4齿轮材料及热处理质量检验要求
4.1一般原则
不同材料、不同热处理工艺所得到的σHlim(接触疲劳极限)、σFlim（弯曲疲劳极限）和σFE（σFE=σFlim·YST）见图1～图14。图中的各材料质量等级的定义为：
ML表示对齿轮加工过程中材料质量及热处理工艺的一般要求；
MQ表示对有经验的制造者在一般成本下可以达到要求的等级；
ME表示必须具有高可靠度制造过程控制才能达到的等级；
MX表示对淬透性及金相组织有特殊考虑的调质合金钢的质量要求。
4.2齿轮材料及热处理检验要求
本条所列要求已经过实际应用验证，作为推荐性文件提出。根据各自的经验或需要，齿轮制造厂家也可采用其他的方法或数据。但应由齿轮供需双方对细节达成协议，尤其是大型齿轮的场合。
4.2.1铸钢、结构钢（图1、图2）
由于这些钢材无一定化学成分要求，冶练方法也不明确，因此MQ线位于强度下限（ML，即MQ=ML）。该类结构钢只用于轻载齿轮和次要齿轮。当钢材生产可达到高档要求或经过实际验证时，亦可采用ME线数据。
4.2.2黑心可锻铸铁（图3、图4）
这类材料通常用于小型轻载齿轮。热处理工艺控制得当时，可提高材料性能。从可靠性考虑，MQ线位于下限（ML），若经过实用验证，也可采用ME线数据。
4.2.3其他材料（图5～图14）
其他材料的质量及热处理检验要求列于表1～表6。
表1铸铁材料（灰口及球墨铸）（图3、图4）
|
序号 |
项目 |
灰口铸铁 |
球墨铸铁 |
|
ML MQ |
ME |
ML MQ |
ME |
|
1 |
化学成分 |
不检验 |
100%检验
提交铸造合格证 |
|
100%检验
提交铸造合格证 |
|
2 |
冶炼 |
不规定 |
电炉或相当设备 |
不检验 |
电炉或相当设备 |
|
3 |
力学性能 |
只提供HB值 |
要求σb或HB，针对
同炉号独立的试样
做检验报告 |
不规定 |
检验σs(σ0.2)，σb,δ5，
φ(代表性试样)
靠近实际轮齿部位
检验HB |
|
4 |
石墨形态 |
规定但不必检验 |
|
只担供HB值 |
限制 |
|
基体组织 |
规定位不必检验 |
铁素体含量≤5% |
不检验 |
|
|
5 |
焊补 |
在轮齿部位不允许焊补，其他部位只能在认可工艺下进行，焊
补后应进行去应力退火处理 |
不允许焊补 |
|
6 |
去应力退火 |
不规定 |
推荐500～530℃，
对于灰口合金铸铁
530～560℃
保温适当时间 |
不规定 |
推荐500～560℃保
温适当时间 |
|
7 |
内部缩孔（裂纹） |
不检验 |
检验气孔、裂纹、砂
眼，限制缺陷 |
为检验 |
检验气孔、裂纹、砂
眼，限制缺陷 |
|
8 |
表面裂纹 |
不检验 |
着色渗透探伤 |
不检验 |
不允许有裂纹，
100%经磁粉或着色
渗透探伤，大批量产
品可抽样检验 |
表2非表面硬化调质钢（铸件）（图6、图8）
|
序号 |
项目 |
ML、MQ |
ME |
|
1 |
化学成分 |
不检验 |
100%跟踪原始铸件，提交检验报告 |
|
2 |
品粒度 |
不规定 |
5级或更细晶粒，提交检验报告 |
|
3 |
热处理后的力学性能 |
HB |
检验σs(σ0.2)，σb,δ5，φ、HB，100%跟踪原始铸件，提交
检验报告。也可按供需双方协议进行 |
|
4 |
无损检测 |
|
|
|
4.1 |
超声波检查（粗车状态） |
不规定 |
推荐检查轮齿及齿根部位，对于大直径工件，在切齿
前检查缺陷。[按GB/T7233，合格标准：Ⅰ区（外圆至
齿根以下25mm外）为1级，Ⅱ区（轮缘其余部位）为
2级] |
|
4.2 |
表面裂纹检测（最终加工状态） |
不允许存在裂纹。100%经磁粉或着色渗透探伤检查，对于大批量产品可抽查 |
|
5 |
