提高重型載貨汽車驅動橋齒輪性能及壽命的途徑

■ 金榮植

重型載貨汽車主動、從動弧齒錐齒輪（見圖1、圖2）是安裝在驅動橋上的一對齒輪副，是汽車齒輪中受力最復雜及工作條件最惡劣的一對傳動齒輪，加上汽車行駛過程中經常遇到道路不平及超載情況等，常發(fā)生早期失效情況，使用壽命偏低，已成為當前汽車制造的瓶頸之一。實踐表明，齒輪的彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度及齒輪的精度三大要素決定了齒輪的使用壽命。對此，可從齒輪的材料選擇、原材料質量控制、鍛造質量控制、滲碳淬火控制，以及采用先進熱處理設備與工藝等入手，提高齒輪的使用性能及壽命。

一、齒輪材料的選擇

1. 選高淬透性22CrMoH鋼

（1）選用淬透性能高的Cr-Mo鋼，如國產22CrMoH鋼（SCM822H），其淬透性能指標為J15＝36～42HRC，可滿足重型汽車齒輪使用性能要求。

（2）為滿足重型汽車齒輪的更高要求，一汽集團公司與國內鋼廠開發(fā)了FAS系列齒輪材料，即FAS3225H鋼、FAS3226H鋼，其淬透性帶寬5HRC，保證了滲碳層強度，穩(wěn)定了齒輪熱處理畸變，晶粒度優(yōu)于7級，以提高滲碳層的疲勞強度，獲得了較好的使用效果。

2. 選用高韌性鎳鋼

目前，主動齒輪廣泛采用Cr-Ni或Cr-Ni-Mo系列含Ni的保證淬透性滲碳鋼種。

（1）17CrNiMo6H鋼。該鋼屬于Cr-Ni-Mo系列齒輪鋼，為強度＞1400MPa的高強度滲碳鋼。其材料的淬透性能指標為J10＝42HRC，J15＝41HRC。晶粒度7～8級。力學性能分別為Rm＝1290MPa，ReL＝945MPa，A＝15%，Z＝60%，KV2＝112J。其沖擊吸收能量優(yōu)于22CrMoH鋼。

圖 1

（2）20CrNiMoH鋼（SAE8620H）。一汽集團公司生產的重型載貨汽車驅動橋主動弧齒錐齒輪廣泛采用20CrNiMoH鋼。在熱處理金相組織控制方面，碳化物0～1級，馬氏體、殘留奧氏體1～3級，齒輪滲碳淬火有效硬化層深度要求1.70～2.10mm，保證了主動弧齒錐齒輪較高彎曲疲勞和接觸疲勞性能的要求。

3. 選用17Cr2Mn2TiH鋼

由國內研制成功的價格低廉的17Cr2Mn2TiH鋼。通過一系列齒輪的臺架試驗，并部分產品投入裝車使用（如153、457等弧齒錐齒輪）。其淬透性能要求如表1所示。

4. 驅動橋弧齒錐齒輪用鋼材料淬透性要求

重型載貨汽車驅動橋弧齒錐齒輪用鋼的材料淬透性能要求，如表2所示。

5. 大載重主動弧齒錐齒輪用鋼

對于13t及以上承載質量的主動弧齒錐齒輪（模數m＞11）用鋼，可根據齒輪產品技術要求選擇含Ni滲碳鋼，如20CrNiMoH、17CrNiMo6H、20CrNi2MoH、21NiCrMo5H及20CrNi3H等。東風汽車公司采用17CrNiMo6H鋼制造的重型驅動橋齒輪臺架試驗平均壽命為40萬次（產品設計要求的疲勞壽命不低于30萬次）。表3為一汽集團公司用3種鋼制造的同一齒輪的彎曲疲勞試驗結果。從表3可以看出，含Ni鋼齒輪具有較高的疲勞壽命。

