及信息中心 军用标准及规范 金属粉末工业联合会 MPIF 标准35 铜开发协会（Copper DevelopmentAssociation） CDA 数据手册 铸铁学会 灰铁及球铁铸件手册 铸钢学会 铸钢手册 4 三、定义 完全退火：把钢或其它铁合金加热到 802899保温后，随炉冷却至某一预 定温度 （一般低于 316） ， 即完全退火。 这个工艺可使钢材获得粗大片状珠光体组织， 这种组织对于中、 低碳钢具有良好加工性能， 若无特殊标明， 退火一般即指完全退火。 退火（球化

11、退火或周期退火） ：球化退火是一种为了在铁素体基体上形成球状 碳化物的热处理工艺。它使高碳钢（0.60%以上）及合金钢获得良好的加工性能。 等温淬火：等温淬火指加热到相变温度以上然后快速冷却到贝氏体区保温， 一直到完成转变。贝氏体转变区低于珠光体区而高于马氏体区。等温淬火用于钢制齿 轮，最近更愈来愈多地用于球墨铸铁齿轮（见 4.8.4.3） 。 气体渗碳：气体渗碳就是把低碳钢或低碳合金钢（0.30%以下）加热到 899 982，并在可控渗碳气氛中保温，致使碳元素向工件内部扩散，使表面含碳量提高 到 0.701.00%C。在一些特殊设备（如真空炉）中可使用 982以上的温度，渗碳以 后， 可将工

12、件炉冷至 802843， 并保温一段时间后直接淬火； 也可以随炉冷至室温， 然后重新加热到 802843再淬火。 渗碳层深度：渗碳齿轮的渗层深度有几种定义，包括有效渗层深度、腐蚀层 深、总层深及至 0.4%C 处层深。本手册中提到的渗碳层深度是指有效层深。几种层深 的定义如下： （1）有效层深：在齿宽中部法截面上，于半齿高处沿垂直于齿面方向自表面至 50HRC 处的硬化层深度。 （2）腐蚀层深：用硝酸溶液腐蚀试样截面，其暗区深度即为腐蚀层深，腐蚀层 深一般比有效层深大 15%左右。 （3）总层深：自表面至含碳量降低到基体含碳量处的深度。总层深大约为有效 层深的 1.5 倍。 （4）至 0.4%

13、C 处层深：有效层深一般小于 0.4%C 层深。0.4%C 层深可通过分析 含碳量得到或由金相组织观察来估计。由于金相法不考虑材料淬透性，因而不如直接 分析含碳量精确。采用这种方法，显微组织和材料强度梯度间的关系并不明确。 5 火焰及感应淬火工件的硬化层深度：自表面到低于所规定的表面硬度下限值 10 个 HRC 单位处的深度。 氮化件层深：自表面到相当于心部硬度 110%处的深度。此层深用显微硬度计 测定。测量位置在齿宽中部法截面上半齿高处。 表层硬度： 在齿宽中部法截面上，在半齿高处，沿垂直于齿面方向距表面 0.050.10mm 处所测得的显微硬度，定义为表层硬度。 心部硬度：AGMA 设计

14、中所规定的心部硬度是指在精加工后齿轮的齿宽中部 法截面上，于轮齿中心线与齿根圆相交处所测得的硬度。试样的心部硬度是指于总层 深 115%处所测得的硬度。 D.I（理想临界直径） ：在无限大冷却能力的介质中（如冰卤）淬火，使试样 中心的显微组织中含有 50%的马氏体，此时的试样直径即为理想临界直径。 脱碳：指齿轮或试样在热处理过程中表面含碳量的降低现象。 火焰淬火：将钢制齿轮在火焰喷嘴下加热到 788899后随之淬火及回火的 热处理方法。 晶粒尺寸：按 ASTM E112.14 级为粗晶粒，58 级为细晶粒。 石墨：碳以片状、不规则球状、球状形式等游离形态存在时即为石墨，这也 是区分灰口铸铁、球

