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滲氮處理是指一種在一定溫度下一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。經(jīng)滲氮處理的制品具有優(yōu)異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫的特性，增加鋼件的耐磨性、表面硬度、疲勞極限和抗蝕能力。依據(jù)ISO6336-5標(biāo)準(zhǔn)，在允許的滲氮層深度范圍內(nèi)，疲勞極限為一定值，具體影響程度不詳。齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度是評(píng)價(jià)齒輪承載能力的一個(gè)重要指標(biāo)，也是齒輪設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)不同滲氮層深度齒輪彎曲疲勞壽命以及影響因素開展研究，以達(dá)到提高齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度的目的，進(jìn)而提高齒輪的承載能力。

 

1.試驗(yàn)齒輪

（1）齒輪材料及參數(shù)

齒輪材料為42CrMo（滲氮）。試驗(yàn)齒輪的參數(shù)和精度：模數(shù)m=5mm，螺旋角β=0º，齒寬b=20mm，壓力角α=20º，應(yīng)力修正系數(shù)Y_st=2.0，齒根圓角參數(shù)q_s=2.5，齒根圓角粗糙度R_z≤10μm，精度為ISO1328-1：1995的5級(jí)。

 

（2）齒輪加工工序及相關(guān)指標(biāo)

滲氮齒輪的工藝流程為：下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→滾齒→精加工→磨齒→滲氮→裝配。調(diào)質(zhì)硬度要求290～330HBW。為了獲得兩種不同滲氮層深度的齒輪，齒輪分兩批次滲氮，其余工序相同。滲氮采用氣體滲氮，滲氮工藝溫度520～530℃。

 

滲氮后相關(guān)指標(biāo)及試樣1/2齒高處檢測(cè)結(jié)果如下：

 

表1  淺層、深層滲氮后試樣1/2齒高處檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè) 項(xiàng)目	層深 /mm	表面硬 度/HV	白亮層深度 /mm（≤0.025mm）	滲層氮化級(jí)別 /級(jí)（≤3級(jí)）	晶粒度級(jí) 別/級(jí)
淺層深	0.35	692	0.0096	2	7.0
深層深	0.63	628	0.0175	3	7.5

2.試驗(yàn)方案

根據(jù)GB/T3480中規(guī)定：“齒輪輪齒彎曲疲勞可由（齒輪）脈動(dòng)（彎曲受載）試驗(yàn)或齒輪符合運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，或由使用經(jīng)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出”。

 

根據(jù)GB/T 14230中的相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)齒輪隨機(jī)抽取，目的是為了提高試驗(yàn)結(jié)果的可信度，并使試驗(yàn)結(jié)果能夠反映該種齒輪的承載能力。按照GB/T 14230中B試驗(yàn)法，采用了齒輪彎曲試驗(yàn)設(shè)備對(duì)輪齒進(jìn)行單齒脈動(dòng)加載試驗(yàn)，加載至輪齒出現(xiàn)裂紋或失效后停止試驗(yàn)，得出在此應(yīng)力下的循環(huán)應(yīng)力次數(shù)即壽命數(shù)據(jù)。為了充分利用有限的試件，應(yīng)安排盡可能多的試驗(yàn)齒對(duì)，同時(shí)保證同一應(yīng)力水平的被試齒來(lái)自各個(gè)齒輪，但所選取的輪齒與進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)的輪齒（包括用以支承的輪齒）間隔不少于一個(gè)齒。

 

采用升降試驗(yàn)法和成組試驗(yàn)法相結(jié)合的試驗(yàn)方法，短壽命區(qū)采用了恒定應(yīng)力水平成組試驗(yàn)法確定疲勞曲線的傾斜段方程，長(zhǎng)壽命區(qū)采用了升降試驗(yàn)法確定疲勞試驗(yàn)水平段方程。根據(jù)GB/T 14230要求，試驗(yàn)中，若出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，都應(yīng)判為彎曲失效：①輪齒齒根出現(xiàn)可見(jiàn)疲勞裂紋。②載荷或頻率下降了5％～10％。③沿齒根斷齒。

 

