硬齒面齒輪膠合失效載荷級(jí)與干摩擦系數(shù)及合金元素含量的關(guān)系研究*

戚文正，關(guān) 鶴，顧曉宏

(鄭州機(jī)械研究所有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引 言

隨著機(jī)器工業(yè)向高速、重載、輕量化及高可靠性方向發(fā)展，硬齒面齒輪得到了廣泛應(yīng)用。目前，我國(guó)大型成套機(jī)械設(shè)備及其他重要機(jī)械裝備幾乎都采用硬齒面齒輪作為主要傳動(dòng)件。

對(duì)于某些齒輪傳動(dòng)，特別是高速重載齒輪傳動(dòng)，齒面膠合是一種經(jīng)常出現(xiàn)的失效形式。由于這種失效形式不易察覺(jué)和控制，極具危險(xiǎn)性。齒輪的齒面膠合和許多因素有關(guān)，如齒面載荷、圓周速度、齒廓形狀、尺寸、齒面粗糙度、齒輪誤差等，特別是齒輪材料及熱處理、潤(rùn)滑油的性能(粘度、極壓性能等)對(duì)其影響較大[1]。國(guó)外對(duì)齒輪擦傷與膠合的研究起步較早，且已進(jìn)行了大量的理論分析計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證。多年來(lái)，對(duì)于齒輪膠合承載能力的計(jì)算，國(guó)際上一直并存著兩種計(jì)算方法，即閃溫法和積分溫度法。

GB/Z6413-2003齒輪膠合承載能力計(jì)算方法[2]等同采用了ISO/TR 13989-2000[3]，該標(biāo)準(zhǔn)中列出了FZG試驗(yàn)方法A/8.3/90的齒輪膠合失效載荷級(jí)曲線圖。該圖主要是由原聯(lián)邦德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的尼曼、溫特爾教授，加上德國(guó)齒輪行業(yè)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)繪制而成[4]。美國(guó)早在上世紀(jì)60年代就開始了這方面的研究工作，并在AGMA標(biāo)準(zhǔn)中提供了美國(guó)齒輪材料的齒面接觸應(yīng)力極限值和齒輪膠合承載能力的計(jì)算方法。

多年來(lái)，由于受限于試驗(yàn)條件的不完善、齒輪試件精度較低、試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)要求，國(guó)內(nèi)很多單位對(duì)齒輪膠合承載能力試驗(yàn)的研究工作只能作定性的比較。目前在國(guó)際上，測(cè)定齒輪抗膠合承載能力最常用并得到公認(rèn)的是FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)法(我國(guó)相應(yīng)為CL-100齒輪試驗(yàn)機(jī)法)。FZG試驗(yàn)機(jī)法是原聯(lián)邦德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)齒輪與傳動(dòng)裝置研究所于上世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的，它是國(guó)際上公認(rèn)的評(píng)定齒輪抗膠合承載能力試驗(yàn)方法[5]。

考慮到我國(guó)目前材料冶金質(zhì)量、熱處理工藝和加工工藝等實(shí)際情況，鄭州機(jī)械研究所承擔(dān)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目“硬齒面齒輪疲勞強(qiáng)度極限、損傷特性和壽命預(yù)測(cè)”的試驗(yàn)研究工作。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)常用硬齒面齒輪材料和常用熱處理工藝，提出供齒輪強(qiáng)度計(jì)算用的接觸疲勞、彎曲疲勞以及抗膠合承載能力數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)齒輪材料及參數(shù)

為了給我國(guó)機(jī)械行業(yè)提供較可靠的硬齒面齒輪膠合強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算的技術(shù)數(shù)據(jù)，本文選用了齒輪行業(yè)上應(yīng)用較廣泛及發(fā)展前途較大的6種硬齒面齒輪材料，分別進(jìn)行了齒輪膠合承載能力試驗(yàn)及滾子干摩擦系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)。

6種試驗(yàn)用齒輪材料的化學(xué)成份如表1所示。

表1 試驗(yàn)用材料的化學(xué)成份%(實(shí)測(cè)值)

試驗(yàn)用齒輪的參數(shù)如表2所示。

表2 膠合試驗(yàn)用齒輪參數(shù)

注：(1)MAAG磨削，齒面十字花紋；(2)除25Cr2MoV氮化后6級(jí)外，其余齒輪精度5級(jí)；(3)齒面硬度HRC58～62(氮化HV620～750)

2 試驗(yàn)方法及齒面失效判據(jù)

本次齒輪膠合承載能力試驗(yàn)是在承德試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的CL-100齒輪試驗(yàn)機(jī)(仿FZG齒輪試驗(yàn)機(jī))上進(jìn)行的。

根據(jù)FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)法規(guī)定[6]：本次試驗(yàn)的試驗(yàn)條件為A/8.3/90，即試驗(yàn)齒輪為FZG“A”型齒輪，齒輪節(jié)圓線速度為8.3 m/s，初始油溫為90±3 ℃。試驗(yàn)用潤(rùn)滑油采用N68抗氧防銹工業(yè)齒輪油。

