齿轮表面淬火硬化层分布形式

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（pitting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）；正交剪切应力（τyz）；当量剪切应力（τeffa）；深部接触应力；最大剪切力τmax（τ45°应力/剪切强度的峰值；正交剪切应力/强度（硬度）（τyz/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= 0.15m n（m n——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Z Eht（接触承载能力影响系数）；УEht（弯曲承载能力影响系数）。

感应淬火具有工件变形小，高效节能环保，易于实现自动化等优点，成为一种常用的表面热处理技术。

随着工业技术的发展，对齿轮的承载能力及品质等方面提出了更高的要求。

而现有感应淬火技术中，存在齿轮两端面齿根未硬化问题，在服役过程中易产生弯曲疲劳裂纹。

尤其对于重载齿轮，在出现偏载的情况下，两端未硬化的轮齿容易发生开裂失效。

因此，实现齿轮全齿宽范围内硬化，可大幅提高我国感应淬火技术水平，提升齿轮的承载能力及品质，产生显著经济效益。

本文通过优化感应淬火工艺，解决了齿轮端面齿根未硬化而齿面过热烧熔问题，实现全齿宽硬化，并应用于批量生产。

一、全齿宽硬化技术要求感应淬火全齿宽硬化：即有效硬化层在轮齿全齿宽范围内分布，齿轮两端面的层深、组织等指标要求同齿宽中部接近（符合图样标准要求）。

考虑到感应加热工艺的技术难点，目前国内外标准对全齿宽硬化要求不明确且比较宽松，具体要求以客户为准。

其中JB/T 9171-1999 《齿轮火焰及感应淬火工艺及其质量控制》标准规定：在150mm齿宽范围内，有效硬化层分布范围为齿宽的80%，距两端各10%齿宽范围内不作评判。

ISO 6336-5：2003《直齿轮和斜齿轮承重能力的计算第5部分：材料强度和质量》标准要求硬化层深在全齿宽范围内覆盖，但对两端层深的具体要求无明确阐述。

其他如AGMA 及DIN标准等对全齿宽硬化要求比较宽松。

从距端面至一倍模数或1/8齿宽范围内，层深不作评判要求。

二、工艺现状分析感应淬火工艺的问题点包括：尖角处涡流集中加热温度高，而内圆角不易加热等。

因此，齿轮在感应加热过程中易出现端部齿面尖角过热烧熔，而内圆角位置的齿根未硬化或硬化层深不足问题，如图1所示。

由于国内外标准对端面的硬化层深要求比较宽松，通常采取降低加热功率方法，防止齿轮出现端面烧熔这一明显的外观质量缺陷，而忽略了端面齿根硬化层深严重偏浅或未硬化的质量隐患。