15、墨铸铁及可锻铸铁的依据。 淬透性：是衡量钢材热处理时所能达到淬硬深度的指标。 H 钢：是指按规定 Jominy 淬透性范围来生产及供货的钢材。 感应硬化：利用线圈或单齿感应器，通过电磁感应作用，使轮齿加热至 788 899，并得到合适的加热层分布，随之淬火并回火。 Jominy 端淬试验：是确定钢材淬透性的标准方法，其过程是，把25mm 标 准试样加热至规定温度，放在试架上并向一端喷水，磨出平面后自淬火端测量硬度。 空气搅拌液体渗氮法：钢材置入由气体搅拌而活化的盐浴中，在 538621 温度下保温使其材料表面渗入一定浓度的氮、碳元素，这种工艺主要用于改善耐磨性 及疲劳强度。 6 气体氮化：经过

16、加工后的合金钢件，在 510570氨分解气氛中渗入氮元素 而形成氮化铁相，以能达到表面硬化目的。 氮碳共渗（软氮化） ：材料在低于奥氏体转变温度（530621）的气体炉中， 使氮、碳元素同时渗入铁素体基体，以达到强化表面的目的，这种工艺主要用于提高 抗胶合能力及表面疲劳强度。 正火：将钢或其它铁基合金件加热到 871982，在静态或循环空气中冷却 至室温，一般用于显微组织均匀化。 淬火及回火： 将工件加热至奥氏体转变温度 （802899） ， 使之快冷 （淬火）， 然后重新加热（回火）至一个特定温度（通常低于 690） ，以使齿轮获得需要的机械 性能。 消除应力处理：为消除由预热处理、机加工、

17、冷作、焊接及其它辅助工艺形 成的残余应力的一种回火处理，要最大程度地消除应力至低应在 593以上。 表面硬度：直接在表面测量得到的硬度，对于浅层硬化的工件，应采用轻负 荷硬度计才能得到精确结果。 试样：指尺寸适当（通常为圆棒）的试样，因此试样应与齿轮材质相同，并 具有相同的化学成分及淬透性极限。试样应随同所代表的齿轮一同热处理。 整体硬化处理：是除了表面硬化处理以外的热处理工艺的总称。包括退火、 正火（或正火+回火）及淬火加回火等（参见 5.1） 。整体硬化热处理并不意味着工件 在整个截面都具有一致的硬度， 硬化深度取决于材料淬透性、 工件尺寸及热处理因素。 四、选材原则 齿轮选材受多种因素影

18、响，而每种因素的重要性也随条件不同而发生变化，选材 应考虑的因素有： （1）机械性能 （2）材料牌号及热处理工艺 （3）纯净度 7 （4）尺寸稳定性 （5）实用性及成本 （6）淬透性及尺寸效应 （7）机械加工性能及其它制造特性 4.1机械性能 在选材之前，齿轮设计人员必须了解工件的应用场合及设计载荷，由此计算出应 力。 4.1.1硬度 材料强度与硬度存在着一定的关系，因而在 AGMA 齿轮承载能力计算中采用硬 度作为强度依据。表面硬度是齿轮耐磨性的重要影响因素，心部硬度是齿轮弯曲强度 的重要影响因素，而表层心部过渡区的硬度则是抗剥落性能的重要影响因素。 4.1.2疲劳强度 齿轮的疲劳强度包括接

19、触疲劳强度和弯曲疲劳强度，即在一定的应力水平下， 齿 轮产生齿面点蚀或齿根裂纹前所运转的循环次数。疲劳强度受许多因素的影响，如硬 度、显微组织、材料清洁度、表面状态及残余应力等。 4.1.3拉伸强度 拉伸强度指发生断裂时的应力水平，在齿轮生产规范中并不推荐使用。 4.1.4屈服强度 指材料发生永久变形时的应力水平。 4.1.5韧性 韧性是由冲击强度、延伸率或断裂韧性试验来确定的一项综合指标。虽然它不是 齿轮强度设计时的直接参量，但在低温或强烈冲击条件下使用时却是很重要的。影响 钢制齿轮韧性的不利因素很多，如低温环境、不合理的热处理及显微组织、较高的 S 和 P 含量、较多的非金属夹杂、晶粒粗大

