齿轮材料热处理质量控制与疲劳强度优化

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：齿轮的选材和热处理工艺的设计应保证满足齿轮的疲劳强度与使用性能以及良好的加工性能要求。齿轮的疲劳强度与其材料冶金质量、显微组织、力学性能与表面状态等诸多因素有关，因此不同的齿轮材料与热处理质量控制水平将相应得到不同的齿轮疲劳强度等级。齿轮的材料热处理质量按齿轮不同的承载能力要求分为高、中及低三个级别进行控制与检验，分别用ME、MQ和ML表示。

齿轮的选材和热处理工艺的设计应保证满足齿轮的疲劳强度与使用性能以及良好的加工性能要求。齿轮的疲劳强度与其材料冶金质量、显微组织、力学性能与表面状态等诸多因素有关，因此不同的齿轮材料与热处理质量控制水平将相应得到不同的齿轮疲劳强度等级。齿轮的材料热处理质量按齿轮不同的承载能力要求分为高、中及低三个级别进行控制与检验，分别用ME、MQ和ML表示。

1.铸铁齿轮的材料热处理质量控制和疲劳强度

（1）铸铁齿轮的材料热处理质量控制铸铁齿轮的材料热处理质量分级控制与检验项目及规定见表8-4。

灰铸铁齿轮金相检验参考GB／T 7216—2009《灰铸铁金相检验》的规定进行，球墨铸铁齿轮金相检验参考GB／T 9441—2009《球墨铸铁金相检验》的规定进行。

表8-4 铸铁齿轮材料（灰铸铁和球墨铸铁）

（2）铸铁齿轮的疲劳强度等级按表8-4进行分级质量控制的铸铁齿轮相应的接触疲劳强度与弯曲疲劳强度等级如图8-1和图8-2所示。

图8-1 铸铁齿轮的接触疲劳强度σHlim

a）可锻铸铁 b）球墨铸铁 c）灰铸铁

注：当硬度＜180HBW时，表明组织中存在较多的铁素体，不推荐作为齿轮材料

图8-2 铸铁齿轮的弯曲疲劳强度σFlim和σFE

a）可锻铸铁 b）球墨铸铁 c）灰铸铁

注：当硬度＜180HBW时，表明组织中存在较多的铁素体，不推荐作为齿轮材料

2.调质齿轮的材料热处理质量控制和疲劳强度

（1）调质齿轮的材料热处理质量控制调质齿轮的材料热处理质量分级控制与检验项目及规定见表8-5和表8-6。

表8-5 非表面硬化调质齿轮钢（锻造或轧制）

（续）

注：采纳本表数据时，建议大轮、小轮硬度差不大于40HV。

① 选材时可参照ISO 683-1、ISO 683-9、ISO 683-10或ISO 683-11推荐资料或相关国家标准规定。

② 0℃以下工作的齿轮：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求；考虑采用高镍合金钢；考虑将碳含量降至0.4％（质量分数）以下；考虑用加热元件提高润滑剂温度。

③ 材料纯度检验只针对切齿部位，位于最终齿顶圆下2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％。

④ 只针对由铸锭锻件，对于连铸材料，最小锻造比为5∶1。

⑤ 在齿轮截面上，至1.2齿高深处的显微组织以回火马氏体为主，允许混有少量共析铁素体、上贝氏体、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％（体积分数）；控制截面＞250mm齿轮，不可超过20％（体积分数）。

表8-6 非表面硬化调质齿轮铸钢

（续）

注：当铸钢件质量达到锻钢件（锻造或轧制）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，但这种情况需经试验数据或应用实例验证。

锻钢纯度及锻造比标准不可用于铸钢，夹杂物含量与形状应控制为以球状硫化锰夹杂物（Ⅰ型）为主，但不允

许存在晶界硫化锰夹杂物（Ⅱ型）。

（2）齿轮的疲劳强度等级按表8-5和表8-6进行分级质量控制的调质齿轮相应的接触疲劳强度与弯曲疲劳强度等级如图8-3和图8-4所示。

图8-3 调质处理锻钢齿轮的疲劳强度σHlim和σFlim

a）接触疲劳强度σHlim b）弯曲疲劳强度σFlim和σEF

注：名义w（C）≥0.20％

图8-4 调质处理铸钢齿轮的疲劳强度σHlim和σFlim

a）接触疲劳强度σHlim b）弯曲疲劳强度σFlim和σFE

3.表面淬火（感应或火焰淬火）齿轮的材料热处理质量控制和疲劳强度

（1）表面淬火（感应或火焰淬火）齿轮的材料热处理质量控制表面淬火（感应或火焰淬火）齿轮的材料热处理质量控制分级与检验项目及规定见表8-7。

表8-7 感应或火焰淬火齿轮锻钢和铸钢

注：本表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，硬化层形状如表6-3中齿根淬硬图b和图d所示。