降低了齿轮的承载能力及品质，存在早期失效风险。

针对该问题，本文通过设计新型感应器结构及调整工艺参数，对感应淬火工艺进行了优化。

硬齿面齿轮常用热处理方式概述硬齿面齿轮是一种常见的机械传动元件，用于传递动力和扭矩。

为了提高其硬度和耐磨性，常常需要进行热处理。

本文将介绍硬齿面齿轮常用的热处理方式，包括淬火、渗碳、氮化等。

1. 淬火（Quenching）淬火是一种通过快速冷却来改变材料的组织结构和性能的方法。

对于硬齿面齿轮来说，淬火可以提高其硬度和强度，增加其耐磨性和使用寿命。

淬火过程中，首先将齿轮加热至适当的温度，使其达到奥氏体组织。

然后迅速将其浸入冷却介质中，如水或油中，以快速降低温度。

这样可以使奥氏体转变为马氏体组织，并产生较高的硬度。

2. 渗碳（Carburizing）渗碳是一种通过在材料表面添加富含碳元素的材料层来增加表面硬度和耐磨性的方法。

对于硬齿面齿轮来说，渗碳可以提高其表面硬度，增加其抗磨损能力。

渗碳过程中，首先将齿轮放置在含有富含碳元素的固体、液体或气体环境中。

通过加热和保持一定时间，使碳元素渗透到齿轮表面，并与基体材料发生化学反应。

这样可以形成一层富含碳元素的淬火层，提高齿轮的硬度。

3. 氮化（Nitriding）氮化是一种通过在材料表面添加氮元素来提高硬度和耐磨性的方法。

对于硬齿面齿轮来说，氮化可以增加其表面硬度，改善其抗疲劳性能。

氮化过程中，首先将齿轮放置在富含氨气的环境中。

通过加热和保持一定时间，使氨气分解并释放出氮原子。

这些氮原子会渗透到齿轮表面，并与基体材料发生化学反应。

这样可以形成一层富含氮元素的淬火层，提高齿轮的硬度。

4. 碳氮共渗（Carbonitriding）碳氮共渗是一种通过在材料表面同时添加碳和氮元素来提高硬度和耐磨性的方法。

对于硬齿面齿轮来说，碳氮共渗可以增加其表面硬度，并改善其抗疲劳性能和韧性。

碳氮共渗过程中，首先将齿轮放置在含有富含碳和氮元素的固体、液体或气体环境中。

通过加热和保持一定时间，使碳和氮元素渗透到齿轮表面，并与基体材料发生化学反应。

这样可以形成一层富含碳和氮元素的淬火层，提高齿轮的硬度。

浅谈齿轮渗碳淬火有效硬化层及硬度梯度随着机械工业的发展，对齿轮的质量要求日益提高，而齿轮的强度寿命和制造精度与热处理质量有很大关系。

为了检验齿轮材料热处理质量，在1987年以前，我国的齿轮渗碳淬火内在质量检验标准多为终态金相检验标准。

由于检测仪器的精度、分辨率等因素以及检验人员的经验参差不齐，造成检验结果有很大差异和争议。

为了解决金相法内在检验存在的弊端，机械部在1987年借鉴了DIN.ISO等标准中有关内容，修订了我国现行齿轮渗碳淬火内在质量检验标准。

此检验标准中，其金相组织检验标准基本与原标准相似，主要是对渗碳层深度及碳浓度梯度的测定作了较大的修改。

下面就渗碳层深度和碳浓度梯度分别采用金相法与硬度法测定进行简述。

一、渗碳层深度的检测1.1、金相法1.1.1、取本体或与零件材料成分相同，预先热处理状态基本相似的圆试样或齿形试样进行检测。

1.1.2、送检试样热处理状态为平衡状态，即退火状态。

1.1.3、低碳钢渗层深度为：过共析层+共析层+1/2亚共析层。

1.1.4、低碳合金钢渗层深度为：过共析层+共析层+亚共析层。

1.2、硬度法1.2.1、取样方法同金相法取样方法一致。

1.2.2、送检试样状态为淬火+回火状态。

1.2.3、渗碳深度用有效硬化层来表示，其极限硬度根据不同要求进行选择。

1.2.4、有效硬化层深度（DCp）：从试样表面测至极限硬度（如HV550）之间垂直距离。

1.3、两种关于渗碳深度检测的方法存在着一定的对应关系，下面用图形来描述。

从图中可看出：DCp（芯部）>DCp(HV500)>DCp(HV550)DCp(HV550)对应渗碳层中碳含量约为0.35~0.38%,此界限处即为金相法中1/2亚共析层处。