20、及缺乏某些合金元素（如 Ni）等。还有一 些影响韧性的加工或设计方面的不利因素，如缺口、小圆角、刀痕、材料缺陷等等， 这些通过应力集中系数来起作用。 8 4.1.6热处理 大多数用于齿轮可锻铁基材料都要经过热处理以达到硬度及机械性能的要求，圆料 或板材的供货状态有几种机械性能及热处理方式，如热轧、冷轧、冷拔、消除应力、酸 洗、退火、淬火及回火等，齿坯一般要经过退火或正火热处理工艺，以使组织均匀化并 具有良好的加工性能，同时也使机械性能均匀一致。齿坯也可进行淬火及回火处理。 4.1.7齿轮毛坯的清理 所有的钢铁齿轮铸件、锻件或棒料的表面层都会存在脱碳、非金属夹杂、裂纹或 其它表面缺陷，这种表层应

21、从齿轮的重要表面处清除掉。最小表面清除量与毛坯尺寸 及机械加工种类有关。它们可从许多加工和材料手册中查表得到。 4.2钢号及热处理 齿轮设计时一般都要指出所用钢号以便作为后续热处理（如淬火、回火或表面硬 化）的依据。表 4-1、4-2 和 4-3 列出了常用的齿轮钢号及其推荐热处理工艺。 表 4-1典型齿轮材料锻钢 常用合金钢牌号常用热处理工艺 特性/用途 1045 4130 4140 4145 8640 4340 Nitralloy 135mod Nitralloy G 4150 4142 4350 1020 4118 4620 8620 4320 8822 3310 4820 9310 T

22、-H, I-H, F-H T-H T-H, I-H+N, I-H, F-H T-H, I-H+N, I-H, F-H T-H, I-H+N, I-H, F-H T-H, I-H+N, I-H, F-H T-H+N T-H+N I-H, F-H I-H, F-H, T-H-N T-H, I-H, F-H C-H C-H C-H C-H 低淬透性 淬透性免强 淬透性尚可 淬透性中等 淬透性良好 淬透性优良，适用于大件 特殊热处理 特殊热处理 淬透性良好，但淬火裂纹敏感性高 当 4140 淬透性显得不够时，使用 4142 用于大件淬透性很好，淬火裂纹敏感性高 淬透性很低 心部淬透性尚可 表层淬透性良

23、好 心部淬透性尚可 心部淬透性良好 大截面的心部淬透性良好 三种材料均具有优良的淬透性，适用于大件 被认可，但非通用标准牌号。 1T-H=整体硬化，F-H=火焰淬火，T-H+N=整体硬化后再氮化，C-H=渗碳硬化，I-H=感应硬化。 9 表 4-2齿轮材料经退火或正火回火后的典型布氏硬度和强度 典型合金钢 退火处理正火加回火处理 硬度范围 HB 抗拉强度 MPa（min） 屈服强度 MPa（min） 硬度范围 HB 抗拉强度 MPa（min） 屈服强度 MPa（min） 1045159201550345159201550345 4130 8630 15619755034516721262041

24、5 4140 4142 8640 187229655415262302895585 4145 4150 197241690415285331965620 4340 4350 2122557604503023411035655 按淬透性递增顺序； 经过淬火、回火处理的材料在综合性能（如冲击、韧性及塑性等）方面一般要优于退火或正火 回火处理； 正火加回火后得到的硬度和强度亦与有效截面尺寸和回火温度有关。 表 4-3齿轮材料经淬火、回火后的布氏硬度及强度 钢号 （A） 热处理工艺 布氏硬度 （B） 抗拉强度 MPa（min） 屈服强度 MPa（min） 4130 8630 水淬、回火 212248

25、302341 690 1000 515 860 4140 8640 4142 4145 4150 油淬 回火 241285 375415（C） 341388 830 1240（D） 1170 655 1000 1035 4340 4350 油淬、回火 277321 363415（E） 930 1170 760 930 （A）按淬透性递增顺序，4350 最高。这些钢可按淬透性带订货。 （B）硬度取决于有效截面尺寸（见附录 B）及淬火烈度。 （C）当 4100 系列钢硬度高于 341HB，4300 系列钢硬度高于 375HS 时，很难切 齿。不过 4340、4350 由于回火温度较高及合适的显微组

26、织，而不存在这个问题。 10 （D）此强度适用于小截面工件，至于高硬度范围的大尺寸工件尚无数据，见 ASTMA400。 （E）如此高的硬度是用于特殊齿轮，但由于加工性能下降而导致成本上升，应 予以考虑。 4.3纯净度 由电炉冶炼的合金钢棒料或锻件齿坯， 一般要经过真空脱气， 隋性气体 （如氩气） 保护浇注以改善清洁度、减少有害气体（H2、O2及 N2）含量。清洁度提高（减少非 金属夹杂）可使横向塑性及冲击强度提高。但加工性能会有下降，比如硫含量低于 0.015%时表现出来。真空脱气钢还可通过真空电弧重熔（VAR）或电渣重熔（ESR） 方法来进一步净化， 这些净化工艺可进一步减少气体含量， 降低

