大型低速重載齒輪接觸疲勞抗力因素研究

韓明剛,朱建雷,羅 皎,袁 亞

(咸陽職業技術學院，陜西 西安 712000)

0 引言

大型低速重載齒輪在工業生產中應用廣泛，由于齒面接觸疲勞原因，導致使用壽命降低，其損壞形式主要是在光滑的接觸面上分布若干深淺不同的凹坑或較大面積的表層壓碎，通稱接觸疲勞，又稱點蝕或剝落。為解決這一問題，作者從以下三個方面闡述接觸疲勞抗力因素：

1 冶金質量

材料中的非金屬夾雜物等結構缺陷，尤其是脆性夾雜物對接觸疲勞壽命的影響很大。因為非金屬夾雜物常以機械混合物的形態出現在材料中，而其特性又與鋼鐵有較大的區別，所以它既破壞了周邊鋼鐵基體的均勻、連貫，還會在此處引起機械應力聚集，從而形成了勞損源。在外力作用下，常常隨著夾雜質與周邊金屬材料基體之間的界面斷裂，從而產生疲勞斷裂。在某些條件下，夾雜物質還會促進斷裂的延伸，因而進一步減少了疲勞壽命。夾雜質的特性、大小、數量、形態、布局等不同，對疲勞壽命的影響也不同。硬而脆的夾雜質，其外形成棱角狀，對疲勞壽命的威脅很大；較軟、塑性較好的夾雜質威脅則相對??；較粗的夾雜質對低周高應力疲勞，有促進疲勞斷裂延伸的效果；當夾雜質集中分布，且數量比較多時是，對勞損生命的威脅更大；當夾雜質位于零件表層時，如表面出現應力集中時，影響則最強烈。以礦山機械中低速重載齒輪為例，破壞較為嚴重。如圖1。

2 表面粗糙度與接觸精度

減少表面冷加工缺陷，提高表面粗糙度和接觸精度，可有效地增加接觸疲勞壽命。其影響程度與接觸應力大小有關。接觸應力高時，粗糙度影響較大。實踐表明，表面硬度越高的齒輪，往往必須經過精磨等工序以提高粗糙度，更能進一步提高接觸疲勞壽命。

3 熱處理組織狀態

3.1 滲碳層深度

目前較為常用的滲碳層深度為0.1～0.2m(m為齒輪模數)。但是對于大型低速重載齒輪該計算方法不太恰當。因為如果考慮齒面剝落因素，硬化層與芯部的交界處成為重要研究參數。準確的滲碳層深度不僅與齒輪承受的接觸應力大小相關，而且與芯部硬度、齒輪模數大小都有關系。下面介紹國內外生產廠家實際滲碳層t計算方法。

(1)洛礦： t≥D2RH/(1+i) 或 t≥D1D2RH/2A

式中：t—滲碳層深度； D1,D2—齒輪節圓處直徑； A—中心距； RH—接觸應力； i—速比,可以把上式簡寫成：

小齒輪t=0.1～0.2m 大齒輪t=0.15～0.2m

(2)瑞士馬格公司：t=0.1～0.2m；

(3)德國奔斥公司：t=0.15～0.2m；

(4)日本靜崗大學石田博士提出：t≥3.15b，b是接觸寬度之半；

(5)結城：t≥3.12b，b是接觸寬度之半；

如前文(1)所述：齒輪滲碳層深度是指在光學顯微鏡下用硝酸酒精腐蝕后測試的滲碳層深度，其原理是讓滲碳層著色較深，而基體著色較淺并且滲碳層深度與硬化層深度并不相同，因此目前比較權威并被普遍接受的是影響齒輪抗疲勞主要因素為有效硬化層深度，即滲碳淬火后的工件由其表面測到規定硬度(HV550)處的垂直距離。該深度與與材料、淬透性及熱處理工藝有關。