DCp(HV500)对应渗碳层中碳含量约为0.31~0.33%，此界限处为金相法中1/2亚共析层处。

DCp（芯部）对应渗碳层中碳含量为基体碳含量，一般为0.17~0.23%，此界限处为金相法中基体组织。

接触疲劳、弯曲疲劳两大失效方式都可以造成裂 纹的萌生与扩展，与有效硬化层深密切相关。接触疲 劳失效比较典型的有点蚀、表面剥落。弯曲疲劳失效 的方式有轮齿折断等。齿轮在工作过程中，要不断受 到交变的接触应力和剪切应力的作用，在齿轮的表层 会产生一个破坏应力场。而渗碳淬火后的齿轮，由于 表层和心部的碳浓度不同，淬火相变后在表层会产生 一个较大的、相对稳定的压应力场。硬化层深设计的 原则是：渗碳淬火后产生的压应力场能够抵消受到的 破坏应力场。依据国外的设计经验，硬化层深的原则 设计与齿轮的模数有较大的关系，表1给出了部分国 家的设计标准。
汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 19
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表1
国家
美国ANSI/ ACMA2004
美国ANSI/ ACMA2001
英国 BS公司
德国DIN3990
模数/mm 层深/mm
1.45～1.85 0.25～0.50
设计标准
1.85～2.45
2.45～3.00
0.38～0.64
另据资料提供的经验公式也可作为齿轮硬化层深
设max·u )/〔HV·cosβb·(u
±1)2〕
（1）
式中，t 为渗碳层的最小深度，mm；a 为相啮合齿
轮 副 的 公 称 中 心 距 ， m m ；α t 为 齿 轮 端 面 啮 合 角 ， （°）；δ max为最大接触应力，MPa；u 为相啮合 齿轮副齿数比（z 2/z 1）；HV为齿面渗碳层的维氏硬 度；βb为基圆螺旋角，（°）；小括号中的“+”用 于外啮合，“-”用于内啮合。
2.3 热处理工艺过程对硬化层深的控制
针对热处理渗碳环节，其对硬化层深的控制要综

ｔｒ ｉｌ ｅ ｈ ７ ｓ ｅ ｎ ｕ ｎｃ ｎｇｗａ ｒ ｉｏｍ ｎ ｔｏ ｇ ｒｔａ ｈ ｔｂｙｔ ｅ １ ｅ ｏ ｕｅ ｈｎｇ，ｔ ｓｓ ｇ — ｕ ｅ ｙｅ ｄ ｄ ｂｙｔ ｅ １ ｅ ｏ ｄ ｑ ｅ ｈｉ ｓｍｏ ｅｕｎｆ ｒ ａ ｄ ｓｒ ｎ ｅ ｈ ｎ ｔ ａ ｈ ２ ｓ ｃ ｎｄ ｑ ｎｃ ｉ ｈｕ ｕｇ ｅｓ ｔｎｇ ｔａ ｈｅ ｌ ｅ ｏ ｕｅ ｃ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ｗａ ｅｔ ｒｔ ｎ ｔ ２ ｓ ｃ ｎ ｎｅ ｉ ｈ ｔｔ ７ ｓ ｅ ｎｄ ｑ ｎ ｈ ｎ ｒ ｃ ｓ ｓ ｂ ｔｅ ｈａ ｈｅ １ ｅ ｏ ｄ ｏ ． Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ：ｈｉｈ ｆｅ ｅ ｃ ｅ ｃ ｉ ｇ； ｔｏｈ ｒ ｏ ｆｇ ａ ｇ —ｒ ｑｕ ｎ ｙ ｑｕ ｎ ｈ ｎ ｏ ｔ ｏ ｔｏ ｅ ｒ；ｄ ｐ ｈ ｏ ａ ｄ ｎｅ ａ ｅ ； ｍｉｒ ｓｒ ｃｕｒ ． ｅ ｔ ｆｈ ｅ ｄ ｌｙ ｒ ｒ ｃ ｏ ｔｕ ｔ ｅ
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硬齿面齿轮常用热处理方式硬齿面齿轮是机械传动中常用的重要零件，其热处理方式对于提高齿轮的强度和耐磨性至关重要。