27、钢中夹杂尺寸和含量， 以提高疲劳强度，这种优质钢适用于制做高参数齿轮。但由于钢材成本显著增加， 加 工性能明显下降，因而对非特殊要求的齿轮就必须充分考虑合理的性能要求。 4.4尺寸稳定性 为了达到图纸要求而采用的制造工艺有可能对原材料提出某些要求，如毛坯余 量、模锻步骤、淬透性带宽等等，以减少变形及开裂倾向，见 5.2。 4.5成本及合理性 选 材时经常要考虑成本及合理性因素，如所选钢材是否是标准工业用钢及供货 是否及时等。 标准锻造碳钢及合金钢，如 1020、8620、4320、4820、9310、4140 和 4310 可以 比较方便从供货中心或钢厂订货购到。供货中心通常供应量较小，但供货

28、及时。钢厂 订货要求量大，通常是成千上万公斤，而且供货周期较长，但是，批量订货成本较低， 而且钢厂可接受特殊要求的非标钢种订货。 当工件批量较小时， 应尽量规定使用标准钢种， 同时图纸应允许有一个选材范围。 在涉及钢铁铸件及有色金属材料时，应尽量采用 SAE 和 ASTM 的有关规定。 4.6 淬透性 钢材淬透性是决定钢材淬火后硬度分布的一个性能。 淬火态的表面硬度取决于钢 11 件含碳量及冷却速度。在给定淬火条件下，达到指定硬度的深度与钢材淬透性有关， 而钢的淬透性又主要决定于钢中合金元素含量。 4.6.1淬透性的确定 淬透性一般由 Jominy 端淬试验确定，也可由理想直径（DI）来表示。

29、 4.6.1.1Jominy 试验法 采用25102mm 的试棒，经预先正火处理后再均匀加热至标准奥氏体化温度， 随即将试棒置于标准台架，通过室温的喷水柱冷却端面而淬火。 4.6.1.2端淬试棒的硬度测试法 将试棒沿轴方向磨出一窄小平面，以 1.6mm 的间距从水冷端依次测定洛氏硬度 值。从所测得的一系列 HRC 值即为 Jominy 淬透性。 例如：J5=40，表明距水冷端 5/16 寸（8mm）处的硬度值为 HRC40。 4.6.1.3“H”钢（保证淬透性钢） 标准钢 Jominy 淬透性作为一指标现已经采用， 对于某一给定的化学成分， Jominy 淬透性点将落在预定的范围内，按指定的淬

30、透性范围订购的钢称为保证淬透性钢， 在 ASTM、AISI 及 SAE 标准中已列出了常用钢的淬透性带，可按淬透性或窄淬透性带 来订购钢材。 4.6.1.4理想临界直径 理想临界直径法（DI）是基于化学成分的一种淬透性表示方法，在 AISI、ASE “现代钢材及其性能” （Bethlehem Steel 公司）中及其它有关淬透性的参考中都有论 述。 4.6.2淬透性的应用 对于某一给定化学成分的钢材，其淬透性值是一定的，但是硬度值却会因冷却速 度变化而不同，因此，在工件上任何部位的硬度值取决于含碳量、淬透性、工件尺寸、 形状、淬火介质及状态。而且，按淬透性选择钢的化学成分会使淬火态硬度高于规定

31、 值，为此可通过适当的回火来调整。随着工件厚度增加，钢材淬透性也应提高，以保 证工件截面达到所要求的硬度值。 12 4.7加工性能 若干因素影响着钢材的加工性能，进而影响齿轮的制造成本及合理性，因此在设 计阶段就必须考虑到这些因素，尤其是对强度有较高要求时。这些因素有： 1）材料。包括化学成分、显微组织、硬度、形状及尺寸。 2）切削速度。进给量及切削刀具。 3）机床条件。包括刚性、精度及功率等。 4）所用切削液的性能。 关于材料的加工性能有许多参考书专门论述，这里不考虑切削加工机理，只讨论 冶金因素。 化学成分与显微组织对钢材加工性能影响很大，某些金属氧化物，如Al、Si 等 的氧化物硬质点，