作者試驗了兩種常用齒輪材料，即18Cr2Ni4WA和30CrMnTi。結果發現：18Cr2Ni4WA鋼滲碳淬火后有效硬化層深度比滲碳層淺，而30CrMnTi恰好相反。并且隨著淬火溫度的升高，保溫時間的加長，有效硬化層深度隨之增加。二次淬火或用水淬，均能提高有效硬化層深度。另外，磨齒也會降低有效硬化層深度。以MXP-240太陽輪為例，設計要求滲碳層1.0mm，實測0.8 mm，解剖成品實測有效硬化層深度0.2～0.6 mm，見表1，所以應嚴格區別兩者的含義。

表1 18Cr2Ni4WA齒輪滲碳淬火磨齒后有效硬化層深度

從面分析表明，為防止大型低速重載齒輪齒面剝落，有效方法之一是加深有效硬化層深度，但也不能過深的增加，因為有效硬化層深度過深會使：

(1)增加脆性，特別模數較小時；

(2)齒面喪失有益的壓應力；

(3)降低芯部韌性，使彎曲強度下降；

(4)增加生產成本。

那么怎樣設計最佳有效硬化層深度是擺在我們面前的一個難題。應該根據齒輪受力條件來設計。從應力分析知道，不產生剝落的條件是：

τ45°/τy≤0.55，即τy≥1.82τ45°,而τy=1/6 HV，所以1/6HV≥1.82τ45°,即HV≥10.9(τ45°)

即在過渡區某處的硬度分布應滿足上式，而有效硬化層深度測至HV550，所以不發生齒面剝落的有效硬化層深度應滿足：

550≥10.9τ45°，即τ45°≤494.9(MPa)。

實際接觸處的接觸應力是三向壓應力，除了上述的Rz外，還有Rx、Ry。依據Rx、Rz可以求出不同深度處和x、y軸成45°角的平面上的最大切應力(τ45°)

注 1 由式(5)知，模型(9)—(10)需m+n+p個神經元。又由式(7)和式(10)知，模型(9)—(10)僅為單層神經網絡。

(1)

從(1)式中看到，τ45°是深度z的函數，依傳遞載荷及齒輪參數，計算出不同接觸深度z的τ45°，取τ45°≤494.9的z值便是我們要求的有效硬化層深度。這是從載荷和齒輪參數角度考慮的，如果再加上齒輪本身的應力狀態，設計有效硬化層深度應有一個安全系數n，即：

t=n×z494.9

3.2 碳化物

碳化物的形態、數量、大小及分布狀態是相當重要的一個指標。關于碳化物對機械性能的影響。這些缺陷的出現，損害了金屬基體的穩定性，導致應力聚集的缺口效應，很容易成為金屬疲勞斷裂的主要來源，從而加速齒面的點蝕或剝離，也容易成為疲勞裂紋的起始源，加速齒面的點蝕或剝落，見圖2。應通過適當的處理，使未溶呈細小、圓顆粒、均勻地分布在基體中，見圖3。綜合評級應小于6級。

3.3 表面碳濃度及馬氏體的含碳量

通常認為材料的疲勞和損壞的抗性不僅取決于材料的切斷抗性tK，也和正斷抗力SOT有關，大量研究表明，表面最佳碳濃度含量為0.8～1.05%。大型低速重載齒輪應取值中低范圍以內。碳含量過高，攣晶馬氏體的數量增加，會產生脆化及裂紋，見圖4。

接觸疲勞損壞主要分為裂紋產生及擴展兩個步驟，產生原理如圖5所示。由于產生裂紋的過程所占時間比很大，因此我們將疲勞裂紋的產生作為主要研究對象，綜合各企業實際生產數據顯示：按照裂紋產生的位置分類，主要有一下三種情況：

