齿轮淬火的最佳[1](戴忠森)

1、齿轮淬火的“最佳”硬化层深与“适当”硬化层深戴忠森众所周知，齿轮的淬硬层深“过浅”，对接触和弯曲承载能力都不利。但淬硬层也不是越深越好，最佳或适当的硬化层深度，可使齿面和齿根都具有较高的强度（承载能力）。另外，不同的热处理方法，其“最佳”值也不是一样的。二十世纪七、八十年代，随着齿轮强度计算方法ISO标准的公布，以及国内GB/3480“圆柱齿轮承载能力计算方法”标准的实施，特别是工业硬齿面齿轮的广泛采用，国内外齿轮工作者（专家、学者），就热处理硬化层深问题，进行了大量的试验研究和理论分析。其实质都是基于接触（弯曲）疲劳强度，其核心问题是：疲劳裂纹发生（萌生）在何处？破坏后的形状是点蚀（pitt

2、ing贝壳状），还是片蚀（剥落spalling）？研究表明，一般软齿面大多是点蚀，而硬齿面大齿轮大多是剥落（片蚀）。疲劳裂纹的萌生，有可能在表面，也有可能在表层。至今，有关硬齿面齿轮接触疲劳强度（剥落）计算的理论和方法，主要有：最大剪切应力max（45°）；正交剪切应力（yz）；当量剪切应力（effa）；深部接触应力；最大剪切应力/剪切强度的峰值；正交剪切应力/强度（硬度）（yz/HV）max；当量剪切应力/强度的峰值等，通过理论计算可以确定接触疲劳强度（安全系数）；或者确定最佳淬硬层深度。这些理论和方法一直都有争议，因此至今也没有一个权威的理论和方法被大家所能完全接受。所谓“最佳硬

3、化层深”，其说法也是较含糊的，而且众说不一，以渗碳淬火齿轮为例，德国DIN3990，硬化（渗碳）层深度，给出一个经验公式：（推荐）Eht= 0.15mn（mn法面模数）(1)。该经验公式，有一个突出的问题，就是未考虑实际载荷的情况。所以，对于轻载齿轮，允许比经验公式稍浅的硬化层深度。Thomas Tobie近年来提出在用ISO/DIN进行标准化承载能力计算时，考虑硬化层深度对承载能力的影响，引入了影响系数ZEht（接触承载能力影响系数）；Eht（弯曲承载能力影响系数）。其目的是对于某一结构的齿轮，确定要求的硬化层深度，或者计算已给定硬化层的齿轮承载能力（安全系数）。美国AGMA（基于最大剪切应

4、力），最小硬化层深度（最佳层深）：Ehtmin= (H·d1·sint ) / ( UH·cosb) · Z2 /（Z1+Z2）= 2·c·H / UH = 2.2·TH式中：H 接触应力；d1 小齿轮节圆直径；t 端面压力角；b 基圆螺旋角；c 相对曲率半径；TH 最大剪切应力的深度；UH 硬化工艺系数（对于MQ，ME级渗碳淬火工艺，UH66000N/mm2）Ehtmin与齿轮的几何参数、齿面上的实际载荷、硬化工艺、以及最大剪切应力的深度等有关。例如：某一对工作齿轮，已知模数mn20mm，Z120，Z2105，螺旋角10&

5、#176;，以及传递的载荷等。按德国DIN：Ehtmin n3.0mm；而按AGMA：Ehtmin1.472.14mm，（1按2.2 TH）。就硬化层深度而言，两者相差较大。日本的藤田公明，基于A(yz / HV）max，提出“最佳硬化层深度”是：当满足 A（yz / HV） A（yz / HV） 时的最浅硬化层深度即为最佳硬化层深度。式中（A（yz / HV）硬化层过渡区内极大值；A（yz / HV）硬化层内的极大值）。(2)所以，对于“最佳硬化层深度”，众说不一，其结果也出入较大，国内某研究所曾针对不同硬化层（渗碳层）深度齿轮的接触疲劳强度进行了试验研究，其结果如下：（材料：20CrMnT

6、i）(3)渗碳层深度(mm)接触疲劳极限Hlim+1480 (N/mm2)1540 (N/mm2)1345 (N/mm2)结果表明，当渗碳层为时，接触疲劳极限最高；渗碳层疲劳极限值与的疲劳极限值相差不多，较接近；当渗碳层深度为，接触疲劳极限值有较大的下降。这说明，渗碳层（硬化层深）不是愈深愈好。综合考虑，渗碳层深为即是“适当层深”。温特尔教授（H·Winter）二十世纪八十年代初，来华讲学时，针对齿轮表面接触疲劳强度，有关渗碳淬火齿轮，特别指出，其渗碳（硬化）层深，不一定要追求最佳层深。从带来的资料看（见图）当层深达到时，抗点蚀能力增大；大于时，就不再增大（增大的很慢）。最佳抗点蚀能

7、力是渗碳层深度为（即最佳层深）。若渗层深度为，则齿轮表面的耐久限（即疲劳极限），从1500N/mm2,下降为1400N/mm2,(下降了6.7%)；而层深从0.80.9mm(最佳层深)，下降为（下降了50%55.6%）。采用层深，疲劳极限下降并不大，但热处理时间、变形，均可以大大缩短和减少，磨齿费用也可以大减少，其经济性特别显著。所以，硬化（渗碳）层深的选择，应综合考虑，不必追求所谓“最佳层深”，应追求的是“适当”的硬化层深。这里就是“适当”的层深。笔者认为，何谓适当的硬化层深，既满足了强度的基本要求（具有所必须的疲劳极限），又具有良好的经济性，这样的硬化层深，就是“适当”的硬化层深。在新的I

8、SO（GB/T3480）“齿轮承载能力计算方法”标准所提供的齿轮疲劳极限应力 （Hlim+,Flim）图表中，有关渗碳淬火齿轮，图表中特别指明“保证（保持）适当的有效层深”。这些齿轮承载能力计算用的疲劳极限应力图，首次被齿轮热处理标准收录采用（GB/T8539-2000，“齿轮材料及热处理质量检验的一般规定”）。值得注意的是，对硬化（渗碳）层深有了一个“定性的要求”，（以前的标准中，并没有这样明确），但是提的是“适当的有效层深”，而不是“最佳有效层深”。何谓“适当”？具体的“值”是多少？并没有明确的规定。这给出齿轮设计硬化层深度，留下一个可根据实际情况，综合全面考虑问题的宽松空间。笔者认为，何谓“适当”，应综合考虑。只要能保证齿轮的疲劳强度（承载能力）基本要求，更应着重考虑具有较显著的经济性，根据不同的热处理方法，和热处理质量（包括材质），选定一个较为“合适”的有效硬化层深度。不必刻意追求“最佳”层深，甚至盲目的追求更深的硬化层深度。引用文献资料：（1）渗碳齿轮的渗碳层深度与承载能力 德国Thomas·Tobie 齿轮资料2001.1第153期。（2）表面硬化齿轮齿面强度计算研究的进展东北工学院鄂中凯、何德芳等 “全国第2届齿轮强度与试验技术学术会”论文集。（3）渗碳淬火齿轮接触疲劳强度试验研究 机械部洛阳矿山机械研究所宋保红、王捷等