陈国民：齿轮材料和热处理.ppt

齿轮材料和热处理1齿轮设计中的材料热处理1.1齿轮内在品质设计总则齿轮零件设计中的一项重要任务就是如何保证其内在质量，即保证齿轮的使用性能和寿命，同时以合适的成本加工制造出来。因此，就涉及到齿轮材料和热处理工艺方法的合理选择问题。图1是这种设计过程示意图。图1齿轮材料热处理工艺的选择加工性能经济性材料选择服役条件失效形式失效抗力性能指标热处理工艺（组织性能）设计技术要求1.2齿轮受力状态及损坏特性1.2.1啮合齿面间的摩擦力及齿面磨损（1）减少非热影响引起的磨损（2）减少摩擦热而引起的胶合磨损表1齿轮的磨损种类、受力及破坏特征磨损类型载荷及运行情况表面破坏特征齿轮类型举例氧化磨损各种大小载荷及各种滑动速度氧化膜不断形成，又不断剥落，但磨损速度小，一般为0.1～0.5μm/h；齿面均匀分布着细致磨纹各类齿轮冷胶合磨损高载荷、低滑动速度，一般v＜1m/s局部金属直接接触、粘着，不断从齿面撕离；磨损速度较大，一般为10～15μm/h；齿面有严重伤痕低速重载齿轮热胶合磨损高载荷、高滑动速度，一般v＞1m/s高的摩擦热使润滑油膜失效，金属间直接接触，发生粘着和撕离；磨损速度一般为1～5μm/h；齿面伤痕重高速重载齿轮磨粒磨损各种大小载荷及各种滑动速度各种磨粒进入啮合齿面，嵌入形成切刃或直接切割齿面，磨损速度0.5～5μm/h；齿面有磨粒刮伤纹矿山、水泥、农机等齿轮及各类开式齿轮1.2.2啮合齿面的接触应力及接触疲劳（1）齿面疲劳破坏的主要形式齿轮的接触疲劳破坏是由于作用在齿面上的接触应力超过了材料的疲劳极限而产生的。其破坏形式和特征见表2。表2齿面接触疲劳破坏特征特征点蚀剥落浅层深层疲劳坑深度浅较深深发生过程缓慢逐渐突然一般形貌V形V形U形分布情况多个齿较少齿少数齿裂纹方向与表面呈锐角与表面呈45°角与表面垂直裂纹源表面硬化层内硬化层与心部交界处（2）影响接触疲劳强度的重要因素1）钢中非金属夹杂物一般来说，塑性夹杂物影响较小，脆性夹杂物危害最大，球状夹杂物的影响介于二者之间。采用净化冶炼钢材是提高齿轮接触疲劳寿命的有效方法。2）钢材的纤维流向表3的试验数据给出了钢材纤维流向对接触疲劳寿命的影响。据此，应当重视齿轮锻造或压延毛坯的纤维流向分布。3）齿面脱碳渗碳齿轮的失效分析表明，当齿面贫碳层为0.2mm、表面含碳量w（C）为0.3%～0.6%时，70%左右的疲劳裂纹起源于贫碳层。4）黑色组织黑色组织是齿轮在渗碳和碳氮共渗处理时容易产生的一种缺陷组织，当其深度达到一定程度时，就会对接触疲劳寿命产生不利影响。表3钢材的纤维流向与接触疲劳寿命的关系类型工作面与纤维流向夹角寿命比Ⅰ0°2.5Ⅱ45°1.8Ⅲ90°1.01.2.3齿轮的弯曲应力及弯曲疲劳齿轮的弯曲疲劳破坏是齿根部受到的最大振幅的脉动或交变弯曲应力超过了齿轮材料的弯曲疲劳极限而产生的。提高齿轮弯曲疲劳强度的基本途径是提高齿根处材料的强度（硬度）及改善应力状态。图2所示为齿轮材料的硬度与双向和单向弯曲疲劳极限之间的关系。σTσW1σW2硬度（HV）σT，σW1，σW2/MPa图2齿轮材料的硬度与弯曲疲劳极限的关系σT—实际断裂应力；σW1、σW2—分别为单向和双向弯曲疲劳强度影响齿轮弯曲疲劳强度的重要因素如下。（1）非金属夹杂物非金属夹杂物作为微形缺口、引起应力集中而使弯曲疲劳强度降低。（2）表面脱碳表面脱碳将使弯曲疲劳极限降低，特别对于表面硬度高的齿轮，可使弯曲疲劳极限降低1/2～2/3。表4是三种合金结构钢表面脱碳对弯曲疲劳的影响。表4表面脱碳对钢弯曲疲劳极限的影响注：σ-1—光滑试样的弯曲疲劳强度（MPa）σ-1K—缺口试样的弯曲疲劳强度（MPa）表面状况40CrNi340CrMo40Crσ-1σ-1Kσ-1σ-1Kσ-1σ-1K28HRC未脱碳570295501275535288脱碳30217222013024015848HRC未脱碳837474714453760489脱碳240172213151199130(3)金相组织淬火钢表层含有5%的非马氏体（体积分数）组织时，弯曲疲劳极限将降低10%。