滲碳齒輪有效硬化層深度的確定和齒輪疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法

李光瑾，葉儉，祝兵壽，陳德華，哈勝男，祖慶川，王偉，薛耀先

（1.上海市機(jī)械制造工藝研究所有限公司，上海200070，2.常州減速機(jī)總廠有限公司，常州213149）

1 引言

齒輪是一種應(yīng)用廣泛的機(jī)械傳動零件，在機(jī)械裝備中起著傳遞動力、改變轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的重要作用。按齒輪的傳動形式，一般將其分為三類：（1）圓柱齒輪用于平行兩軸之間的傳動；（2）錐齒輪用于相交兩軸之間的傳動；（3）蝸輪與蝸桿用于交叉兩軸之間的傳動。與依靠摩擦力傳遞動力的帶傳動、通過鏈條與鏈輪齒嚙合傳遞運(yùn)動的鏈傳動相比，齒輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動比相對固定、傳動比精準(zhǔn)、傳遞負(fù)荷大等優(yōu)點(diǎn)。

統(tǒng)計分析表明，齒輪的失效，主要是輪齒表面的接觸疲勞和齒根部的彎曲疲勞，所有關(guān)于材料以及組織性能的試驗(yàn)研究，基本都緊密圍繞這一主題。其中，對于已經(jīng)選定的材料，選擇并實(shí)施合適的熱處理，對于確保齒輪在工況下的可靠性，熱處理工藝過程的節(jié)能減排，有著顯著的效益。

2 滲碳齒輪常用材料與熱處理工藝方法的選擇

以柴油機(jī)齒輪和重載齒輪為例，不同產(chǎn)品、不同用途與工況，選用不同的齒輪用鋼和熱處理工藝方法，見表1[1]。

3 齒輪滲碳淬火有效硬化層深度的確定

3.1 參與齒輪強(qiáng)度設(shè)計的材料特征參數(shù)

在GBT 3480《漸開線圓柱齒輪承載能力計算方法》等標(biāo)準(zhǔn)中，齒輪度設(shè)計計算所使用的材料特征參數(shù)如下：彈性模量E、切變模量G、泊松比ν、許用齒根應(yīng)力、彎曲疲勞極限、許接觸應(yīng)力、接觸疲勞極限、抗拉強(qiáng)度、硬度等。這些參數(shù)中，除強(qiáng)度、硬度和疲勞極限等指標(biāo)與材料和熱處理有關(guān)，金屬材料的彈性模量是一個對組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。材料的合金化、顯微組織、冷塑性變形對彈性模量的影響較小[2]。

在幾種齒輪的承載能力計算方法中，僅提出應(yīng)“保證適當(dāng)?shù)挠行в不瘜由疃取保匆?guī)定任何參與強(qiáng)度設(shè)計計算的有效硬化層深度數(shù)據(jù)。

3.2 確定不同用途齒輪滲碳淬火后的有效硬化層深度傳統(tǒng)方法

如何確定不同用途齒輪滲碳淬火后的有效硬化層深度，均依據(jù)長期的制造和運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，提煉出多種經(jīng)驗(yàn)公式和方法，給齒輪尤其是重載大模數(shù)齒輪滲碳淬火后有效硬化層深度的確定留下了較大的自由度。部分齒輪滲碳淬火有效硬化層深度估算經(jīng)驗(yàn)公式與方法參見表2。

表2中列出的齒輪滲碳淬火后有效硬化層深度的若干選擇方法，產(chǎn)生于過去相當(dāng)長的歷史階段，出自各國的汽車、鐵道、重載裝備等行業(yè)。通過比較可以看出以下特點(diǎn)：

有效硬化層深度的上、下限要求值相差20%～66.7%，有的僅推薦一個起點(diǎn)值，所提出的技術(shù)要求參數(shù)不精準(zhǔn)，反映出對齒輪性能的認(rèn)識水平有差異。

受制于各個時期齒輪制造技術(shù)裝備的保障能力，使同一件齒輪產(chǎn)品有如此廣泛的有效硬化層深度要求。由此，在全部能保證齒輪可靠性的前提下，導(dǎo)致齒輪在高溫下長時間加熱變形程度加?。粚?dǎo)致齒輪滲碳工藝過程的時間長短和設(shè)備利用率差異很大；導(dǎo)致齒輪滲碳過程能源消耗水平差異很大；導(dǎo)致齒輪滲碳過程的成本差異很大。

重載齒輪采用深層滲碳淬火的方法。按照J(rèn)B/T 8929－2008《深層滲碳》標(biāo)準(zhǔn)的界定，有效硬化層深度達(dá)到3mm以上即為“深層滲碳”。深層滲碳可以保證大型重載齒輪齒面到心部有較高的強(qiáng)度，防止在高接觸應(yīng)力下齒面剝落。根據(jù)理論計算，齒輪模數(shù)越大，即節(jié)圓直徑越大，齒面曲率半徑越大，剪切應(yīng)力分布越深。為了防止齒面表層壓碎，最大的剪切應(yīng)力與剪切強(qiáng)度之比不應(yīng)大于0.55，即材料的剪切強(qiáng)度大于1.82倍剪切應(yīng)力，從齒表面到心部的任何一層，均應(yīng)滿足這個要求。因此大型重載齒輪滲碳必須有足夠的層深，才能抵抗里層高的剪切應(yīng)力，發(fā)揮硬齒面的高承載能力。但是，滲層深度大于4mm，每增加1mm深度約需滲碳30 h；滲層深度大于6mm，每增加1mm深度則月需50 h[9]。以500 kW功率的中型井式滲碳爐計算，每增加1mm滲層，僅滲碳爐的電能消耗就將分別增加約1.5萬kW·h和2.5萬kW·h。

