42CrMo齒輪滲氮處理R-S-N彎曲疲勞性能研究

■ 王 偉，唐良芬，倪佳俊，李 濤

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。

表1 淺層、深層滲氮后試樣1/2齒高處檢測結(jié)果

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)Yst=2.0，齒根圓角參數(shù)qs=2.5，齒根圓角表面粗糙度Rz≤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，滲氮溫度520～530℃。

滲氮后相關(guān)指標(biāo)及試樣1/2齒高處檢測結(jié)果如表1所示。

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)力水平的被試齒來自各個(gè)齒輪，但所選取的輪齒與進(jìn)行過試驗(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)威布爾分布來描述齒輪壽命的離散性，長壽命區(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mlogσFlim＋logN＝logC，式中N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（即壽命），σFlim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。

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。

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。

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。

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2 淺層滲氮齒輪的升降法測試數(shù)據(jù)

圖1 淺層滲氮齒輪的升降圖

表3 淺層滲氮齒輪的成組法測試數(shù)據(jù)

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）

圖2 淺層滲氮齒輪彎曲疲勞S-N曲線

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。

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）。

表5 深層滲氮齒輪的升降法測試數(shù)據(jù)

圖3 深層滲氮齒輪的升降圖

表6 深層滲氮齒輪的成組法測試數(shù)據(jù)

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）

圖4 深層滲氮齒輪彎曲疲勞S-N曲線

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(jìn)行展示，具體數(shù)據(jù)如表8所示。

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(yīng)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(duì)試樣的（211）衍射晶面進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測，掃描角度為162o～148o，每個(gè)點(diǎn)測試三次，測試結(jié)果如表9所示。

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(yīng)力水平明顯高于未通過疲勞測試齒的殘余壓應(yīng)力水平，越靠近測試齒，表面殘余應(yīng)力受到測試影響越大，因此，提高殘余壓應(yīng)力有利于疲勞壽命提高。

表8 失效輪齒齒根處的熱處理方面檢測數(shù)據(jù)

圖6 通過和未通過疲勞測試齒的殘余應(yīng)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(yīng)力檢測結(jié)果

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(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。