32、使加工性能变坏，但有些元素，如硫、铅、硒和碲在基体上形成软 的夹杂物，却有利于加工性能。炼钢时加入的钙形成不规则的硬夹杂物，也对加工性 能有利。但是，这些能改善加工性能的硫、铅、钙夹杂物却降低了机械性能，尤其是 横向机械性能。钙处理的钢用于高应力的齿轮或轴时，其疲劳寿命显著低于常规方法 冶炼的钢。0.30%C 以上的含碳量由于增加硬度而降低加工性能。在一定的碳及硫含 量下，较高的锰含量也会降低加工性能。一般来讲，能提高硬度、韧性的合金元素都 使 加工性能降低。表 4-4 列出了具有良好、中等、不良加工性能的常用齿轮钢。若 以良好加工性能为基准，中等加工性能将增加 2030%的加工成本，不良加工

33、性能甚 至增加成本 4050%。 4.8钢铁材料齿轮 齿轮钢铁材料包括碳钢、合金钢的锻件和铸件，以及一般铸铁和球墨铸铁。合金 风及碳钢齿轮可采用不同形式的毛坯来加工，取决于服役条件、尺寸、设计、批量、 合理性及经济性。毛坯形成包括锻件、拦焊件及铸件。 4.8.1锻钢 锻钢是根据具体用途加工成各种形式的碳钢及合金风的总称。 标准锻钢形式有园 棒料、扁或板料及锻件。由于锻件可使加工时间缩短，所以应用范围宽。 13 表 4-4常用齿轮材料的加工性能 钢材牌号低 碳 渗 碳 钢 类说 明 1020加工性能良好，轧制、锻造或正火态使用。 4118 4620 8620 8822 加工性能良好，可轧制或锻造

34、状态，但最好经过正火处理。但正火时冷却速度过 慢会使用材料粘软而降低刀具寿命及表面光洁度， 调制裁为预处理会有助于改善 加工性能，但要考虑其经济性 3310 4320 4820 9310 经过正火加回火、退火或调质处理，其加工性能尚好。但正火后不回火处理会使 加工性能下降。 1045 1141 1541 正火后加工性能良好。 4130 4140 4142 退火或正火加回火到硬度 HB255 左右， 或调质到硬度 HB321 时， 加工性能良好。 超过 HB321，加工性能尚好，超过 HB363，加工性能较差。淬火不足而采用较 低温度回火，也能使工件达到要求的硬度，但由于形成混合显微组织而使加工

35、性 能变差。 灰口铸铁加工性能良好，高强度灰铁（拉伸强度大于 345MPa）加工性能下降 球墨铸铁 经退火或正火的球墨铸铁加工性能良好。示泓热处理的铸态球铁加工性能尚好。 经调质的球铁硬度为 HB285 以下时加工性能良好；HB285352 时尚好， 一旦超 过 HB352，其加工性能就变差。 齿轮用青 铜和黄铜 所有齿轮用青铜及黄铜幸免具有良好的加工性能， 经过热处理的超高强度青铜（ 760MPa 拉伸强度）的加工性能也还不错。 奥氏体 不锈钢 由于具有加工硬化倾向，因而进刀量及切削速度必须选择合适，以减少加工硬化 程度。所有奥氏体不锈钢的加工性能都一般。 注：粗晶粒钢比细晶粒钢易于加工，但

36、齿轮钢材一般要求细晶粒以改善机械性能及减少热处理变 形。现今齿轮钢要求清洁度越来越高，但如果硫含量过低（152 1 2 4 注：硬度测试点应沿周边均匀分布。 当由同一包铁水或同一铸锭取作许多小铸件，并在同一炉中进行热处理时，可征得齿轮部门 的认可进行抽样检验。 4.8.4.3等温淬火球铁 等温淬火球铁（ADI）是一种比常规球铁具有更高强度和硬度的球铁。ADI 的高 性能是由于严格控制化学成分及等温淬火热处理而得到的。 这种热处理工艺得到一种 由贝氏铁和稳定的高碳奥氏体组成的均匀组织。通过改变等温淬火温度及转变时间， 可以得到不同的性能指标。 ADI 已用于几种重要齿轮，如汽车用齿圈和小齿轮，但

