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(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 712000)

0 引言

大型低速重載齒輪在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，由于齒面接觸疲勞原因，導(dǎo)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(diǎn)蝕或剝落。為解決這一問(wèn)題，作者從以下三個(gè)方面闡述接觸疲勞抗力因素：

1 冶金質(zhì)量

材料中的非金屬夾雜物等結(jié)構(gòu)缺陷，尤其是脆性?shī)A雜物對(duì)接觸疲勞壽命的影響很大。因?yàn)榉墙饘賷A雜物常以機(jī)械混合物的形態(tài)出現(xiàn)在材料中，而其特性又與鋼鐵有較大的區(qū)別，所以它既破壞了周邊鋼鐵基體的均勻、連貫，還會(huì)在此處引起機(jī)械應(yīng)力聚集，從而形成了勞損源。在外力作用下，常常隨著夾雜質(zhì)與周邊金屬材料基體之間的界面斷裂，從而產(chǎn)生疲勞斷裂。在某些條件下，夾雜物質(zhì)還會(huì)促進(jìn)斷裂的延伸，因而進(jìn)一步減少了疲勞壽命。夾雜質(zhì)的特性、大小、數(shù)量、形態(tài)、布局等不同，對(duì)疲勞壽命的影響也不同。硬而脆的夾雜質(zhì)，其外形成棱角狀，對(duì)疲勞壽命的威脅很大；較軟、塑性較好的夾雜質(zhì)威脅則相對(duì)小；較粗的夾雜質(zhì)對(duì)低周高應(yīng)力疲勞，有促進(jìn)疲勞斷裂延伸的效果；當(dāng)夾雜質(zhì)集中分布，且數(shù)量比較多時(shí)是，對(duì)勞損生命的威脅更大；當(dāng)夾雜質(zhì)位于零件表層時(shí)，如表面出現(xiàn)應(yīng)力集中時(shí)，影響則最強(qiáng)烈。以礦山機(jī)械中低速重載齒輪為例，破壞較為嚴(yán)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(yīng)力大小有關(guān)。接觸應(yīng)力高時(shí)，粗糙度影響較大。實(shí)踐表明，表面硬度越高的齒輪，往往必須經(jīng)過(guò)精磨等工序以提高粗糙度，更能進(jìn)一步提高接觸疲勞壽命。

3 熱處理組織狀態(tài)

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(shù))。但是對(duì)于大型低速重載齒輪該計(jì)算方法不太恰當(dāng)。因?yàn)槿绻紤]齒面剝落因素，硬化層與芯部的交界處成為重要研究參數(shù)。準(zhǔn)確的滲碳層深度不僅與齒輪承受的接觸應(yīng)力大小相關(guān)，而且與芯部硬度、齒輪模數(shù)大小都有關(guān)系。下面介紹國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家實(shí)際滲碳層t計(jì)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(jié)圓處直徑； A—中心距； RH—接觸應(yīng)力； i—速比,可以把上式簡(jiǎn)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(guó)奔斥公司：t=0.15～0.2m；

(4)日本靜崗大學(xué)石田博士提出：t≥3.15b，b是接觸寬度之半；

(5)結(jié)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(xué)顯微鏡下用硝酸酒精腐蝕后測(cè)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(quán)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(cè)到規(guī)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(guān)。

作者試驗(yàn)了兩種常用齒輪材料，即18Cr2Ni4WA和30CrMnTi。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：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(shí)間的加長(zhǎng)，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(huì)降低有效硬化層深度。以MXP-240太陽(yáng)輪為例，設(shè)計(jì)要求滲碳層1.0mm，實(shí)測(cè)0.8 mm，解剖成品實(shí)測(cè)有效硬化層深度0.2～0.6 mm，見(jiàn)表1，所以應(yīng)嚴(yán)格區(qū)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(guò)深的增加，因?yàn)橛行в不瘜由疃冗^(guò)深會(huì)使：

(1)增加脆性，特別模數(shù)較小時(shí)；

(2)齒面喪失有益的壓應(yīng)力；

(3)降低芯部韌性，使彎曲強(qiáng)度下降；

(4)增加生產(chǎn)成本。

那么怎樣設(shè)計(jì)最佳有效硬化層深度是擺在我們面前的一個(gè)難題。應(yīng)該根據(jù)齒輪受力條件來(lái)設(shè)計(jì)。從應(yīng)力分析知道，不產(chǎn)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(guò)渡區(qū)某處的硬度分布應(yīng)滿足上式，而有效硬化層深度測(cè)至HV550，所以不發(fā)生齒面剝落的有效硬化層深度應(yīng)滿足：

550≥10.9τ45°，即τ45°≤494.9(MPa)。

實(shí)際接觸處的接觸應(yīng)力是三向壓應(yīng)力，除了上述的Rz外，還有Rx、Ry。依據(jù)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(yīng)力(τ45°)

注 1 由式(5)知，模型(9)—(10)需m+n+p個(gè)神經(jīng)元。又由式(7)和式(10)知，模型(9)—(10)僅為單層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

(1)