本文将详细介绍硬齿面齿轮的常用热处理方式。

一、淬火淬火是一种常用的硬化处理方法，其原理是将经过加热后的工件迅速浸入水或油中进行冷却，使其表面形成高硬度、高强度和高耐磨性的硬化层。

淬火适用于碳钢、合金钢等材料制造的硬齿面齿轮。

二、渗碳渗碳是一种将碳元素渗入工件表面形成高碳化层的方法，其原理是在一定温度下，在含有碳元素的气体或液体中进行加热处理。

渗碳可以提高工件表面硬度和耐磨性，适用于低碳钢等材料制造的硬齿面齿轮。

三、氮化氮化是一种将氮元素渗入工件表面形成高氮化层的方法，其原理是在一定温度下，在含有氨气或其他含氮化合物的气体中进行加热处理。

氮化可以提高工件表面硬度、耐磨性和疲劳强度，适用于不锈钢等材料制造的硬齿面齿轮。

四、表面强化表面强化是一种通过机械或物理方法在工件表面形成高硬度、高强度和高耐磨性的处理方法。

常用的表面强化方法包括喷丸、电火花加工、激光加工等。

表面强化可以提高工件表面的力学性能和耐磨性，适用于各种材料制造的硬齿面齿轮。

五、回火回火是一种将淬火后的工件在一定温度下进行加热处理后再进行冷却的方法。

回火可以降低淬火后产生的残余应力，提高工件整体性能和韧性，适用于各种材料制造的硬齿面齿轮。

六、低温淬火低温淬火是一种将经过加热后的工件在较低温度下进行冷却处理的方法，其原理是通过控制淬火温度和时间来控制淬硬层的厚度和硬度。

低温淬火可以提高工件表面的硬度、耐磨性和韧性，适用于各种材料制造的硬齿面齿轮。

七、高温淬火高温淬火是一种将经过加热后的工件在较高温度下进行冷却处理的方法，其原理是通过控制淬火温度和时间来控制淬硬层的厚度和硬度。

高温淬火可以提高工件表面的硬度、耐磨性和韧性，适用于各种材料制造的硬齿面齿轮。

八、总结本文介绍了硬齿面齿轮常用的热处理方式，包括淬火、渗碳、氮化、表面强化、回火、低温淬火和高温淬火等。

齿轮的材料及热处理齿轮的材料渗碳硬化钢这是指低碳合金钢。

含碳量为 0.15% ∼ 0.20% 的钢中添加了 Ni，Cr，Mo，Mn 等元素，通过渗碳淬火处理提高表面硬度后使用。

在日本，一般使用的材料如下表所示。

铝青铜铸造合金青铜铸造合金机械结构用碳素钢钢材最为普及的材料，亦是本公司使用最多的材料。

可以施加高频淬火处理。

铬钼钢钢材经过淬火，回火，高频淬火后使用。

淬火对轮齿表面进行硬化处理以提高轮齿强度。

方法有很多，具有代表性的有以下几种。

渗碳淬火渗碳 => 淬火 => 洗净 => 回火 => 喷砂处理 => 检查【方法】一般使用碳酸气进行气体渗碳。

- 表面硬度⋯⋯⋯ 55 - 60HRC- 硬化深度⋯⋯⋯ 1.0 ㎜左右（使用负载越大，硬化层就需越深）低碳合金钢在渗碳环境中加热到转变点以上并保持这个温度，碳素从表面渗入。