37、至今仍还是作为一种新工 艺应用，ADI 可降低加工及热处理成本，所以在某些情况作为取代一些高成本锻件而 被应用。 4.8.4.4可锻铸铁 可锻铸铁是一种经过热处理的白口（激冷）铸铁。可以通过不同的合金化及热处 理工艺而得到不同的机械性能。一般已为球墨铸铁所取代。参阅 ASTMA220。 4.8.5粉末金属（p/m） 粉末金属件是通过挤压模腔中的金属粉末并加热（烧结） ，而使粉末形成冶金坯 23 块，然后，可以通过再挤压或校形以得到更精确的形状和尺寸或改善机械性能。 粉末冶金工艺用于获得其它方法难以得到的性能和形状。 由于省去了许多加工工 序而降低了成本，对于大批量生产可以保持精确的尺寸控制，但

38、是，由于加工模具的 成本高，一般只有当大批量生产时才能有效降低成本。 虽然有好多种粉末金属均可采用，但齿轮件一般规定采用合金钢。 密度是粉末冶金最重要的指标。对于一定的化学成分 ，其机械性能与密度成正 比，即密度较大时强度较高。近年来，通过二次粉末冶金工艺已经能够达到 7.0 7.4g/cm2的密度。 粉末冶金件经烧结后可进行热处理，但一定在可控气氛中进行，以防表面化学成分 发生变化。可以采用渗碳或碳氮共渗工艺，但对于6.8g/cm2密度以下的粉末冶金件不能 形成严格的硬化层，这是由于低密度材料疏松，易于扩散。压头式硬度测试结果并不能 代表材料强度，但工件表面的硬度可以用锉刀试得。应当避免采用

39、盐浴加热和水淬。 粉末冶金件的可控疏松度（密度）使之具有良好的油渗透性，可使工件实现自润 滑，特别适用于内齿轮。 粉末冶金件的塑性显著低于锻钢件。 进行硬度试验时， 由于采用标准硬度计 （HRB 或 HRC）得到的硬度是粉末颗粒硬度和孔隙的综合反映，所以对粉末冶金件可以制 订某种专门的硬度规定，但只能是“参考硬度” ，粉末金属材料的实际硬度要高于“参 考硬度” 。若采用特殊的显微硬度测量技术，可以得到更精确的结果。 “烧结态”合金钢的拉伸强度范围为 275550MPa，延伸率为 4.0%或稍低， “参 考硬度”为 HRB6085。热处理后的粉末冶金合金拉伸强度为 6901176MPa，延伸 率

40、为 1.0%或稍低，随密度及合金种类而变化。 采用粉末金属热成形工艺可使强度进一步提高， 将预制好的粉末金属坯加热至锻 造温度，并精锻至最终形状和尺寸，用这种方法得到的工件具有接近于锻钢的强度和 其它机械性能。 虽然这种工艺的成本要显著高于常规粉末冶金工艺， 但是， 当标准 （常 规） 工艺达不到所要求的机械性能， 而且工件批量较大时， 采用这种工艺还是划算的。 粉末金属加工由于以下若干优点特别适合于制作齿轮。 24 （1）硬质合金模具耐磨耐用，在长期生产中仍能使齿轮保持足够的精度。 （2）一定的疏松度可降低噪音，并实现自润滑。 （3）粉末金属齿轮易于加工成“死角” ，不必为滚刀留有倒角，并对

41、“死端” 强 度有辅助加强作用。 （4）粉末金属齿轮易于与其它种类的零件，如凸轮、棘轮及另外齿轮等联制在 一起。 随着技术发展，伞齿轮、等径伞齿轮、斜齿轮及其它特殊齿轮也有可能采用粉末 金属制做。对于渐开线齿轮，因为齿形简单而不存在什么加工的问题，因而在大批量 生产中用粉末金属制做，其成本也会降低。 4.8.6其它钢铁材料 除了本手册已述及的齿轮材料外，还有其它几种钢铁材料可用于齿轮，其中包括 热作工具钢（H 系列） ，高速钢，奥氏体、马氏体及沉淀硬化不锈钢等，对于某些强 度要求非常高的齿轮，则通常采用特殊化学成分的合金钢。 4.9锻钢、铸钢及拼焊齿轮的选择原则 齿坯生产方法的选择主要考虑经济