焊补 |
可按规定工艺进行 |
轮齿部位不允许。其他部位只允许在热得理前的粗车
状态进行，切齿后不能焊补 |
|
注：当铸钢件质量达到段钢件（锻打或轧制）质量标准时，对与锻钢小齿轮配对的铸钢齿轮，也可采用锻钢的许
用应力值计算其承载能力，但这种情况须经试验数据或应用实例验证 |
表3非表面硬化调质钢（锻件或轧材）（图5、图7）
|
序号 |
项目 |
ML |
MQ |
ME |
MX |
|
1 |
化学成分1） |
不检验 |
100%跟踪原始铸件，提供检验报告 |
|
2 |
材料纯度2）（按
GB/T10561
检验） |
不规定 |
钢材在钢包中脱氧及精炼，并应经过真空脱气。浇铸过程应有防氧化措施，除非用
户要求，否则禁止故意加钙，最大氧含量20×10-6，按GB/T10561方法B检验Ⅱ
区纯度，检验面积近200mm2,下表为夹杂物当量尺寸允许值。提交检验报告。
|
|
A |
B |
C |
D |
|
弥散态 |
聚集态 |
弥散态 |
聚集态 |
弥散态 |
聚集态 |
弥散态 |
聚集态 |
|
MQ |
3.0 |
3.0 |
2.5 |
1.5 |
2.5 |
1.5 |
2.0 |
1.5 |
|
ME |
3.0 |
2.0 |
2.5 |
1.5 |
1.0 |
1.0 |
1.5 |
1.0 |
|
MX |
3.0 |
2.0 |
2.5 |
1.5 |
1.0 |
1.0 |
1.5 |
1.0 |
|
|
3 |
晶粒度 |
|
5级或更细晶粒，提交检验报告 |
|
4 |
锻造比3） |
|
至少3倍 |
|
5 |
热处理后
力学性能 |
HB值 |
对于锻件或直径250mm以上
棒材，同炉号切割试样检验σs
(σ0.2)，σb,δ5及 指标，试样连
同工件一同热处理，全部工件
检验表面硬度HB也可按供
需双方协议进行。提交检验报
告 |
同ME。材料淬透性及热处理
工艺应足以保证齿根部位规定
深度的最低硬度。控制截面
见附录A |
|
6 |
显微组织 |
不规定 |
最低回火温度480℃，齿根硬
度应满足图样要求 |
轮缘部位显微组织应以回火
马氏体为主4） |
|
7 |
无损检测 |
|
|
|
|
|
7.1 |
超声波检测
（粗车状态） |
不规定 |
锻后检测并提交报告，对于大直径工件，建议在切齿前检查缺陷（按ASTM A388
灵敏度为3.2mm平底孔进行探伤，探伤时由外圆至中径360℃扫描，在保证同等质
量前提下允许采用供需双方协议的检测方法。） |
|
7.2 |
表面裂纹检测
（最终加工状态） |
不允许存在锻造或淬
火裂纹 |
不允许存在锻造及淬火裂纹，磨削齿轮应检查表面裂纹，检查
方法由供需双方协商 |
|
8 |
焊补 |
可按规定工艺进行 |
轮齿部位不允许，其他部位只允许在热处理前的粗车状态进
行，切齿后不能焊补 |
|
注：
当铸钢件质量达到锻钢件（锻打或轧制）质量标准时，对与锻钢小齿轮配对的铸钢齿轮，也可采用锻钢的许用
应力值计算其承载能力，但这种情况须经试验数据和应用实例验证。
锻钢纯度及锻造比标准不能用于铸件，夹杂物含水量量与形状应控制为球状硫化锰夹杂物（Ⅰ型）为主，但不允许
存在晶界硫化锰夹杂物（Ⅱ型）。
1）对于0℃以下冷态环境下服役的齿轮：
考虑低温夏比（冲击）性能的要求；
考虑断口形貌转化温度或无塑性转变温度性能的要示；
考虑采用高镍合金钢；
考虑将碳含量降至0.4%以下；
考虑用加热元件提高润滑剂温度。
2）材料纯度检验只针对切齿部位，位于最终齿顶圆下两倍齿高以上的深度。对于外齿轮，齿坯的这段区域通
常不超过半径的25%。
3）只针对由铸锭制成的锻件，对于连铸材料，最小锻造比为7/1。
4）在齿轮载面上，至1.2倍齿高深处的显微组织以回火马氏体为主，允许混有少量先析铁素体、上贝氏体及