碳素渗入后，与 S45C 等在同等条件下进行淬火处理，表面硬度提高。

【特点】由表面到中心部，硬度由硬到软连续变化，所以表面硬而内部富有韧性。

材料一般使用 SCM415 等。

左图 / 渗碳淬火炉右图 / 齿轮的淬火层高频淬火【方法】调质材 => 淬火 => 回火【特点】只有被感应圈所加热的周围产生硬化。

根据形状使用各种不同的感应器，不熟悉的话，会产生裂纹及翘曲变形。

为了防止淬火裂纹，使用含硫，含磷量少的材料。

通常，含碳量在 0.55% 以下的材料产生淬火裂纹的可能性比较小。

材料牌号有 S45C，SCM440 等等。

左图 / 淬火设备右图 / 回火炉。

齿轮齿面高频淬火工艺齿轮是现代机械设备中不可或缺的机械传动元件，广泛应用于各个领域。

齿轮的齿面质量直接影响到机械设备的可靠性和使用寿命。

而齿轮齿面高频淬火工艺则是一种有效提高齿轮齿面硬度和耐磨性的方法。

齿轮齿面高频淬火工艺是指利用高频感应加热原理，在齿轮齿面上形成瞬时高温，并通过淬火介质迅速冷却，使齿面表层形成高硬度的淬火组织。

这种工艺具有淬火速度快、变形小、工件表面质量好等优点，被广泛应用于齿轮制造领域。

高频淬火工艺的核心是高频感应加热设备。

该设备通过电磁感应原理，将电能转化为热能，快速加热齿轮齿面。

在加热过程中，工件表面形成高温区域，同时淬火介质迅速冷却工件，使其形成高硬度的表层。

这种淬火方式具有可控性好、加热均匀等优点，能够满足不同齿轮的淬火要求。

高频淬火工艺的关键是淬火介质的选择。

常用的淬火介质包括水、油和气体。

水冷速度快，但易造成变形和开裂；油冷速度适中，能够有效控制淬火过程，但油污染问题较为突出；气体冷却速度较慢，但能够避免淬火介质的污染。

根据不同齿轮的要求，可以选择不同的淬火介质，以达到最佳的淬火效果。

高频淬火工艺的优点还体现在淬火后的齿轮齿面质量上。

淬火后的齿轮齿面硬度高，耐磨性好，能够承受更大的载荷和更长的使用寿命。

同时，淬火还能改善齿轮齿面的粗糙度和尺寸精度，提高齿轮的传动效率和运行平稳性。

然而，高频淬火工艺也存在一些问题。

首先是设备投资和运行成本较高，需要专门的设备和维护。

其次是淬火过程对工件的变形和开裂问题，需要通过合理的工艺参数和淬火介质选择来解决。

此外，淬火后齿轮齿面的残余应力较大，可能会对工件的稳定性和寿命造成影响，需要进行适当的回火处理。

齿轮齿面高频淬火工艺是一种提高齿轮齿面硬度和耐磨性的有效方法。

通过合理选择淬火介质和优化工艺参数，可以得到理想的淬火效果。

然而，淬火工艺的选择还应结合实际情况，考虑到工件的材料、尺寸和使用条件等因素，以确保齿轮的质量和可靠性。

未来，随着科技的不断进步，淬火工艺将会得到更大的发展和应用。

DI— 某一钢材在冷却速度为无穷大的 冷却介质中淬火后，其钢材中心部分 获得50%马氏体组织时的最大直径
表38
钢在各种常用淬火剂中的冷却速度和冷却强度
在下列温度区间的最高冷却速 度/（℃/s） 650～550℃ 300℃ 85 85 70 5 6 9 80 45 30 以20℃水为标准的相对冷却强 度H 650～550℃ 1.00 0.79 0.54 0.19 0.30 0.40 0.69 0.60 0.52 300℃ 1.00 1.00 0.82 0.06 0.07 0.11 0.94 0.53 0.35
汽化热
蒸汽压
添加剂的影响
添加剂
温 度
外界因素的影 响 冷却条件
表40 冷却条件对冷却强度的影响
冷 却 强 度 H 冷却状态
空 气
静 止 轻微搅动 缓慢搅动 中等搅动 强烈搅动 激烈搅动 端淬喷水 0.02
油
0.25～0.30 0.30～0.35 0.35～0.40 0.40～0.50 0.50～0.80 0.80～1.10 -
图20 要求的最低硬度与调质钢强度之间的关系
相对硬度值的大小对调质钢的强度、塑性和韧性有影响，特别是在高强度时 这种影响就显得更大，图21给出了这种关系。
图21 相对淬火硬度对力学性能的影响
3.3.3 齿轮钢材的调质深度 表44 已知钢材及圆棒直径求截面硬度分布的方法
求作方法步骤 参 考 图
已知： 求
Dc—在某一冷却介质中淬火后能获得 完全淬透的最大截面直径 例： Dc 水 =37.5mm ，表示这种钢在水 中淬火的临界直径为37.5mm
临 界 直 径 法
理 想 临 界 直 径 计算法
通过 钢材的化学成分和本质晶粒度来计算其淬透性 DI=DIc×FSi×FMn×FCr×FMo×…… 式中： DI—理想临界直径（mm） DIc—碳钢在不同含碳量及晶粒度时的理想临界直径（ mm） FSi—合金元素Si一定含量时的淬透性系数（FMn、 FCr……意 义相同）