42、性和质量两个因素。 使用条件比较苛刻的高参 数齿轮，如航空齿轮、高速齿轮，一般采用真空脱气合金钢锻件，并经过真空电弧重 熔（VAR）或电渣重熔（ESR）精炼处理，这些工艺可改善清洁度，获得高质量钢材。 锻钢具有非均质性（各向异性） ，即塑性、疲劳强度及冲击强度等机械性能由于 热加工方向及夹杂物流线方向的不同而不同， 提高钢材清洁度可以改善材料的横向及 切向机械性能，以尽量接近轴向性能。锻钢的横向及切向机械性能对于齿轮是至关重 要的，如图 4-2 所示。锻坯、棒材、热轧齿圈坯及板材中的夹杂物方向垂直于齿根曲 面及齿廓， 这与所希望的方向性相反， 因为锻钢的最好机械性能由试验证明是在轴向。 由于锻

43、坯是经过热加工而成形，因此比铸件更加致密。但是，从某种机械性能的 观点来看，铸造齿坯都比锻钢齿坯优越，即铸件不存在夹杂物和性能的各向异性。致 密的铸件可获得优于锻件横向（试样轴向与夹杂或晶粒流向垂直）的机械性能（塑性、 冲击强度及疲劳强度） ， 图 4-2 表明， 齿轮承载能力主要决定于锻坯的横向或切向性能。 25 图 4-2锻件性能的方向性 如果锻造齿轮或铸造齿轮不大经济或齿轮重量超过了铸造能力， 一般可采用拼焊 齿轮，齿圈部分一般采用锻造或轧制的环坯，成形合金板材，有时也采用铸坯。齿圈 钢材必须具有足够的淬透性，以保证 565以上回火温度下得到足够的硬度，所以， 拼焊件应在 540以上温度

44、（低于回火温度 28）下消除应力。而退火态齿圈则可在 675下消除应力。 4.10铜基材料齿轮 有色金属齿轮主要用铜、 铝、 锌的合金制造。 铜合金广泛用来制做功率传递齿轮， 最常见的如蜗轮，以减少不同材料间的摩擦系数及提高可塑性。 4.10.1齿轮用青铜合金 这类青铜中有四种是最常用的有色齿轮材料， 其主要特点是具有优良的滑动抗磨 性，适合于与较高滑动速度的钢制蜗杆配合。 （1）磷或锡青钢。这种青铜韧而硬，并具有良好的抗腐蚀能力。它们还具有优 良的抗擦伤和抗磨损性能，可用于各种磨损条件下应用的齿轮或蜗轮，这种合金是基 轧制环坯 金属及 夹杂值线 切向试棒 横向试棒 金属及夹杂值线 横向试棒

45、轴向试棒 切向试棒 轴齿轮锻件 26 本齿轮合金，并在 SAE C907（原 SAE 65）中作为锡青铜归类。 （2）锰青铜。其主要特点是具有较高的强度、硬度，而且在青铜类中韧性最高， 它们在不经热处理的情况下通过合金化来达到所需要的机械性能， 其强度和韧性可与 退火态铸钢相比，它们具有较好抗磨损性，但在抗腐蚀性、磨损性及承载能力方面不 如磷青铜和铝青铜。 （3）铝青铜。在韧性方面与锰青铜相近，但比重要轻些，通过热处理可以得到 更高的机械性能。随着其强度的提高，塑性下降。这种青铜具有良好的抗磨损性能和 较低的对钢摩擦系数。其承载能力好于锰青铜但次于磷青铜。 （4）硅青铜。由于这种青铜成本较低且无磁性，因此，一般用于电气轻载齿轮。 4.10.2齿轮用黄铜及其它铜合金 齿轮用黄铜具有良好的抗腐蚀性，常用的是黄色黄铜，因为它具有良好的加工性 能。其它黄铜由于高强度也可用于齿轮，但难于加工，其抗磨损性能稍低于高强度锰 青铜。 4.10.3可锻铜合金 可锻铜合金是一个总称，指那些可以机械成形，而以铜为主要化学成分的合金材 料。这类齿轮材料包括青铜、黄铜及其它铜合金。表 4-10 和 4-11 分别列出了常用可 锻青铜合金的化学成分及机械性能。 4.10.4铸造铜合金