齒輪鋼接觸疲勞壽命的研究

張學(xué)誠

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰214429）

1 前 言

齒輪是機(jī)械設(shè)備中最重要的傳動部件，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、工程機(jī)械等領(lǐng)域。伴隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國的齒輪年產(chǎn)銷量已躍居世界第一。中國雖已成為齒輪大國，但與歐美、日韓等齒輪強(qiáng)國相比，整體質(zhì)量上還存在一定的差距。最主要的差距是中國制造的高疲勞壽命齒輪占比較低。

齒輪疲勞失效最主要是由齒面的接觸疲勞引起的，齒輪在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，局部累積產(chǎn)生疲勞損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后，接觸表面產(chǎn)生麻點(diǎn)、淺層或深層產(chǎn)生剝落的過程，稱之為齒輪的接觸疲勞。齒輪試樣接觸表面在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下直至疲勞失效時所經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，稱之為接觸疲勞壽命。影響齒輪接觸疲勞的因素為齒輪鋼原材料、熱處理、機(jī)加工與齒輪裝配精度等。本文主要研究了齒輪鋼與齒輪接觸疲勞壽命的因果關(guān)系，通過試驗(yàn)證實(shí)了齒輪鋼的純凈度與晶粒度對齒輪接觸疲勞壽命有較大的影響。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用興澄公司生產(chǎn)的SCM420H齒輪鋼與國外某知名鋼廠生產(chǎn)的SCM420H齒輪鋼。試驗(yàn)鋼材化學(xué)成分相近，具體化學(xué)成分見表1。兩者的淬透性實(shí)測值也幾乎相同。

表1 試驗(yàn)鋼材化學(xué)成分 %

首先將試驗(yàn)用的興澄SCM420H 與國外SCM420H 熱軋圓鋼，從Φ60 mm 熱鍛成Φ32 mm。鍛造后的圓鋼經(jīng)等溫正火后，機(jī)加工成直齒圓柱齒輪，然后滲碳淬火以及低溫回火。毛坯齒輪的熱處理工藝見圖1。

圖1 毛坯齒輪熱處理過程

齒輪試樣最終精加工成標(biāo)準(zhǔn)的直齒圓柱齒輪，試驗(yàn)齒輪模數(shù)為6 mm，齒數(shù)為32，齒寬為25 mm，分度圓壓力角為20°，徑向間隙系數(shù)為0.25，齒頂高系數(shù)為1。試驗(yàn)采用德國進(jìn)口齒輪接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為3 000 r/min，中心距離為300 mm，加載方式為杠桿加載，電機(jī)輸出扭矩、轉(zhuǎn)數(shù)、振動噪聲、溫度等都裝有相應(yīng)的傳感器來監(jiān)測。試驗(yàn)采用10 W/40CD柴油機(jī)油作為潤滑劑［1］。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 興澄材與國外材接觸疲勞性能

在相同的試驗(yàn)條件下，興澄材與國外材均進(jìn)行了10 組接觸疲勞試驗(yàn)。興澄SCM420H 與國外SCM420H 制造的齒輪其接觸疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 10組齒輪接觸疲勞試驗(yàn)結(jié)果 ×107次

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用興澄SCM420H 制造的齒輪，接觸疲勞循環(huán)周期全部達(dá)到9.0×107次以上；而使用國外SCM420H制造的齒輪，接觸疲勞循環(huán)周期普遍在8.0×107次左右，并且其中第③組、第⑦組疲勞循環(huán)周期明顯低于正常值，屬于較為異常數(shù)據(jù)。重點(diǎn)研究分析這兩組異常數(shù)據(jù)的對應(yīng)的齒輪，齒輪疲勞失效處發(fā)現(xiàn)混晶現(xiàn)象（國外材第③組試驗(yàn)），齒輪疲勞失效處發(fā)現(xiàn)大尺寸的非金屬夾雜物（國外材第⑦組試驗(yàn)）。因此，有必要深入研究晶粒度與非金屬夾雜物對齒輪接觸疲勞壽命影響的機(jī)理。