參考IP334/84[7]“潤(rùn)滑劑承載能力測(cè)定法-FZG齒輪試驗(yàn)機(jī)法”，齒面膠合損傷判據(jù)規(guī)定為：在給定的載荷級(jí)運(yùn)轉(zhuǎn)后，若小齒輪齒面上出現(xiàn)擦傷和膠合損傷，且小齒輪16個(gè)齒面的擦傷與膠合相加的總寬度等于或大于一個(gè)齒面寬，則該級(jí)就作為齒輪膠合失效載荷級(jí)。

6種試驗(yàn)用材料的滾子干摩擦系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)是在MM-200摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為保證試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性精度，每種試驗(yàn)材料的齒輪膠合失效載荷級(jí)均進(jìn)行5次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試。

6種試驗(yàn)用齒輪材料的齒輪膠合失效載荷級(jí)及其相對(duì)應(yīng)的齒面赫茲應(yīng)力如表3所示。

表3 膠合失效載荷級(jí)及干摩擦系數(shù)

為了進(jìn)一步研究齒輪膠合的過(guò)程及影響因素，筆者使用相同的材料和熱處理方法，分別制造出相同表面粗糙度的滾子，并測(cè)定它們的干摩擦系數(shù)；每種試驗(yàn)材料均做3次重復(fù)性測(cè)試，然后取算術(shù)平均值作為該種材料的摩擦系數(shù)。

3.1 干摩擦系數(shù)與失效級(jí)齒面赫茲應(yīng)力關(guān)系

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，可得到下列關(guān)系：

σH=184μ0-3.4

(1)

式中：σH—膠合時(shí)的齒面赫茲應(yīng)力，N/mm2；μ0—干摩擦系數(shù)。

由此可以認(rèn)為，淬硬材料的干摩擦系數(shù)與該種材料制成的硬齒面齒輪的膠合失效級(jí)赫茲應(yīng)力具有如下關(guān)系：

σH=Aμ0-β

(2)

式中：A，β—隨不同的潤(rùn)滑油和輪齒幾何參數(shù)及工況的變化而變化的數(shù)值。

由式(2)及表3可得干摩擦系數(shù)與膠合時(shí)齒面赫茲應(yīng)力的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 干摩擦系數(shù)與膠合時(shí)齒面赫茲應(yīng)力的關(guān)系

圖1中，這一關(guān)系是按照DIN51354標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)條件下求得的，這時(shí)嚙合區(qū)的油膜厚度很薄；油膜厚度與齒面粗糙度Ra之比λ<0.7，屬于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，這是大多數(shù)工業(yè)用齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所具有的特點(diǎn)，因此，對(duì)大多數(shù)工業(yè)用齒輪裝置在估計(jì)其抗膠合能力時(shí)，式(2)均具有一定的意義。

特別需要指出的是，在邊界潤(rùn)滑條件下，齒面嚙合過(guò)程中熱量的產(chǎn)生與干摩擦系數(shù)有非常密切的關(guān)系(正是因?yàn)槟Σ敛女a(chǎn)生熱量)，這與目前常用的按齒面溫度來(lái)估算膠合能力在本質(zhì)上是一致的。

3.2 合金元素的導(dǎo)熱系數(shù)

常用于硬齒面齒輪的低碳合金鋼中包含的鎳、鉻和錳等元素，均能大大地降低鋼的導(dǎo)熱系數(shù)。

鋼中合金元素含量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響如圖2所示[8]。

圖2 鋼中合金元素含量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖2可見：上述合金元素含量在0～5%范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響最顯著。導(dǎo)熱系數(shù)的下降，必然導(dǎo)致接觸表面溫度的上升；同時(shí)，圖2的曲線規(guī)律與表3所列試驗(yàn)結(jié)果相一致。

例如，由于20Cr2Ni4既含有很高的鎳(3.61%)，也有相當(dāng)?shù)你t(1.43%)，這種材料制成的齒輪，其齒面的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)比其他幾種材料的低，其齒面接觸處的溫度自然也上升得快，從而導(dǎo)致齒輪抗膠合能力的下降。

3.3 齒輪膠合承載能力影響因素

3.3.1 合金元素的影響

齒輪的膠合過(guò)程實(shí)際上是接觸齒面之間的相互作用過(guò)程。從表1及表3的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：同是滲碳淬火的合金鋼齒輪膠合失效載荷級(jí)卻相差1～2級(jí)，而離子氮化齒輪比其他5種試驗(yàn)的滲碳淬火齒輪膠合失效載荷級(jí)都高，因此，可以明顯看出，隨著其中某些元素含量的變化，齒輪膠合失效載荷級(jí)呈現(xiàn)明顯的變化趨勢(shì)。

由表1及表3還可以得出：當(dāng)齒輪材料中Ni和Mn含量較高時(shí)，特別是Ni含量較高時(shí)，齒輪的抗膠合承載能力較低。材料中含Cr、Mo、V等金屬元素都是活性較強(qiáng)的，容易與周圍環(huán)境發(fā)生作用，形成化合物膜，能提高材料的抗膠合能力；而元素Ni則由于其惰性較大，不容易與周圍環(huán)境作用形成化合物膜，因此，不能提高材料的抗膠合能力。