工厂标准
Q/DZ
渗碳淬火齿轮有效硬化层深度
共2页第1页
1、定义：渗碳齿轮齿面有效硬化层深度是指终加工齿面至心部硬度
为Hv550处的厚度a，国际上用Eht表示。

2、渗碳齿轮有效硬化层最小深度a min按下式计算。

可从表1中直
接查取。

a min= log（1.2m n）+ 0.018m n
表1
3、有效硬化层深度的最大值a max按表2确定
共2页第2页
表2
4、本规定适用于轧钢机械、连铸机械、炼焦机械、冶炼机械、装卸
机械的传动齿轮。

5、特殊工况用渗碳齿轮的有效硬化层深度，可根据接触剪应力的大
小另行确定。

6.、本表对于Mn≤8的齿轮而言，其推荐的渗碳深度是合理的，但对于Mn>8的齿轮而言，其数据缺乏合理性。

7. 对于合理的渗碳层深度各国、各公司的标准不同，而且差距还比较大。

各国及各行业推荐的渗碳层深度见表3
表3 各国及各行业推荐的渗碳层深度
注：根据JB/T 8853-2001《圆柱齿轮减速机》渗碳层的深度根据模数选择，当Mn=1.5～6时，渗碳层深度ht=(0.2～0.3)Mn;
当Mn=7～18时，渗碳层的深度ht=(0.15～0.25)Mn（小模数取大值，大模数取小值）。

１ ． 理想的硬化层分布
为 了满 足 齿轮 服役 下 的 性 能要 求 ，齿轮 的热 处 理 要达 到合 理 的硬 化 层 分 布 ，以 及所 希 望 的 微观 组 织 结 构 ，渗 碳 层 分布 和 淬 火 冷却 方 式是 最 关 键 的 因
２ ． 渗碳扩散 中的渗碳 层分布 问题
对于 小 模 数 齿轮 从 齿 顶 到 齿根 形状 和 尺 寸 ，使 得 碳 原 子 的扩 散 不单 是 一 维平 面 扩 散 问题 ，不 同 的 热 处 理 设备 气氛 的流 动 性 能 也不 同 ，受诸 多 因素 影 响 ，齿 顶 到 齿 根 出现 明 显 的渗 碳 层 浓 度 分 布 不 均
图３ 所 示 。结果 表 明 ，节 圆处 硬 化 层和 齿 根 处 硬 化
（ ２ ）机 械加 工 成形 后 的螺 栓表 面应 无 脱碳 层，热处理需在脱氧良好的盐浴炉 中进行，并及时 对淬火工装进行除锈处理 ，确保盐浴成分中的氧化
物 含量 符 合技 术 要求 ，防止 螺 栓 出现 脱度低于次表面层 硬度 ，出现 “ 硬度低头”现象 ；齿根处硬度呈递减
趋势 。对 节 圆处 金 相检 测 结 果表 明残 留奥 氏体 高 于
齿根 处 。
采取上述措施后 ，此型号发动机排气管联接螺
栓 的性 能 满足 了使用 要 求 ，未 再 出现 断 裂现 象 。
匀 ，如 图 １ 所示 。
素 。以赫 兹应力作 为齿面接触应 力的计算 基础得
出 ，随 着 齿轮 模 数 的增 大 ，最大 赫 兹 应 力的 峰 值往 层深 方 向移 动 ，同时 ，硬 化 层 曲线的 斜率 减 小 。 齿 轮 合理 的硬 化 层要 求表 面 硬 度高 、心 部 硬 度 适 中 ，以 满 足接 触 循 环应 力 和 弯 曲循 环 应 力下 的 强 度 要 求 。 接 触 疲 劳 失 效 为 剪 切 应 力超 过 其 强 度 极

图片：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（pitting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τmax （τ45°）；正交剪切应力（τyz）；当量剪切应力（τeffa）；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）（τyz/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）；УEht（弯曲承载能力影响系数）。