① 为了得到稳定的硬化效果，对硬度分布、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。一般性缺陷限制：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修复。

（2）表面淬火（感应或火焰淬火）齿轮的疲劳强度等级按表8-7进行分级质量控制的表面淬火齿轮相应的接触疲劳强度与弯曲疲劳强度等级如图8-5和图8-6所示。

4.渗碳齿轮的材料热处理质量控制和疲劳强度

（1）渗碳齿轮的材料热处理质量控制渗碳齿轮的材料热处理质量分级控制与检验项目及规定见表8-8。

图8-5 表面淬火（火焰或感应淬火)铸、锻钢齿轮的接触疲劳强度σHlim

注：要求有合适的硬化层深度

图8-6 表面淬火（火焰或感应淬火）铸锻钢齿轮的弯曲疲劳强度σFlim和σFE

注：仅适用于齿根圆角处硬化的齿轮，未提供齿根圆角处未硬化的数据。要求有适当的硬化层深度。

表8-8 渗碳齿轮的材料（锻造或轧制)

（续)

（续）

注：对于碳氮共渗钢目前在标准中还未给出。

① 选材时可参照ISO 683-1、ISO 683-9、ISO 683-10或ISO 683-11推荐资料或相关国家标准规定。

② 洁净度规定只针对齿坯的两倍齿高区域内，对于外齿轮，该区域一般小于半径的25％。

③ 锻造比是指总的锻造比，而与方法无关，对于连铸材料，最小锻造比为5∶1。

④ 有时齿根硬度与齿面硬度有差别，这与齿轮大小与工艺有关，该差值可由供需双方协商。

⑤ 其他硬化层深度规定可参考GB／T 3480.5中文献［10］等资料。

⑥ 任何级别齿轮的轮齿部位不能存在裂纹、破损、疤痕及桔皮；对于一般性缺陷每25mm齿宽最多只有一个，每个齿面不能超过5个，半齿高以下部位不能允许存在；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。

⑦ 经供需双方同意，可采用其他磨削回火控制方法。

（2）渗碳的疲劳强度等级按表8-8进行分级质量控制的渗碳齿轮相应的接触疲劳强度与弯曲疲劳强度等级如图8-7和图8-8所示。

图8-7 渗碳锻钢齿轮的接触疲劳强度σHlim

注：要求有合适的硬化层深度

图8-8 渗碳锻钢齿轮的弯曲疲劳强度σFlim和σFE

注：要求有合适的硬化层深度。

①心部硬度≥30HRC。

②心部硬度≥25HRC，淬透性J＝12mm处≥28HRC

③心部硬度≥25HRC，淬透性J＝12mm处＜28HRC

5.渗氮齿轮的材料热处理质量控制和疲劳强度

（1）渗氮齿轮的材料热处理质量控制渗氮齿轮的材料热处理质量分级控制与检验项目及规定见表8-9。

表8-9 渗氮齿轮的材料

（续)

① 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。

② 渗氮齿轮抗过载能力较低，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，晶界有形成连续网状氮化物的可能，使用这种钢材，应在热处理时列出特别注意事项。

③ 含铝渗氮钢或类似钢材，只限于ML与MQ。这类材料的齿根应力值σFlim限制：对于ML级，250MPa以下；对于MQ级，340MPa以下。

④ 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。

（2）渗氮齿轮的疲劳强度等级按表8-9进行质量分级控制的渗氮齿轮相应的接触疲劳强度与弯曲疲劳强度等级如图8-9和图8-10所示。

图8-9 渗氮及氮碳共渗钢齿轮的接触疲劳强度σHlim

a）渗氮钢：调质后气体渗氮 b）调质钢：调质后气体渗氮 c）氮碳共渗钢：氮碳共渗

注：建议进行工艺可靠性试验。要求有适当的硬化层深度。

图8-10 渗氮及氮碳共渗钢齿轮的弯曲疲劳强度σFlim和σFE

a）渗氮钢：调质后气体渗氮 b）调质钢：调质后气体渗氮 c）氮碳共渗钢：氮碳共渗

注：建议进行工艺可靠性试验。对齿面硬度＞750HV1，当白亮层厚度超过10μm时，

由于脆性，许用弯曲强度σFE会减低。要求有合适的硬化层深度

齿轮材料热处理质量控制与疲劳强度优化

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