细小珠光体，不允许存在未溶块状铁素体。对于控制截面≤250mm的齿轮，非马氏体相变产物不可超过
10%，控制截面＞250mm的齿轮，不可超过20% |
表4表面硬化调质钢——经火焰及感应淬火（锻造、轧制或铸造）（图10、图12）
|
序号 |
项目 |
ML |
MQ |
ME |
|
1 |
化学成分 |
同表3（调质钢1～6项）
对于普碳钢和锰钢的纯度要求为：
|
A |
B |
C |
D |
|
弥散态 |
聚集态 |
弥散态 |
聚集态 |
弥散态 |
聚集态 |
弥散态 |
聚集态 |
|
3.0 |
3.0 |
2.5 |
1.5 |
2.5 |
1.5 |
2.0 |
1.5 |
|
|
2 |
调质后力学性能 |
|
3 |
纯度 |
|
4 |
晶粒度 |
|
5 |
超声波探伤 |
|
6 |
锻造比 |
|
7 |
预备热处理 |
淬火及回火态组织 |
|
8 |
表面硬度 |
48～56HRC |
50～56HRC |
|
9 |
有效硬化层深度1）
（按GB/T5617检验） |
硬化层深度是指从表面到相当于最低表面硬度规定值80%的硬度处的垂直距离 |
|
10 |
表层组织 |
不规定 |
抽查，以细针马氏体为主 |
严格抽查，细针马氏体 |
|
11 |
无损检测 |
|
|
11.1 |
表面裂纹（磁粉或着
色渗透探伤）2） |
不允许
抽查首批工件 |
不允许
全部检查 |
|
11.2 |
齿部磁粉探伤2） |
不规定 |
模数/mm
≤2.5
＞2.5～8
＞ 8 |
缺陷最大尺寸/mm
1.6
2.4
3.0 |
|
12 |
过热（尤其是齿顶） |
禁止 |
严格禁止 |
|
注：本表适用于套圈式火焰淬火、套圈式或逐齿感应淬火工艺，齿根部位经过硬化，硬化层形状如图16、17所示。
1）为了得到稳定的硬化效果，硬度分布、硬化层深、设备参数及工艺方法应该建档，并定时检查，另外用一个与工件形状及材料相同的代表性试样来修正工艺。设备及工艺参数应足以保证硬化效果的良好复现性，硬化层应布满全齿宽和齿廓，包括双侧齿面、双侧齿根和齿根拐角。
2）最终加工后的齿轮轮齿区域内，任何质量级别的材料都不允许存在裂纹、爆裂、折皱。限制：25mm齿宽内不超过1个，一侧齿面内不超过5个，在工作齿高中线以下不允许存在。对于超标缺陷，在不影响齿轮完整性并征得用户同意情况下可以去除 |
表5表面硬化渗氮钢和调质钢——经气体、液体、离子渗氮（氮碳共渗）（图13、图14）
|
序号 |
项目 |
ML |
MQ |
ME |
|
1 |
化学成分 |
同表3（调质钢1～6项） |
|
2 |
调质后力学性能 |
|
3 |
纯度 |
|
4 |
晶粒度 |
|
5 |
超声波探伤 |
|
6 |
锻造比 |
|
7 |
预备热处理 |
无表面脱碳的调质或正火，其中回火温度应高于后续氮化（共渗）温度 |
|
8 |
心部要求1） |
不检验 |
σb＞900N/mm2或HB＞266（一般情况下铁素体含水量量应5%） |
|
9 |
渗氮（氮碳共渗）层
深度 |
有效渗氮层深度是指从表面到400HV或40.8HRC硬度处的垂直距离。
如果心部硬度超过380HV，那么心部硬度+50HV可作为界限硬度 |
|
10 |
表面硬度 |
|
|
10.1 |
渗氮 |
渗氮钢2）、3）、4） |
605～900HV5） |
|
10.2 |
调质钢2） |
＞450HV |
|
10.3 |
氮碳共渗 |
合金钢2） |
＞500HV |
|
10.4 |
非合金钢2） |
＞300HV |
|
11 |
表面组织
（白亮层及脆性） |
白
亮
层 |
渗氮 |
≤25μm |
≤25μm且以ε-相为主 |
同MQ。若渗氮后磨齿，
应考虑抗点蚀能力 |