表2中部分“按產(chǎn)品圖紙折算”的數(shù)據(jù)，源于新近設(shè)計制造的較大模數(shù)的重載齒輪產(chǎn)品，如果沿用（t=系數(shù)×模數(shù)）關(guān)系式，可以看出“系數(shù)”在減小，有效硬化層深度的上、下限值差異控制在20%～45%之間，與傳統(tǒng)估算方法有明顯的壓縮，但是否已經(jīng)是最佳狀態(tài)尚無法評價，各種產(chǎn)品之間對有效硬化層深度的選定仍有明顯的隨意性。目前人們關(guān)注的問題是在保證齒輪具有同樣承載能力下，選擇較淺的滲層深度，而不是采用統(tǒng)一的模數(shù)與深度簡單對應(yīng)的計算方法。

4 齒輪的疲勞性能試驗(yàn)方法

我國在上世紀(jì)70年代，齒輪制造以軟齒面調(diào)質(zhì)工藝為主，齒輪的設(shè)計參數(shù)指標(biāo)較低。從上世紀(jì)80年代開始，隨著機(jī)械裝備對齒輪質(zhì)量和承載能力的要求不斷提高，齒輪材料和制造技術(shù)及工藝而得到迅速發(fā)展。主要表現(xiàn)在先進(jìn)的齒輪用鋼及其系列化，硬齒面熱處理裝備和工藝技術(shù)，齒輪彎曲疲勞和接觸疲勞性能和抗膠合性能的試驗(yàn)研究等[10]。

汽車齒輪、高速發(fā)動機(jī)齒輪，基本都是小模數(shù)齒輪（模數(shù)＜8）。不論是齒面接觸疲勞還是齒根彎曲疲勞，試驗(yàn)方法通常僅適用于小模數(shù)齒輪，對于大模數(shù)重載齒輪很難進(jìn)行類似試驗(yàn)，重載的大模數(shù)齒輪一般不進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

4.1 小模數(shù)齒輪的接觸疲勞試驗(yàn)

小模數(shù)齒輪的接觸疲勞試驗(yàn)，按 GB/T 14299－1993《齒輪接觸疲勞試驗(yàn)方法》中的規(guī)定進(jìn)行。將齒輪裝在齒輪試驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行一對嚙合齒輪的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。當(dāng)齒面出現(xiàn)接觸疲勞失效或齒面應(yīng)力循環(huán)達(dá)到規(guī)定的循環(huán)基數(shù)N0而未失效（稱為“超越”，有具體失效判別準(zhǔn)則）時，終止試驗(yàn)并獲得齒面在試驗(yàn)應(yīng)力下的一個壽命數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程中，用10倍放大鏡觀察齒面出現(xiàn)點(diǎn)蝕損傷的形貌，必要時進(jìn)行復(fù)膜或照相。當(dāng)試驗(yàn)齒輪及試驗(yàn)過程均無異常時，通常將該數(shù)據(jù)稱為“試驗(yàn)點(diǎn)”。根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康模x擇不同的試驗(yàn)組合，最后經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理，獲得試驗(yàn)的接觸疲勞特性曲線和接觸疲勞極限應(yīng)力。

4.2 小模數(shù)齒輪的彎曲疲勞試驗(yàn)

小模數(shù)齒輪的彎曲疲勞試驗(yàn)，按 GB/T 14230－1993《齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法》中的規(guī)定進(jìn)行。該標(biāo)準(zhǔn)提供了兩種試驗(yàn)方法。

A法與齒輪的接觸疲勞試驗(yàn)方法相同，采用試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)，根據(jù)齒根出現(xiàn)疲勞失效或齒根應(yīng)力循環(huán)達(dá)到規(guī)定的循環(huán)基數(shù)N0而未失效時，終止試驗(yàn)并獲得齒根在試驗(yàn)應(yīng)力下的一個壽命數(shù)據(jù)。最后經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理，獲得試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞特性曲線和彎曲疲勞極限應(yīng)力。

B法在脈動疲勞試驗(yàn)機(jī)上利用專門的夾具，齒輪固定裝夾，對試驗(yàn)齒輪的一只或一對輪齒進(jìn)行脈動加載，至輪齒出現(xiàn)彎曲疲勞失效或超越，試驗(yàn)終止并獲得輪齒在該試驗(yàn)應(yīng)力下的一個壽命數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康?，按不同的試?yàn)點(diǎn)組合，獲得試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞特性曲線和彎曲疲勞極限應(yīng)力。圖1為兩種彎曲疲勞試驗(yàn)脈動加載示意圖。