齒輪在各種可靠度時(shí)的極限應(yīng)力值是根據(jù)齒輪疲勞試驗(yàn)所得的應(yīng)力壽命樣本，經(jīng)過(guò)分析處理得到的，本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理原則上是按GB/T14230和GB/T24176所給的方法進(jìn)行的。為了更精確計(jì)算，短壽命區(qū)采用了三參數(shù)威布爾分布來(lái)描述齒輪壽命的離散性，長(zhǎng)壽命區(qū)的疲勞極限強(qiáng)度分布按正態(tài)分布處理，齒輪彎曲疲勞曲線傾斜段方程（在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中為直線方程）的形式為mlogσ_Flim＋logN＝logC，式中N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（即壽命），σ_Flim對(duì)應(yīng)于N的疲勞極限，m為方程指數(shù)，C為方程常數(shù)。

 

3.疲勞測(cè)試數(shù)據(jù)

淺層滲氮在長(zhǎng)壽命區(qū)的升降法測(cè)試數(shù)據(jù)及升降圖如表2、圖1所示。

 

表2 淺層滲氮齒輪的升降法測(cè)試數(shù)據(jù)

試樣 序號(hào)	應(yīng)力 /MPa	壽命 /次	試樣 序號(hào)	應(yīng)力 /MPa	壽命 /次
1	499	80300	9	499	37800
2	452	3000000	10	452	3000000
3	499	55000	11	499	32700
4	452	3000000	12	452	3000000
5	499	61600	13	499	43700
6	452	3000000	14	452	43800
7	499	25700	15	406	3000000
8	452	3000000	16	452	3000000

 

圖1 淺層滲氮齒輪的升降圖

 

淺層滲氮齒輪在短壽命區(qū)的成組法測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

 

表3 淺層滲氮齒輪的成組法測(cè)試數(shù)據(jù)

應(yīng)力級(jí)	I	II	III	IV
應(yīng)力/MPa	641	593	546	499
序數(shù)	疲勞壽命/次
1	9000	15000	17100	80300
2	8300	12400	14800	55000
3	8900	12800	19600	61600
4	8800	12100	16900	25700
5	9000	13000	15600	37800
6	—	—	—	32700
7	—	—	—	43700

淺層滲氮齒輪彎曲疲勞方程參數(shù)及彎曲疲勞極限數(shù)據(jù)及S-N曲線如表4、圖2所示。

 

表4  淺層滲氮齒輪彎曲疲勞方程參數(shù)及彎曲疲勞極限（95%置信度）

可靠度 （%）	方程底 數(shù)logm	方程常 數(shù)logC	相關(guān)系 數(shù)R2	彎曲持久 疲勞極限/MPa	疲勞曲線拐點(diǎn) 的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)Nc
90	6.409	21.656	1.0	437	54095
95	6.409	21.600	1.0	430	52735
99	6.409	21.491	1.0	415	51515
99.9	6.409	21.368	1.0	398	50740

圖2 淺層滲氮齒輪彎曲疲勞S-N曲線

 

深層滲氮齒輪在長(zhǎng)壽命區(qū)的升降法測(cè)試數(shù)據(jù)及升降圖如表5、圖3所示。

 

表5 深層滲氮齒輪的升降法測(cè)試數(shù)據(jù)

試樣 序號(hào)	應(yīng)力 /MPa	壽命 /次	試樣 序號(hào)	應(yīng)力 /MPa	壽命/次
1	499	3000000	10	546	11400
2	546	3000000	11	499	3000000
3	593	15100	12	546	12000
4	546	14100	13	499	3000000
5	499	3000000	14	546	3000000
6	546	31300	15	593	9100
7	499	3000000	16	546	10300
8	546	11500	17	499	13500
9	499	3000000	18	452	3000000

 

圖3 深層滲氮齒輪的升降圖

 

深層滲氮齒輪在短壽命區(qū)的成組法測(cè)試數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 深層滲氮齒輪的成組法測(cè)試數(shù)據(jù)

應(yīng)力級(jí)	I	II	III
應(yīng)力/MPa	737	689	641
序數(shù)	疲勞壽命/次
1	4900	5700	8800
2	5300	6400	9000
3	5000	5900	9200
4	4800	5800	8400
5	5500	6100	9900

深層滲氮齒輪彎曲疲勞方程參數(shù)及彎曲疲勞極限數(shù)據(jù)及S-N曲線圖如表7、圖4所示。

 