|
氮碳共渗 |
不规定 |
白亮层＜30μm，且以ε-相为主 |
|
脆性 |
≤3级 |
≤2级（GB/T11354） |
|
12 |
渗氮后加工精度6） |
- |
特殊情况下磨齿，但应防止表面承载能力的降低 |
|
13 |
渗氮（氮碳共渗）
设备 |
设备及工艺参数可控。对液体氮碳共渗，要求带有通风的钛耐热合金坩埚或纯化
炉衬，以防止共渗时铁元素渗入熔盐中 |
|
注：1）对于渗氮或氮碳共渗件其调质后的心部硬度决定其最终心部硬度，因此在调质回火爆度高于渗氮或氮碳共渗温度前提下，其硬度值在允许切齿（冷加工）的条件下，应尽可能取高的硬度值，以增加强度和以便函不产生蛋壳效应。
2）测量表面硬度时应注意垂直于表面，试验载荷应同渗层深度及硬度相称。
3）渗氮齿传输线抗过载能力较低，由于S-N曲线形状平缓，因此在设计前应考虑好其冲击敏感性。对于含铝的合金钢，当渗氮周期较长时，晶界有形成边疆网状氮化物的可能，使用这种钢材，应在热处理时列出特别注意事项。
4）含铝氮化钢或类似钢材，只限于ML和MQ。这类材料的齿根应力值σFlim限制点：对于ML级，250N/mm2以下；对于MQ级，340N/mm2以下。
5）当由于白亮层，（＞10μm）而使硬度增加时，疲劳强度反而由于脆性原因而降低。
6）许多氮化齿轮抗过载能力低。因此，齿轮应有足够高的几何精度，以限制动载荷在轮齿总载荷中的比例。 |
表6表面硬化钢——经渗碳（碳氮共渗）（锻打或轧制）（图9、图11）
|
序号 |
项目 |
ML |
MQ |
ME |
|
1 |
化学成分 |
不检验 |
100%跟踪原始坯锭，提交检验报告 |
对同一批坯锭取样检验，提交检验报告 |
|
2 |
淬透性（按
GB/T225检
验） |
不检验 |
钢材在钢包中脱氧及精练处理，并经真空脱所，浇铸过程应有防氧化措施，除非用
户要求，否则禁止故意加钙。最大氧含量25×10-6，按GB/T10561方法B检验Ⅱ
区纯度，检验面积近200mm2。下表为夹杂物当量尺寸允许值。 |
|
3 |
纯度及冶练 |
不规定 |
至少3倍 |
|
|
4 |
锻造比1） |
不规定 |
5级或更细晶粒，提交检验报告 |
|
5 |
晶粒度 |
不规定 |
推荐。对于大直径工件在切齿前检查缺
陷 |
要示。五件以上产品可抽查 |
|
6 |
粗车状态超
声波探伤 |
不规定 |
方法同表3（调质钢7.1荐） |
|
7 |
表面硬度 |
|
|
|
|
7.1 |
工件代表性
表面硬底2）
（见附录C：维
一洛氏硬度
换算） |
最低55
HRC或
73HR
30N，抽
查 |
58～64HRC或75.7～81.1HR30N，
抽查 |
58～64HRC或75.7～81.1HR30N，
同炉热处理件数≤5时全部检查，否则
抽查 |
|
7.2 |
模数≤12mm
时齿宽中线
齿根区域的
表面硬度 |
不规定 |
满足图样要求，抽查代表性与试样 |
满足图样要求，全部检查或检验代表性
试样 |
|
8 |
心部硬度 |
21HRC以上 |
25HRC以上 |
35HRC以上 |
|
推荐测量位置：齿宽中部齿根30°切线的法向上，深度为5倍硬化层深，但不小于1倍模数。
可按技术条件要求，或采用供需双方协议的检查方法进行检测
|
|
9 |
有效硬化层
深度（按
GB/T9450检
验） |
有代表性试样检查或类似齿轮的同模数齿块试样的齿宽中部位于齿顶圆以下的齿顶高上检
查，本指标关系到齿面接触强度。在考虑齿轮模数和最大应力状态的情况下确定。有效硬化层
深度是指表面到550HV或52HRC硬度外的垂直距离。在规定最小硬化层深度时，应注意到
对于弯曲强度和表面承载能力的最佳值不一样。另外。不能超过最大硬化层深度，否则齿顶脆
性增加 |
|
10 |
至表面硬度