图3是非马氏体组织对弯曲疲劳极限的影响。对于马氏体组织，只有经过适当回火后才有良好的疲劳性能。图3非马氏体组织对疲劳极限的影响40Mn242MnMo40CrNiMo40Cr40B疲劳极限σ-1/MPa非马氏体含量（%）硬度=42HRCσ-1/MPa压应力层深度/裂纹深度（4）残余压应力试验表明，当材料中已存在微细裂纹时，残余压应力可抑制裂纹的扩展；而当残余压应力层深约为裂纹深度的5倍时即可消除裂纹的影响，见图4。图4残余压应力对弯曲疲劳极限的影响齿根喷丸强化可以有效地提高弯曲疲劳强度，见表5，这与表层形成有利的残余压应力有密切关系。表5喷丸工艺对汽车变速箱渗碳齿轮弯曲疲劳及接触疲劳性能的影响注：1.喷丸工艺：喷丸在转台喷丸机上进行，铁丸尺寸为Ф0.6～Ф1.0mm，喷射速度为58.3m/s，转台每转一圈,将零件转90°,一般喷丸共喷四圈，强化喷丸喷八圈。2.齿轮用20Mn2TiB钢制造，经气体渗碳（层深1.0～1.3mm），淬火及回火。3.试验在封闭式变速箱试验台上进行，中间轴挂一档作运转试验，以中轴一档齿轮的损伤为寿命的标准。第一轴转速1450r/min，第一轴转矩：作弯曲疲劳试验时为441N·m，作接触疲劳试验时为362.6N·m。喷丸工艺弯曲疲劳试验接触疲劳试验寿命范围周次（×106）平均寿命周次（×106）寿命比寿命范围周次（×106）平均寿命周次（×106）寿命比不喷丸0.167～1.830.751.003.15～4.413.851.00一般喷丸2.16～2.762.463.281.88～2.212.080.54强化喷丸2.19～4.413.244.324.89～5.205.061.311.3齿轮疲劳强度与材料热处理质量等级1.3.1齿轮的疲劳强度按GB/T3480-1997齿轮承载能力的计算公式（1）接触疲劳强度其安全系数式中：σHG——计算齿轮的极限接触应力σH——齿轮的计算接触应力σHlim——试验齿轮的接触疲劳极限（2）弯曲疲劳强度其安全系数式中：σFG——计算齿轮的极限弯曲应力σF——齿轮的计算弯曲应力σFlim——试验齿轮的弯曲疲劳极限（3）齿轮的强度条件HLNTHlimHHHZZSGFLNTFlimFFFZZSGHSHminSFSFminSHSHminSFSFminSHSHminSFSFminSHSHminSFSFminSHminHSSFminFSS通常，齿轮材料热处理标准仅在于本身的质量控制和检验，而齿轮的承载能力则主要根据经热处理后齿轮的硬度这单一的参数来计算，显然忽略了材料和热处理质量对强度的影响。GB/T8539-2000《齿轮材料及热处理质量检验的一般规定》这一标准将齿轮疲劳强度与材料热处理质量等级密切地结合了起来（表10-5～10-10）。该标准的基本结构是将齿轮承载能力分为三个档（级别），即高、中、低，不同档次对应不同的材料热处理质量。高、中、低档分别以ME、MQ、ML来表示。ML表示对齿轮加工过程中材料质量和热处理工艺的一般要求；MQ表示有经验的制造者在通常成本下可达到的质量等级；ME表示必须具有高可靠度的制造过程控制才能达到的等级。（MX仅表示调质合金钢对淬透性及金相组织有特殊考虑时的要求。）标准以调质钢、渗碳钢、渗氮钢、表面淬火钢及铸铁分别列表，按不同强度等级提出检验项目与相应的指标。同时有对应的接触疲劳极限和弯曲疲劳极限曲线图，在图中，给出与材料热处理质量等级对应的三条线（ME、MQ、ML）。以标准提供的质量等级表和相应的疲劳极限曲线图为基础进行齿轮承载能力的设计，既可保证其可靠性，又能照顾到经济合理性。若疲劳极限要求上限时，各项指标按ME检验，其中包括材料成分、冶金质量、性能指标、热处理参数等都有严格的要求；若疲劳极限要求低为ML时，则对材料热处理的质量检验要求也就比较低；MQ要求则介于以上两者之间。