表7 深層滲氮齒輪彎曲疲勞方程參數(shù)及彎曲疲勞極限（95%置信度）

可靠度 （%）	方程底 數(shù)logm	方程常 數(shù)logC	相關(guān)系 數(shù)R2	彎曲持久 疲勞極限/MPa	疲勞曲線 拐點(diǎn)的應(yīng)力 循環(huán)次數(shù)Nc
90	4.124	15.441	1.0	472	26055
95	4.124	15.424	1.0	458	28209
99	4.124	15.390	1.0	432	33189
99.9	4.124	15.352	1.0	403	40668

 

圖4 深層滲氮齒輪彎曲疲勞S-N曲線

 

（a）有效滲氮層深標(biāo)準(zhǔn)      （b）彎曲疲勞極限數(shù)據(jù)

圖5 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO6336-5中滲氮層深及彎曲疲勞極限數(shù)據(jù)

 

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可看出，滲氮層深度增加彎曲疲勞極限也增加，當(dāng)滲氮層深度由下限0.3mm左右增加至0.6mm以上時(shí)， 99%可靠度下的彎曲疲勞極限由415MPa增加至432MPa，增幅僅為4.1%。淺層、深層滲氮齒輪均達(dá)到了ISO6336-5中調(diào)質(zhì)鋼MQ級(jí)（約365MPa），深層滲氮齒輪已基本達(dá)到ME級(jí)（約435MPa）。

 

4.失效齒輪分析

由于疲勞壽命的離散性特征，選擇多組輪齒進(jìn)行檢測(cè)硬度、組織，檢測(cè)位置為齒根圓角處，選擇有代表性數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，具體數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 失效輪齒齒根處的熱處理方面檢測(cè)數(shù)據(jù)

 

由上述檢測(cè)結(jié)果可看出，通過(guò)測(cè)試的齒硬度、組織較為均勻，未通過(guò)測(cè)試的齒表層和心部硬度、組織不均勻，較高的表面硬度、心部硬度，較好的硬度、組織均勻性有利于疲勞壽命提高。

 

分別取深層滲氮后通過(guò)和未通過(guò)疲勞測(cè)試的齒，檢測(cè)齒寬中部齒根處殘余應(yīng)力，測(cè)試位置如圖6所示，測(cè)試方法采用X射線衍射儀使用固定Ψ0法對(duì)試樣的（211）衍射晶面進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，掃描角度為162º～148º，每個(gè)點(diǎn)測(cè)試三次，測(cè)試結(jié)果如表9所示。

 

圖6通過(guò)和未通過(guò)疲勞測(cè)試齒的殘余應(yīng)力測(cè)試位置示意

表9 深層滲氮失效齒輪上其他未失效輪齒齒根處的表面殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

測(cè)試齒 輪編號(hào)	疲勞測(cè)試 是否通過(guò)	位置	殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果
			第一次	第二次	第三次	平均值
N-22	是	1	-305	-351	-340	-332
		2	-327	-376	-370	-358
		3	-401	-374	-362	-379
N-22	否	1	-317	-296	-271	-295
		2	-301	-333	-291	-308
		3	-284	-303	-327	-305

由上述檢測(cè)結(jié)果可以看出，通過(guò)疲勞測(cè)試齒附件的殘余壓應(yīng)力水平明顯高于未通過(guò)疲勞測(cè)試齒的殘余壓應(yīng)力水平，越靠近測(cè)試齒，表面殘余應(yīng)力受到測(cè)試影響越大，因此，提高殘余壓應(yīng)力有利于疲勞壽命提高。

 

5.結(jié)語(yǔ)

由上述彎曲疲勞檢測(cè)及失效分析數(shù)據(jù)可得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)滲氮滿足ISO6336-5標(biāo)準(zhǔn)中層深要求時(shí)，調(diào)質(zhì)鋼齒輪在淺層、深層滲氮后均達(dá)到了ISO6336-5中調(diào)質(zhì)鋼MQ級(jí)水平，深層滲氮齒輪可達(dá)到ME級(jí)水平。

（2）當(dāng)彎曲疲勞極限達(dá)到一定水平后，雖然隨著滲氮層深度增加彎曲疲勞極限也增加，但增加幅度不大；

（3）滲氮后較高的表面硬度、心部硬度以及較好的硬度、組織均勻性有利于滲氮齒輪疲勞壽命提高，較高的殘余壓應(yīng)力也有利于疲勞壽命提高。

 

作者：王偉、唐良芬，南京高速齒輪制造有限公司