陈国民：齿轮材料和热处理1.ppt

1、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,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,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

2、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,（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

3、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,1.2.3 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。,T,W1,W2,硬度（HV）,T，W1，W2/MPa,图2 齿轮材料的硬度与弯曲疲劳极限的关系 T实际断裂应力； W1、W2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

4、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1/22/3。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：-1光滑试样的弯曲疲劳强度（MPa） -1K缺口试样的弯曲疲劳强度（MPa）,(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,40Mn2 42MnMo 40CrNiM

5、o 40Cr 40B,疲劳极限-1/MPa,非马氏体含量（%）,硬度=42HRC,-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0.61.0mm，喷射速度为58.3m/s，转台每转一圈,将零件转90,一般喷丸共

6、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1.01.3mm），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441Nm，作接触疲劳试验时为362.6Nm。,1.3 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/T 3480-1997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： HG计算齿轮的极限接触应力 H齿轮的计算接触应力 Hlim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：

7、FG计算齿轮的极限弯曲应力 F齿轮的计算弯曲应力 Flim试验齿轮的弯曲疲劳极限 （3）齿轮的强度条件,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/T 8539-2000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10-510-10）。 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

8、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

9、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）,保持适当的有效层深,ME,MQ,ML,HRC,1700 1600 1500 1400 1300 1200,50 55 60 65,500 600 700 800,HV1 ,Hlim/（N/mm2）,图9 渗碳淬火钢的Hlim,心部硬度30HRC 心部硬度25HRC 淬透性J=12mm时28 HRC 心部硬度25HRC 淬透性J=12mm时28 HRC,600 500 400 300 200 100,1200 1000 800

10、600 400 200,ME,MQ,ML,HRC,450 500 600 700 800,50 55 60 65,HV1 ,Flim/(N/mm2),FE/(N/mm2),保证适当的有效层深,注：FE=FlimYST 图11 渗碳淬火钢的Flim和FE,1.4 硬齿面齿轮的应用 齿轮的许用接触应力和许用弯曲应力都随齿轮的强度（硬度）提高而提高，因此，随着齿轮传动参数的提高及加工制造技术的进展，国内外已普遍地采用硬齿面齿轮。硬齿面齿轮的应用不仅大大提高齿轮的承载能力，同时还可取得良好的经济效益（表10）。 表10 转矩2100Nm、其他条件相同情况下软硬齿面齿轮性能参数及经济效益的对比,2 齿轮

11、钢材的选择 2.1 齿轮钢材的合金化 表11 合金元素在钢中的作用 形成碳化物时则降低淬透性,2.2 齿轮钢材的热处理特性 表12 齿轮材料的重要热处理特性,2.3 齿轮钢材的冶金因素 表13 齿轮钢材质量对齿轮强度性能和工艺性能的影响,（1）钢材的纯净度 表14-1 真空脱气炼冶的效果 表14-2 SCM420H钢实物含氧分析,图15 真空脱气精炼的效果,表15 含氧量对冲击韧性的影响 （2）钢材的淬透性 表16 国外几大公司对齿轮钢淬透性带宽的要求,（3）锻件组织 锻件存在两个对以后热处理影响较大的质量问题：一是内部缺陷造成淬火开裂，严重时出现劈裂现象；二是带状组织，带状组织是由于钢锭在凝

12、固过程中形成枝晶偏析而后在轧制中辗成，这种带状组织特别容易造成严重的混晶（图16），同时，微区成分的偏析会形成不均匀的淬火马氏体、残余奥氏体以及渗碳层深度和硬度。 (4)齿轮钢材的冶金质量要求 齿轮钢材的冶金质量不仅影响到产品的机械性能，特别是疲劳性能，而且还影响到齿轮生产过程中的冷热加工性能。所以，对齿轮钢材的冶金质量有各种规定和要求（表17）。,图16 带状组织造成严重的混晶,表17 齿轮钢材的冶金质量要求,2.4 齿轮用钢的选择 （1）调质及表面淬火齿轮用钢 表18 调质及表面淬火齿轮用钢的选择 注：低速、重载大齿轮用钢的类基本上按淬透性划分，可参看表46。,表19 渗碳齿轮用钢的选择 表20 渗氮齿轮