二、原材料質量控制

1. 純凈度

（1）氧含量。選用滲碳鋼氧含量最好控制在wO＜2× 10-3%。表4為某齒輪廠生產的載貨汽車弧齒錐齒輪選用不同氧含量的鋼材進行臺架壽命試驗結果。從表4可以看出，鋼材原材料氧含量wO從（4～5）× 10-3%降低到1.6×10-4%以后，齒輪臺架疲勞壽命明顯提高。

（2）非金屬夾雜物。按GB/T 10561—2005標準檢驗，A≤2.0級，B≤1.5級，C≤1.0級，D≤1.0級。

2. 帶狀組織

帶狀組織控制在＜3級，更高級控制在≤2級。

3. 淬透性

淬透性包括淬透性能和淬透性帶寬。

（1）淬透性能可參考中國齒輪專業(yè)協(xié)會標準CGMA001-1《車輛滲碳齒輪用鋼技術條件》進行選擇。如20CrMnTiH鋼淬透性能由高向低分為4種，即20CrMnTiH1～20CrMnTiH4；20CrNiMoH鋼分為兩種，即20CrNiMoH1及20CrNiMoH2?；騾⒄找黄?、東風汽車公司等大廠相關鋼材技術標準及產品技術要求進行選擇。

表1 17Cr2Mn2TiH鋼淬透性能要求

表2 弧齒錐齒輪用鋼的材料淬透性能要求

表3 齒輪的彎曲疲勞試驗結果

表4 齒輪臺架疲勞壽命試驗

（2）淬透性帶寬。較高要求淬透性帶≤7HRC，更高要求≤5HRC。保證同一批鋼材的淬透性能最大離散度不大于4HRC。

4. 晶粒度

晶粒度優(yōu)于或等于6級。

三、鍛造質量的控制

齒輪鍛件棒料采用中頻感應加熱均勻；嚴格控制始鍛、終鍛溫度，可采用遠紅外測溫儀監(jiān)控；齒輪鍛造比一般選擇3～5。

1. 鍛件預備熱處理的控制

齒輪鍛坯優(yōu)先采用等溫正火生產線，所確定的奧氏體化溫度應高于后續(xù)進行的滲碳溫度。

2. 等溫正火技術要求

（1）硬度。鍛件正火硬度控制在160～190HBW；硬度散差，一批次≤15HBW，單件≤5HBW。

（2）金相組織。均勻塊狀先共析鐵素體+均勻片狀珠光體；魏氏體組織0級；無粒狀貝氏體組織；帶狀組織＜3級；晶粒度優(yōu)于或等于6級，控制混晶現象。

四、滲碳淬火的控制

重型載貨汽車弧齒錐齒輪熱處理采用滲碳淬火、回火工藝。主動、從動弧齒錐齒輪滲碳淬火有效硬化層深度要求：1.70～2.10mm。表面與心部硬度分別為58～63HRC和35～45HRC；碳化物、馬氏體及殘留奧氏體級別均≤5級。

（1）滲碳熱處理設備的選用 優(yōu)先采用連續(xù)式滲碳自動生產線和密封箱式滲碳爐及其自動生產線，實現滲碳過程自動化控制，從而保證齒輪熱處理質量。

（2）熱處理指標 齒輪代表性（工作）表面硬度60～63HRC；輪齒心部硬度35～45HRC（一汽公司進行的試驗結果，心部硬度為41HRC時彎曲疲勞壽命最高）；滲碳淬火有效硬化層深度1.8～2.2mm；金相組織為碳化物2～3級，馬氏體2～3級，殘留奧氏體10%～25%（體積分數），表面非馬氏體層深度＜20μm，心部組織為低碳馬氏體組織、無塊狀鐵素體組織。

五、增強齒輪滲層接觸疲勞強度

齒輪滲碳件在服役過程中承受接觸壓應力時，易出現滲碳層剝落形式的接觸疲勞破壞。相關分析表明，這種裂紋往往起源于滲層的過渡區(qū)，其形成原因是相嚙合的齒輪所產生的最大切應力作用于表層下一定的深處，如果滲碳層過薄、心部硬度不足，就容易引起接觸疲勞破壞。對此，可通過增加滲層深度或提高心部強度（硬度）的方法，以及采用以上兩種方法同時并舉的方式，可以達到增強齒輪滲層接觸疲勞強度的目的。