齿轮感应淬火要求材料：42CrMo4模数：7外径：524mm高度：70mm重量：50kg1、技术要求：硬化层深度：(界限硬度435HV1，根据AGMA 923《Metallurgical Specifications for Steel Gearing》标准）部位节圆齿顶齿根硬化层深度要求2.2-2.8mm 4.5-5.5mm ≥1.45mm 同一齿上硬度测量不得小于三点，硬度差不得大于2HRC，同一齿轮上硬度测量不得小于四个齿，并且测量的齿必须均匀分布，硬度差不得大于3HRC。

金相组织：感应层组织应主要为回火马氏体组织，不允许存在未溶珠光体组织（放大100×）以及贝氏体（放大400×）；节圆感应层组织主要为细晶回火马氏体组织，以及不大于5%的非马氏体组织；齿底感应层组织主要为细晶回火马氏体组织，以及不大于10%的非马氏体组织。

（根据AGMA 923《Metallurgical Specifications for Steel Gearing》标准检验）表面缺陷：齿轮不允许过烧或者过热。

磁粉探伤：不允许存在淬火裂纹。

齿面硬度：55-60 HRC工件工作时间：≤5min2、试验方法使用SDF同步双频感应淬火技术减少工件热处理变形量，通过对工件表面施加高功率密度的能量，热量梯度很大，热传导比较快，加热时间很短，通常只有几百毫秒。

加热时间的缩短，导致渗入心部的热量比较少，这就很大程度上减少了工件的变形量。

因此，加热时间的缩短，能有效地减少工件的变形量。

同时，如果工件在加热过程中进行高速旋转，转速则需要360RPM左右，这样就大大提高了工件表面的受热均匀性。

此外，SDF同步双频感应技术能够把能量分散在所需加热表面，获得理想的轮廓硬化层。

将实验齿轮进行线切割，根据AGMA 923《Metallurgical Specifications for Steel Gearing》标准检测齿顶硬化层深度、节圆硬化层深度、齿根硬化层深度，齿面硬度，根据AGMA 923 检测节圆、齿根感应层组织；根据磁探表面不允许有淬火裂纹。

工厂标准
Q/DZ
渗碳淬火齿轮有效硬化层深度
共2页第1页
1、定义：渗碳齿轮齿面有效硬化层深度是指终加工齿面至心部硬度
为Hv550处的厚度a，国际上用Eht表示。

2、渗碳齿轮有效硬化层最小深度a min按下式计算。

可从表1中直
接查取。

a min= log（1.2m n）+ 0.018m n
表1
有效硬化层深度的
最大值a max按表2确定
共2页第2页
表2
3、本规定适用于轧钢机械、连铸机械、炼焦机械、冶炼机械、装卸
机械的传动齿轮。

4、特殊工况用渗碳齿轮的有效硬化层深度，可根据接触剪应力的大
小另行确定。

6.、本表对于Mn≤8的齿轮而言，其推荐的渗碳深度是合理的，但对于Mn>8的齿轮而言，其数据缺乏合理性。

7. 对于合理的渗碳层深度各国、各公司的标准不同，而且差距还比较大。

各国及各行业推荐的渗碳层深度见表3
表3 各国及各行业推荐的渗碳层深度
注：根据JB/T 8853-2001《圆柱齿轮减速机》渗碳层的深度根据模数选择，当Mn=1.5～6时，渗碳层深度ht=(0.2～0.3)Mn;
当Mn=7～18时，渗碳层的深度ht=(0.15～0.25)Mn（小模数取大值，大模数取小值）。

材料：42CrMo4模数：7外径：524mm高度：70mm重量：50kg1、技术要求：硬化层深度：(界限硬度435HV1，根据AGMA 923《Metallurgical Specifications for Steel Gearing》标准）部位节圆齿顶齿根硬化层深度要求 2.2-2.8mm 4.5-5.5mm ≥1.45mm 同一齿上硬度测量不得小于三点，硬度差不得大于2HRC，同一齿轮上硬度测量不得小于四个齿，并且测量的齿必须均匀分布，硬度差不得大于3HRC。