表9表面硬化钢一经渗碳（碳氮共渗）（锻打或轧制）序号项目MLMQME1化学成分不检验100%跟踪原始坯锭，提交检验报告对同一批坯锭取样检验，提交检验报告2淬透性（按GB/T225检验）不检验3纯度及冶炼钢材在钢包中脱氧及精炼处理，并经真空脱气，浇铸过程应有防氧化措施，除非用户要求，否则止故意加钙。最大氧含量25ppm，按GB/T10561方法B检验Ⅱ区纯度，检验面积近200mm2.下表为夹杂物级别。ABCD细系粗系细系粗系细系粗系细系粗系MQ3.03.02.51.52.51.52.01.5ME3.02.02.51.51.01.01.51.04锻造比1）不规定至少3倍5晶粒度不规定5级或更细晶粒，提交检验报告6粗车状态超声波探伤不规定推荐。对于大直径工件在切齿前检查缺陷要求。五件以上产品可抽查方法同表6（调质钢7.1项）7表面硬度7.1工件代表性表面硬度2）最低55HRC或73HR30Ｎ，抽查。58～64HRC或75.7～81.1HR30N,抽查58～64HRC或75.7～81.1HR30N,同炉热处理件数≤5时全部检查，否则抽查7.2模数≥12mm时齿宽中线齿根区域的表面硬度不规定满足图样要求，抽查代表性试样满足图样要求，全部检查或检验代表性试样d30°8心部硬度21HRC以上25HRC以上35HRC以上推荐测量位置：齿宽中部齿根30°切线的法向上，深度为5倍硬化层深，但不小于1倍模数。可按技术条件要求，或采用供需双方协议的检查方法进行检测。9有效硬化层深度（按GB/T9450检验）用代表性试样检查或类似齿轮的同模数齿块10至表面硬度降（在有效硬化层深度范围内，次层最高硬度与表面硬度之差。）不规定对于工件或代表性试样，硬度降低不超过2HRC。当精加工状态硬度650HV以上时，硬度降低限制在40HV以下硬度降低不能超过30HV11各种显微组织检查均可按GB/T8539中的代表性试样上进行。这种检查对MQ任意，对ME必须检查（对ML不要求）11.1表面含碳量限制不规定共析碳含量加+0.2～-0.10%，建议代表性试样中以细针马氏体为主，11.2表面含氮量（碳氮共渗）不检查按技术条件要求，一般含氮量不超过0.3%。11.3碳化物允许有半连续状碳化物网允许有断续的碳化物，对于代表性试样，所有碳化物长度不超过0.02mm弥散状碳化物，检验代表性试样可按各行业标准执行11.4残余奥氏体（对代表性试样金相法检查）不规定25%以下25%以下且细小弥散可按各行业标准执行11.5表面非马氏体（IGO）不规定渗层深度,e(mm)IGO（μm）e≤0.75170.75＜e≤1.50251.50＜e≤2.25382.25＜e≤3.0050e＞3.0060渗层深度,e(mm)IGO（μm）e≤0.75120.75＜e≤1.50201.50＜e≤2.25202.25＜e≤3.0025e＞3.0030若超差，可与用户协调采用控制喷丸进行补救。1212.112.213表面裂纹（在不影响齿轮完整性并经用户同意可去除表面缺陷3））齿部磁粉探伤3）心部显微组织（位置同第8项）不允许有裂纹。用磁粉或着色渗透探伤法抽查不规定不规定不允许有裂纹，磁粉探伤抽查率应达到50%模数，mm缺陷最大尺寸，mm≤2.51.6＞2.5～82.4＞83.0按行业有关标准执行不允许有裂纹，100%磁粉探伤，批量≥5件可抽查。抽查率高于MQ模数，mm缺陷最大尺寸，mm≤2.50.8＞2.5～81.6＞82.4不允许有块状游离铁素体注：1）见表6注3）；2）由于尺寸和工艺的差别，齿根硬度可能略低于齿面硬度，允许值可由供需双方协商；3）在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有裂纹、爆裂、折皱。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去除。保持适当的有效层深MEMQMLHRC17001600150014001300120050556065500600