4.3 一種新的齒輪疲勞性能試驗(yàn)方法－彎沖試驗(yàn)

齒輪的接觸疲勞和彎曲疲勞試驗(yàn)，通常具有時間冗長、數(shù)據(jù)離散的特點(diǎn)。德國ZF公司的總工程師H.Brugger在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出用沖擊強(qiáng)度測定滲碳鋼的疲勞曲線及齒輪的突發(fā)斷裂強(qiáng)度。通過對滲碳淬硬模擬齒樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測出沖斷力，計算出沖擊強(qiáng)度，可以為材料提供一個接近實(shí)際使用條件的評估指標(biāo)，尤其是作為評估滲碳淬硬齒輪鋼性能的一種方法。他的試驗(yàn)建立在實(shí)測發(fā)動機(jī)最大扭矩下的行車載荷譜，在繪出了30萬km路程行駛出現(xiàn)的超載荷頻次的基礎(chǔ)上，找出一種試驗(yàn)方法，能夠可靠地測出材料的S-N曲線的耐久強(qiáng)度（持久限）與突發(fā)性斷裂強(qiáng)度之間的關(guān)系，被視為是對齒輪材料試驗(yàn)的一項(xiàng)重大貢獻(xiàn)。這種便捷實(shí)用的試驗(yàn)方法，在德國不僅被鋼廠作為驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)檢項(xiàng)目，也常用于齒輪生產(chǎn)過程檢驗(yàn)的附加標(biāo)準(zhǔn)，使齒輪制造的失誤減少了一半[11]。

進(jìn)行彎沖試驗(yàn)的齒樣應(yīng)滿足以下要求：（1）有效硬化層深度（Eht550）應(yīng)為（0.2～0.25）×模數(shù)（mm）；（2）表面滲碳淬硬≥59 HRC；（3）硬化層不得有網(wǎng)狀碳化物，殘余奧氏體量≤30%；（4）由表及里每0.20mm的硬度下降梯度不大于100HV1；（5）心部強(qiáng)度≥980N/mm2；（6）試樣表面應(yīng)去除1/10滲碳層深度，以徹底排除表面氧化脫碳的影響。

在傳統(tǒng)的沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行齒樣的彎沖試樣是比較煩瑣的。如試樣的安裝軸線必須與試驗(yàn)機(jī)擺錘沖擊方向呈30°角度，擺錘上必須加裝測力傳感器并連接記錄和顯示儀表。而目前全新的儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)普及。如果說傳統(tǒng)的沖擊試驗(yàn)的全過程僅是“一錘子買賣”，測得材料的沖擊吸收功。儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)通過擺錘一次沖斷試樣，可以測出力－位移曲線（該曲線下的面積為沖擊吸收總能量）。對于不同的試樣或在不同溫度下測得的力－位移曲線，即使曲線下的面積或吸收能量相同，通過比較曲線的形狀和特征，試樣的變形與斷裂特性就可以加以區(qū)別。我國已有GB/T 19748－2005《鋼材夏比V性缺口擺錘沖擊試驗(yàn)儀器化試驗(yàn)方法》，規(guī)范儀器化沖擊試驗(yàn)。

表3為ZF7鋼齒樣Eht610（有效硬化層深度）不同時的彎沖檢驗(yàn)結(jié)果。表4為幾種鋼齒樣經(jīng)兩種滲碳淬火方法對彎沖值的影響[12]。

表3數(shù)據(jù)表明：同一鋼種隨著滲碳淬火后有效硬化層深度的增加，脆-硬性層增厚，使彎沖值呈現(xiàn)下降趨勢。表4數(shù)據(jù)表明：同一鋼號不同爐次的材料經(jīng)相同的熱處理后彎沖值相差很大，這為選擇材料提供了重要依據(jù)。滲碳后直接淬火，因滲層中的碳化物未能得到改善，其彎沖值均低于經(jīng)重新加熱淬火后的測試結(jié)果。滲碳后以一定方式冷卻后重新加熱淬火，碳化物的形態(tài)細(xì)化和均勻化，可在一定程度上使齒輪的強(qiáng)韌性能得到提高。

5 結(jié)束語

滲碳淬火是齒輪最重要的強(qiáng)化工藝方法之一，仍有許多問題值得深入研究。

（1）熱處理工藝裝備與技術(shù)的進(jìn)步，計算機(jī)控制的熱處理工藝裝備，為熱處理工藝的精益化和質(zhì)量指標(biāo)的精準(zhǔn)控制提供了保障。

（2）通過試驗(yàn)研究，較為科學(xué)地確定滲碳淬火后的有效硬化層深度，對齒輪產(chǎn)品的性能以及齒輪的制造工藝，對節(jié)能減排、低碳制造、降本增效都有直接影響。

（3）齒輪試樣的彎沖試驗(yàn)，在擁有儀器化沖擊試驗(yàn)機(jī)的條件下，只需設(shè)計專用砧座即可方便地進(jìn)行，是一種適用于齒輪用鋼與小模數(shù)齒輪疲勞性能的評價方法。

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