3.3.2 熱處理方法的影響

從表3中還可以看出，相較其他5種滲碳淬火處理的齒輪材料，經(jīng)離子氮化處理的25Cr2MoV材料有著較高的抗膠合承載能力。這不僅與材料化學(xué)成份有關(guān)，還與熱處理表面組織有關(guān)。金相分析表明，25Cr2MoV材料經(jīng)離子氮化處理后，在其表面會(huì)形成一白亮層，該白亮層的金相組織為γ′-Fe4N加上少量的ε-Fe2-3N。γ′-Fe4N是面心立方結(jié)構(gòu)，ε-Fe2-3N是密排六方結(jié)構(gòu)，其抗剪切強(qiáng)度較低，因此該化合物具有較好的韌性，表層氮化物能抑制兩嚙合齒面在摩擦磨損時(shí)的粘附傾向與熱膠合。同時(shí)，由于該白亮層具有較好的熱硬性，可以起到良好的抗膠合作用[9]。

4 齒輪抗膠合能力的核算

根據(jù)摩擦系數(shù)和合金元素含量對(duì)膠合承載能力的影響，以及表3試驗(yàn)結(jié)果可以說(shuō)明：

(1)在邊界潤(rùn)滑條件下輪齒的膠合問(wèn)題，不能忽略齒輪材料及表面狀況的影響；(2)FZG膠合試驗(yàn)方法科學(xué)之處就在于它明確規(guī)定了必須使用與所研究的齒輪材料及潤(rùn)滑油完全一致的“材料—油”組合來(lái)進(jìn)行FZG試驗(yàn)，以測(cè)定所研究的齒輪的膠合載荷級(jí)，然后才能對(duì)所設(shè)計(jì)齒輪進(jìn)行膠合能力的核算。

按照我國(guó)GB/Z6413.2-2003“圓柱齒輪、錐齒輪和雙曲面齒輪膠合承載能力計(jì)算方法”規(guī)定，與材料導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)的是熱閃系數(shù)XM，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，當(dāng)大、小輪的彈性模量、泊松比、熱接觸系數(shù)相同時(shí)，XM為：

XM=E0.25/(1-υ2)0.25·BM

(3)

式中：E—彈性模量；υ—泊松比；BM—熱接觸系數(shù)。

由于上述標(biāo)準(zhǔn)將馬氏體鋼的導(dǎo)熱系數(shù)看作是不變的，可以得出XM也是一個(gè)定值(等于50 K·N-0.75、S0.5、m-0.5·mm)。按照這種假設(shè)，所有滲碳淬火材料，只要?dú)堄鄪W氏體含量相同，齒輪的幾何形狀及潤(rùn)滑油也相同，則核算的抗膠合能力應(yīng)該完全一樣。但試驗(yàn)結(jié)果證明與實(shí)際差別很大。原因在于不同Mn、Ni和Cr等元素的含量，會(huì)較大幅度地改變其導(dǎo)熱系數(shù)。

因此，應(yīng)該對(duì)不同合金元素含量的鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，以便更準(zhǔn)確地對(duì)齒輪進(jìn)行膠合能力的核算，這對(duì)于工作在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)的齒輪副更為必要。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)常用硬齒面齒輪材料和常用熱處理工藝，本文分別進(jìn)行了齒輪膠合失效分析，提出了供齒輪強(qiáng)度計(jì)算用的接觸疲勞、彎曲疲勞以及抗膠合承載能力數(shù)據(jù),所得結(jié)論如下：

(1)在邊界潤(rùn)滑條件下，齒面嚙合過(guò)程中熱量的產(chǎn)生與干摩擦系數(shù)有著密切的關(guān)系(正是因?yàn)槟Σ吝^(guò)程才產(chǎn)生熱量)，這與目前常用的按齒面溫度來(lái)估算膠合能力在本質(zhì)上是一致的。試驗(yàn)證明：含鎳低碳合金鋼的鎳含量越大，其干摩擦系數(shù)也越大，其齒輪抗膠合能力也越低。因此，可以考慮用干摩擦系數(shù)去預(yù)測(cè)具有相應(yīng)表面狀況的輪齒的抗膠合能力的可能性；

(2)硬齒面齒輪材料中合金元素含量對(duì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)的影響較大；

(3)硬齒面齒輪的膠合承載能力與其所含化學(xué)成份及含量有關(guān)，Ni元素對(duì)膠合承載能力有明顯的削弱作用，而Mo、V等元素則與之相反；氮化齒輪因其表層組織有控制粘附作用而具有較好的抗膠合能力；

(4)有必要進(jìn)一步研究邊界潤(rùn)滑條件下，干摩擦系數(shù)及合金元素含量對(duì)齒輪抗膠合能力的影響，以便完善其膠合核算方法。