降（在有效硬
化层深度范
围内，次层最
高硬度与表
面硬度之差。
硬度转换参
考附录C） |
不规定 |
对于工件或代表性试样，硬度降低不超
过2HRC。当精加工状态硬度650HV
以上时，硬度降低限制在40HV以下 |
硬度降低不能超过30HV |
|
11 |
各种显微组织检查均可按4.3中代表性试样上进行，这种检查对MQ任意，对ME必须检查（对ML不要求） |
|
11.1 |
表面含碳量
限制 |
不规定 |
共析碳含量加+0.2%～0.10%,建议代表性试样中以细针马氏体为主，贝氏体
含量小于10% |
|
11.2 |
表面含氮量
（碳氮共渗） |
不检查 |
按技术条件要求，一般含氮量不超过0.3% |
|
11.3 |
碳化物 |
允许有半
连续状碳
化物网
（图15a） |
允许有断续的碳化物，对于代表性试
样，所有碳化物长度不超过0.02mm
（图15b） |
允许弥散状碳化物按4.3中检验代表
性试样（图15c） |
|
可按各行业标准执行 |
|
11.4 |
残余奥氏体
（对代表性试
样金相法检
查） |
不规定 |
25%以下 |
25%以下且细小弥散 |
|
可按各行业标准执行 |
|
11.5 |
表面非马氏体
（IGO） |
不规定 |
渗层深度e/mm
e＜0.75
0.75＜e＜1.50
1.50＜e＜2.25
2.25＜e＜3.00
e＞3.00 |
IGO/μm
17
25
38
50
60 |
渗层深度e/mm
e＜0.75
0.75＜e＜1.50
1.50＜e＜2.25
2.25＜e＜3.00
e＞3.00 |
IGO/μm
12
20
20
25
30 |
|
若超差，可与用户协调采用控制喷丸进行补救 |
|
12 |
无损检测 |
|
12.1 |
表面裂纹（在
不影响齿轮
完整性并经
用户同意可
去除表面缺
陷3）） |
不允许
有裂纹，
用磁粉
或着色
渗透探
伤法抽查 |
不允许有裂纹，磁粉探伤抽查率应达到
50% |
不允许有裂纹。100%磁粉探伤，批量≥
5件可抽查。抽查率高于MQ |
|
12.2 |
齿部磁粉探
伤3） |
不规定 |
模数/mm 缺陷最大尺寸/mm
≤2.5 1.6
＞2.5～8 2.4
＞8 3.0 |
模数/mm 缺陷最大尺寸/mm
≤2.5 0.8
＞2.5～8 1.6
＞8 2.4 |
|
13 |
心部显微组
织（位置同第
8项） |
不规定 |
按行业有关标准执行 |
为允许有块状游离铁素体 |
|
注：1）见表3注3）；
2）由于尺寸和工艺的差别，齿根硬度可能略低于齿面硬度，允许值可由供需双方协商；
3）在最终加工后的齿轮轮齿区域内，任何质量、级别的材料都不允许有裂纹、爆裂、折皱。限制：25mm齿宽内
不超过1个，一侧齿面内不超过5个。在工作齿高中线以下不允许存在，对于超标缺陷，在不影响齿轮完
整性并征得用户同意情况下可以去除。 |
|
|
|
|
|
|
|
4.3试样
试样由代表情钢材制成，可以单独锻造，同产品一道经过所有的热处理工序。选择试样应能在碳含量及显微组织方面控制热处理工艺质量，也可从工件代表性性能的角度来选择。标准试样的性能应在渗层组织和渗层深度方面与工件接近，并可根据经验推断。
关于试样加工，应以供需双方协议为准。
这里推荐两种试样。
a）过程控制试样：适用于任何材料和形状，它用于检测热处理工艺的稳定性，其显微组织并不代表最终齿轮的显微组织，仅可根据实际经验来推断最终齿轮的近似状态，这种推断应该存档备查。
b）代表性试样：主要考虑能反映产品齿轮的冷却速度，试样心部硬度和显微组织应该接近表6中第8项、第13项规定指标，其推荐尺寸为：
最小直径（mm）：6×模数；
最小长度（mm）：12×模数。
另外，试样钢材应在化学成分及淬透性方面与工件相当。