金相组织：感应层组织应主要为回火马氏体组织，不允许存在未溶珠光体组织（放大100×）以及贝氏体（放大400×）；节圆感应层组织主要为细晶回火马氏体组织，以及不大于5%的非马氏体组织；齿底感应层组织主要为细晶回火马氏体组织，以及不大于10%的非马氏体组织。

（根据AGMA 923《Metallurgical Specifications for Steel Gearing》标准检验）表面缺陷：齿轮不允许过烧或者过热。

磁粉探伤：不允许存在淬火裂纹。

齿面硬度：55-60 HRC工件工作时间：≤5min2、试验方法使用SDF同步双频感应淬火技术减少工件热处理变形量，通过对工件表面施加高功率密度的能量，热量梯度很大，热传导比较快，加热时间很短，通常只有几百毫秒。

加热时间的缩短，导致渗入心部的热量比较少，这就很大程度上减少了工件的变形量。

因此，加热时间的缩短，能有效地减少工件的变形量。

同时，如果工件在加热过程中进行高速旋转，转速则需要360RPM左右，这样就大大提高了工件表面的受热均匀性。

此外，SDF同步双频感应技术能够把能量分散在所需加热表面，获得理想的轮廓硬化层。

将实验齿轮进行线切割，根据AGMA 923《Metallurgical Specifications for Steel Gearing》标准检测齿顶硬化层深度、节圆硬化层深度、齿根硬化层深度，齿面硬度，根据AGMA 923 检测节圆、齿根感应层组织；根据磁探表面不允许有淬火裂纹。

齿轮表面强化技术分析在一系列机械传动系统中，齿轮发挥着十分关键的作用，是一类不可或缺的部件，所以，保证齿轮具有良好性能也便显得尤为重要了。

本文将基于齿轮表面强化技术进行相应的分析，包括传统技术、新技术以及复合技术等，以期为齿轮表面强化工作提供一些有益的参考。

齿轮表面强化概述随着应用环境的日益复杂，人们对齿轮表面性能提出了更高要求，不仅要求其具有一定的硬度、耐磨性，它还需要具有理想的心脏韧性和耐腐蚀性。

传统技术（渗碳等）开始难以满足实际需要，新的齿轮表面强化技术（如激光加热表面淬火技术、喷丸处理技术、表面涂层技术等）陆续出现，并得到了广泛应用。

齿轮表面强化技术2.1.传统技术以渗碳技术为例。

对于汽车用齿轮而言，其制作工艺相对简单，绝大部分以普通低碳钢、低碳合金钢这两种钢材为原材料，先经过渗碳淬火处理，再经过低温回火处理制作而成。

渗碳工艺通常在920-930℃这一温度条件下进行，能够在一个相对较短的时间内使得渗层达到既定深度。

接下来，先予以淬火处理，在经过低温回火处理，便能够在齿轮表面形成一层高碳马氏体，不仅强化了齿轮表面硬度，还提高了齿轮表面的耐磨性。

至于心部则为低碳马氏体，从而使其具有足够的韧性。

在齿轮表面强化处理中，渗碳技术得到了广泛应用。

需要指出的是，渗碳技术具有一系列难以克服的缺点，如需要较高的处理温度，容易导致工件变形，无法获得较高的表面精度等，上述缺点限制了该技术的实际应用。

当齿轮对自身表面硬度要求一般时，往往不采用该表面处理技术。

2.2.新技术2.2.1.激光加热表面淬火技术该技术诞生于上世纪七十年代，其典型应用是通用汽车公司采用该技术处理动力转向变速器的内表面。

到上世纪八十年代中后期，激光加热表面淬火技术已经较为成熟，无论是理论发展，还是实际应用，均获得了空前发展。

所谓激光表面加热淬火技术指的是，将激光有效地聚集在一起，然后对相应的工件进行加热，使其表面组织在极短时间内转变成奥氏体，自行冷却并最终在工件表面形成马氏体淬硬层。