3.2 晶粒度影響接觸疲勞的機(jī)理

晶粒度是齒輪鋼的重要理化性能指標(biāo)，均勻細(xì)小的晶粒有利于提高齒輪的強(qiáng)度與韌性。隨著滲碳溫度的提高，齒輪的晶粒變得更容易長大［2］。國內(nèi)目前主流的齒輪鋼滲碳溫度一般在930 ℃以下；齒輪滲碳溫度≥950 ℃屬于高溫滲碳，高溫滲碳的優(yōu)勢在于可以節(jié)約齒輪的滲碳時間，提高齒輪的生產(chǎn)效率。

通過分析國外SCM420H 第③組失效齒輪，發(fā)現(xiàn)該組齒輪失效處存在較為嚴(yán)重的混晶現(xiàn)象，齒輪失效處的金相組織見圖2；而興澄SCM420H制造的齒輪晶粒均勻且細(xì)小，金相組織見圖3。齒輪的晶粒越均勻細(xì)小，意味著在同樣體積內(nèi)晶粒數(shù)量越多，晶界接觸面積也越大，障礙也就越大，需要更大的力才能使晶粒產(chǎn)生滑移［3］。晶界處的晶體排列是無規(guī)律的，并且晶界犬牙交錯，互相咬合，因而加強(qiáng)了金屬內(nèi)部的結(jié)合力，細(xì)晶粒齒輪相較粗晶粒齒輪擁有更高的強(qiáng)度與韌性，因而齒輪的接觸疲勞壽命也更長。因?yàn)榧?xì)晶粒受到外力發(fā)生塑性變形時可以分散到更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，塑性變形更為均勻，應(yīng)力集中發(fā)生的概率減??；此外，齒輪晶粒越均勻細(xì)小，晶界互相接觸的面積也越大，晶界能夠承受更大的外力，齒輪的接觸疲勞壽命也越長。

圖2 國外SCM420H晶粒

圖3 興澄SCM420H晶粒

3.3 夾雜物影響接觸疲勞的機(jī)理

非金屬夾雜物的控制一直是高疲勞壽命齒輪鋼生產(chǎn)的難點(diǎn)，普通純凈度的齒輪鋼已難以滿足高疲勞壽命齒輪的要求。興澄公司通過對冶煉技術(shù)的改進(jìn)與創(chuàng)新，有效地減少了鋼中非金屬夾雜物的含量，并且優(yōu)化了鋼中非金屬夾雜物的形貌與分布。

通過分析國外SCM420H 第⑦組失效齒輪，發(fā)現(xiàn)該組齒輪失效處存在大型單顆粒球狀非金屬夾雜物，直徑約為300 μm，使用掃描電鏡的能譜分析，發(fā)現(xiàn)夾雜物是由Al、Mg、Ca等元素組成，非金屬夾雜物的大小及形貌見圖4。在齒輪接觸疲勞試驗(yàn)過程中，鋼材基體在變形的同時，大型單顆粒球狀夾雜物難以形變。大型單顆粒球狀夾雜物受到周圍基體的擠壓，在大型單顆粒球狀夾雜物與鋼材基體交界處會形成許多微裂紋，這些微裂紋會逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致齒輪零件疲勞失效［4］。研究表明鋼中的單顆粒球狀類（DS類）非金屬夾雜物尺寸超過38 μm 時，齒輪的接觸疲勞壽命呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，單顆粒球狀類夾雜物尺寸與接觸疲勞壽命的關(guān)系見圖5。

圖4 單顆粒球狀夾雜物

圖5 單顆粒球狀夾雜物尺寸與接觸疲勞壽命的關(guān)系

4 結(jié) 論

4.1 根據(jù)齒輪接觸疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析，興澄SCM420H 制造的齒輪接觸疲勞壽命長于國外SCM420H制造的齒輪，穩(wěn)定性較高。

4.2 均勻細(xì)小的晶粒有利于提高齒輪的接觸疲勞壽命；而粗大的晶粒容易導(dǎo)致齒輪疲勞失效，其接觸壽命明顯降低。

4.3 鋼材的純凈度與齒輪的接觸疲勞壽命有著密切的相關(guān)性。通過減少鋼中非金屬夾雜物的含量，控制鋼中非金屬夾雜物的形貌與分布，可以有效地提高齒輪的接觸疲勞壽命。