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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標準，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。齒輪的彎曲疲勞強度是評價齒輪承載能力的一個重要指標，也是齒輪設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對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，以達到提高齒輪彎曲疲勞強度的目的，進而提高齒輪的承載能力。

 

1.試驗齒輪

（1）齒輪材料及參數(shù)

齒輪材料為42CrMo（滲氮）。試驗齒輪的參數(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。

 

（2）齒輪加工工序及相關(guān)指標

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)指標及試樣1/2齒高處檢測結(jié)果如下：

 

表1  淺層、深層滲氮后試樣1/2齒高處檢測結(jié)果

檢測 項目	層深 /mm	表面硬 度/HV	白亮層深度 /mm（≤0.025mm）	滲層氮化級別 /級（≤3級）	晶粒度級 別/級
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（彎曲受載）試驗或齒輪符合運轉(zhuǎn)試驗，或由使用經(jīng)驗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出”。

 

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

 

采用升降試驗法和成組試驗法相結(jié)合的試驗方法，短壽命區(qū)采用了恒定應力水平成組試驗法確定疲勞曲線的傾斜段方程，長壽命區(qū)采用了升降試驗法確定疲勞試驗水平段方程。根據(jù)GB/T 14230要求，試驗中，若出現(xiàn)下列情況之一時，都應判為彎曲失效：①輪齒齒根出現(xiàn)可見疲勞裂紋。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的極限應力值是根據(jù)齒輪疲勞試驗所得的應力壽命樣本，經(jīng)過分析處理得到的，本試驗的數(shù)據(jù)處理原則上是按GB/T14230和GB/T24176所給的方法進行的。為了更精確計算，短壽命區(qū)采用了三參數(shù)威布爾分布來描述齒輪壽命的離散性，長壽命區(qū)的疲勞極限強度分布按正態(tài)分布處理，齒輪彎曲疲勞曲線傾斜段方程（在對數(shù)坐標中為直線方程）的形式為mlogσ_Flim＋logN＝logC，式中N為應力循環(huán)次數(shù)（即壽命），σ_Flim對應于N的疲勞極限，m為方程指數(shù)，C為方程常數(shù)。

 

3.疲勞測試數(shù)據(jù)

淺層滲氮在長壽命區(qū)的升降法測試數(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試數(shù)據(jù)

試樣 序號	應力 /MPa	壽命 /次	試樣 序號	應力 /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)的成組法測試數(shù)據(jù)如表3所示。

 

表3 淺層滲氮齒輪的成組法測試數(shù)據(jù)

應力級	I	II	III	IV
應力/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 的應力循環(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

 

深層滲氮齒輪在長壽命區(qū)的升降法測試數(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試數(shù)據(jù)

試樣 序號	應力 /MPa	壽命 /次	試樣 序號	應力 /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)的成組法測試數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 深層滲氮齒輪的成組法測試數(shù)據(jù)

應力級	I	II	III
應力/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 拐點的應力 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）有效滲氮層深標準      （b）彎曲疲勞極限數(shù)據(jù)

圖5 國際標準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，當滲氮層深度由下限0.3mm左右增加至0.6mm以上時， 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、深層滲氮齒輪均達到了ISO6336-5中調(diào)質(zhì)鋼MQ級（約365MPa），深層滲氮齒輪已基本達到ME級（約435MPa）。

 

4.失效齒輪分析

由于疲勞壽命的離散性特征，選擇多組輪齒進行檢測硬度、組織，檢測位置為齒根圓角處，選擇有代表性數(shù)據(jù)進行展示，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數(shù)據(jù)

 

由上述檢測結(jié)果可看出，通過測試的齒硬度、組織較為均勻，未通過測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和未通過疲勞測試的齒，檢測齒寬中部齒根處殘余應力，測試位置如圖6所示，測試方法采用X射線衍射儀使用固定Ψ0法對試樣的（211）衍射晶面進行殘余應力檢測，掃描角度為162º～148º，每個點測試三次，測試結(jié)果如表9所示。

 

圖6通過和未通過疲勞測試齒的殘余應力測試位置示意

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力檢測結(jié)果

測試齒 輪編號	疲勞測試 是否通過	位置	殘余應力測試結(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

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

 

5.結(jié)語

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

（1）當滲氮滿足ISO6336-5標準中層深要求時，調(diào)質(zhì)鋼齒輪在淺層、深層滲氮后均達到了ISO6336-5中調(diào)質(zhì)鋼MQ級水平，深層滲氮齒輪可達到ME級水平。

（2）當彎曲疲勞極限達到一定水平后，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