(1)產生與接觸表面的剝落現象，即點蝕；

(2)產生于齒輪次表層的倒錐形馬甸剝落現象；

3.4 馬氏體及殘余奧氏體的級別

在滲碳層中，若出現殘余奧氏體數量較多、馬氏體針粗大的現象，則殘余應力和強度降低，容易產生裂紋并降低使用壽命。因此要盡可能降低滲碳層中存在粗大針狀馬氏體。但但基于材料、工藝、特別是工況不同，某種情況下存在一定數量的殘余奧氏體是有益的。應力較低時，殘余奧氏體不能產生任何形式的變化，只是單一的軟相，故接觸疲勞壽命下降；在高應力作用下，殘余奧氏體會發生變化，但并未產生壓陷現象?；谝陨险撌?，作者認為存在一定數量殘余奧氏體反而能夠大幅度的提高接觸疲勞壽命，其主要原因是：

(1)由于殘余奧氏體為一軟相,在接觸應力影響下,殘余奧氏體的熱塑性變形擴大了實際的范圍,從而減少了接觸應力；

(2)殘余奧氏體的應變硬化與相變強化(應變誘發馬氏體,析出微細碳化物,形成bcc超細晶團)提高切變抗力；

(3)殘余奧氏體的塑性變形和相變導致殘余壓應力的增加；

(4)應力誘導相變吸收了能量,并導致相變塑性,從而延緩了裂紋的發盟生與擴散；

(5)應變誘發馬氏體比淬火冷卻時形成的馬氏體有較高的塑性；

(6)未轉變的殘余奧氏體對裂紋的擴大有延遲作用,裂紋尖端鈍化并分叉。

所以由于載荷條件不同,殘余奧氏體作用比較復雜,對其不能做出某種肯定否或否定的評價,但對重載齒輪來講,應一定的殘余奧氏體是有利的。

3.5 表面硬度

材料硬度高低決定了材料塑性變形抗力和切斷抗力的大小。通常情況下，硬度越大，抗力越大。這是由于裂紋的形成主要取決于最大剪應力，但是表面硬度并不能有效的反映正斷抗力大小。所以，重載齒輪表面硬度要求比一般齒輪略低，一般要求56HRC左右。在實驗中，為了降低表面接觸應力，增加接觸寬度，表面最好有一較軟的過渡層。

3.6 芯部硬度

對于防止接觸疲勞拉講，提高硬化層深度及芯部硬度是有效的方法。因疲勞裂紋往往始于硬化層與芯部的交界處，并且前提τ45/τY≥0.55時發生疲勞裂紋，如果提高芯部硬度或交界處硬度會使τ45/τY≤0.55，則疲勞裂紋不會產生。所以說，提高芯部硬度是一個防止接觸疲勞發生和延長壽命的有效方法。

隨著技術的不斷變化，齒輪的芯部硬度的位置也隨著標準進行大幅度的變化.見圖6。

但芯部硬度實際上是選材和熱處理問題。因為滲碳淬火后A、B、C三個位置上的硬度均與硬化層無關。綜合評價一個齒輪的性能，齒輪芯部硬度不能大幅度地增加，有一個最佳范圍，下面是各個企業推薦的參考值：

(1)奔馳公司 35～43HRC

(2)菲亞特公司 33～40HRC

(3)日本軋機 30～40HRC

(4)洛礦 35～43HRC

3.7 殘余應力

大量實踐證明：如果零件表面存在著殘余壓應力就能增加鋼的疲勞強度，而如果出現了殘余拉應力則將減少疲勞強度。如果在疲勞裂紋發生區域的過渡區有一定的拉應力，則會增大疲勞裂紋形成的可能性。表面殘余應力主要在淬火后形成的，由于表層含碳量高，MS 點較低，但芯部MS卻很高。

4 結論

大型低速重載齒輪齒面剝落是大型低速重載齒輪的主要破損方式；其影響因素是多方面的。主要包括：冶金質量、表面光潔度與接觸精度、熱處理組織狀態等?？梢酝ㄟ^改善熱處理方式提高使用壽命。