六、先進設備與工藝的應用

1.中冷連續(xù)式滲碳自動生產線的應用

（1）當主動齒輪采用含Ni量較高材料進行滲碳淬火時，可采用中冷連續(xù)式滲碳爐，通過二次加熱淬火減少滲碳層組織中的殘留奧氏體含量，并使奧氏體晶粒得到細化，獲得更加細小的晶粒度和顯微組織。東風汽車公司試驗證明，20CrNi2MoH鋼經二次加熱淬火處理后，晶粒度由7～9級提高至9級，彎曲疲勞強度由560MPa提高至800MPa，馬氏體為2級，殘留奧氏體為1～2級，心部硬度為45HRC。

（2）當材料出現混晶時，可采用中冷連續(xù)式滲碳爐，通過二次加熱淬火工藝細化晶粒，消除混晶現象，最終得到合格的馬氏體組織。

2. 稀土滲碳技術的應用

采用稀土滲碳技術，在高碳勢（1.25%～1.4%）下滲碳，表面碳濃度既使達到很高，但表層的碳化物形態(tài)和分布十分良好——細小而均勻分布，并且減少齒輪表面非馬氏體層，增加滲碳齒輪表面殘余壓應力。稀土滲碳齒輪疲勞強度試驗結果表明，稀土滲碳可以大幅提高齒輪彎曲疲勞強度及接觸疲勞強度，具體見表5。

例如，材料為20CrMnTiH3鋼的CA-457型“解放”牌重載汽車后橋從動弧齒錐齒輪，滲碳淬火及回火采用雙排連續(xù)式滲碳自動生產線。齒輪原滲碳工藝（未加稀土）與稀土滲碳工藝參數對比見表6。通過表6可以看出，采用稀土滲碳工藝后，推料周期由原工藝38min縮短至30min，每一盤齒輪在爐內加熱時間減少了6h，不僅減小了齒輪畸變，而且提高了滲碳質量。

3.采用噴丸強化技術

噴丸強化不同于噴丸清理，是一種受控噴丸技術。

噴丸強化使?jié)B碳齒輪表面加工硬化，并改善了非馬氏體組織的不良影響，顯著提高了齒輪表面的殘余壓應力，從而提高了齒輪的疲勞壽命。

采用噴丸強化來提高齒輪彎曲疲勞強度，尤其是齒根附近的強化處理。應確保彈丸直徑小于齒根圓弧半徑的一半。某一試驗SCM420鋼齒輪的滲碳檢驗結果及噴丸處理參數見表7。

試驗證明，當采用硬度為53～55HRC、噴射速度為90～100m/s的鋼丸進行強化噴丸時，殘余應力峰值達到1080MPa。與滲碳淬火后不進行噴丸的齒輪相比，實施強化噴丸的齒輪在破壞概率為10%時的彎曲疲勞強度提高48%。

例如，一汽公司采用德國產TR5SVR-1型應力噴丸設備，對滲碳淬火、回火后的載貨汽車后橋主動、從動弧齒錐齒輪（材料為22CrMoH鋼）進行噴丸處理，獲得了較好的強化效果。其噴丸工藝為：采用直徑為0.80mm鋼丸，噴丸時間為9min，噴丸速度為2800r/min。

噴丸強化處理后齒輪表層組織得到了細化，表層的殘留奧氏體含量比未經噴丸處理工件的殘留奧氏體含量要低10%左右，在距離表面0.15mm范圍內，變化量比較明顯；經強化噴丸處理后的齒輪表面硬度提高了0.5～2HRC，顯著提高了齒輪的疲勞強度與使用壽命。

表5 稀土滲碳齒輪的彎曲疲勞與接觸疲勞壽命試驗

表6 齒輪原滲碳工藝（未加稀土）與稀土滲碳工藝參數對比

表7 SCM420鋼齒輪的滲碳檢驗結果及噴丸處理參數