從(1)式中看到，τ45°是深度z的函數(shù)，依傳遞載荷及齒輪參數(shù)，計(jì)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(shù)角度考慮的，如果再加上齒輪本身的應(yīng)力狀態(tài)，設(shè)計(jì)有效硬化層深度應(yīng)有一個(gè)安全系數(shù)n，即：

t=n×z494.9

3.2 碳化物

碳化物的形態(tài)、數(shù)量、大小及分布狀態(tài)是相當(dāng)重要的一個(gè)指標(biāo)。關(guān)于碳化物對(duì)機(jī)械性能的影響。這些缺陷的出現(xiàn)，損害了金屬基體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致應(yīng)力聚集的缺口效應(yīng)，很容易成為金屬疲勞斷裂的主要來(lái)源，從而加速齒面的點(diǎn)蝕或剝離，也容易成為疲勞裂紋的起始源，加速齒面的點(diǎn)蝕或剝落，見(jiàn)圖2。應(yīng)通過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚恚刮慈艹始?xì)小、圓顆粒、均勻地分布在基體中，見(jiàn)圖3。綜合評(píng)級(jí)應(yīng)小于6級(jí)。

3.3 表面碳濃度及馬氏體的含碳量

通常認(rèn)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(guān)，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(yīng)取值中低范圍以內(nèi)。碳含量過(guò)高，攣晶馬氏體的數(shù)量增加，會(huì)產(chǎn)生脆化及裂紋，見(jiàn)圖4。

接觸疲勞損壞主要分為裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展兩個(gè)步驟，產(chǎn)生原理如圖5所示。由于產(chǎn)生裂紋的過(guò)程所占時(shí)間比很大，因此我們將疲勞裂紋的產(chǎn)生作為主要研究對(duì)象，綜合各企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示：按照裂紋產(chǎn)生的位置分類，主要有一下三種情況：

(1)產(chǎn)生與接觸表面的剝落現(xiàn)象，即點(diǎn)蝕；

(2)產(chǎn)生于齒輪次表層的倒錐形馬甸剝落現(xiàn)象；

3.4 馬氏體及殘余奧氏體的級(jí)別

在滲碳層中，若出現(xiàn)殘余奧氏體數(shù)量較多、馬氏體針粗大的現(xiàn)象，則殘余應(yīng)力和強(qiáng)度降低，容易產(chǎn)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(shù)量的殘余奧氏體是有益的。應(yīng)力較低時(shí)，殘余奧氏體不能產(chǎn)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(yīng)力作用下，殘余奧氏體會(huì)發(fā)生變化，但并未產(chǎn)生壓陷現(xiàn)象。基于以上論述，作者認(rèn)為存在一定數(shù)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(yīng)力影響下,殘余奧氏體的熱塑性變形擴(kuò)大了實(shí)際的范圍,從而減少了接觸應(yīng)力；

(2)殘余奧氏體的應(yīng)變硬化與相變強(qiáng)化(應(yīng)變誘發(fā)馬氏體,析出微細(xì)碳化物,形成bcc超細(xì)晶團(tuán))提高切變抗力；

(3)殘余奧氏體的塑性變形和相變導(dǎo)致殘余壓應(yīng)力的增加；

(4)應(yīng)力誘導(dǎo)相變吸收了能量,并導(dǎo)致相變塑性,從而延緩了裂紋的發(fā)盟生與擴(kuò)散；

(5)應(yīng)變誘發(fā)馬氏體比淬火冷卻時(shí)形成的馬氏體有較高的塑性；

(6)未轉(zhuǎn)變的殘余奧氏體對(duì)裂紋的擴(kuò)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(fù)雜,對(duì)其不能做出某種肯定否或否定的評(píng)價(jià),但對(duì)重載齒輪來(lái)講,應(yīng)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(yīng)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(shí)驗(yàn)中，為了降低表面接觸應(yīng)力，增加接觸寬度，表面最好有一較軟的過(guò)渡層。

3.6 芯部硬度

對(duì)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(shí)發(fā)生疲勞裂紋，如果提高芯部硬度或交界處硬度會(huì)使τ45/τY≤0.55，則疲勞裂紋不會(huì)產(chǎn)生。所以說(shuō)，提高芯部硬度是一個(gè)防止接觸疲勞發(fā)生和延長(zhǎng)壽命的有效方法。

隨著技術(shù)的不斷變化，齒輪的芯部硬度的位置也隨著標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行大幅度的變化.見(jiàn)圖6。

但芯部硬度實(shí)際上是選材和熱處理問(wèn)題。因?yàn)闈B碳淬火后A、B、C三個(gè)位置上的硬度均與硬化層無(wú)關(guān)。綜合評(píng)價(jià)一個(gè)齒輪的性能，齒輪芯部硬度不能大幅度地增加，有一個(gè)最佳范圍，下面是各個(gè)企業(yè)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(jī) 30～40HRC

(4)洛礦 35～43HRC

3.7 殘余應(yīng)力

大量實(shí)踐證明：如果零件表面存在著殘余壓應(yīng)力就能增加鋼的疲勞強(qiáng)度，而如果出現(xiàn)了殘余拉應(yīng)力則將減少疲勞強(qiáng)度。如果在疲勞裂紋發(fā)生區(qū)域的過(guò)渡區(qū)有一定的拉應(yīng)力，則會(huì)增大疲勞裂紋形成的可能性。表面殘余應(yīng)力主要在淬火后形成的，由于表層含碳量高，MS 點(diǎn)較低，但芯部MS卻很高。

4 結(jié)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(zhì)量、表面光潔度與接觸精度、熱處理組織狀態(tài)等。可以通過(guò)改善熱處理方式提高使用壽命。