25Cr2Ni4WA合金钢渗碳淬火齿轮的弯曲疲劳试验分析

18Cr2Ni4WA齿轮弯曲疲劳试验及基于可靠度的试验数据统
计研究
武志斐;王铁;张瑞亮;李威
【期刊名称】《机械强度》
【年(卷),期】2012(34)1
【摘要】针对18Cr2Ni4WA渗碳淬火齿轮弯曲疲劳试验,介绍试验方法、试验齿轮、试验机及夹具,说明应力水平确定方法,最后通过失效判据判定失效寿命得出试验点数据,根据试验数据拟合出R—S—N曲线,并对试验数据处理方法进行探索。

根据试验数据确定其寿命的威布尔分布,为渗碳淬火齿轮的可靠性定量评估提供一种切实可行的方法,为齿轮可靠性设计提供基础试验数据。

【总页数】5页(P154-158)
【关键词】机械学;齿轮;R—S—N曲线;弯曲疲劳
【作者】武志斐;王铁;张瑞亮;李威
【作者单位】太原理工大学机械工程学院;北京科技大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH132.4
【相关文献】
1.基于可靠度的8822H齿轮弯曲疲劳强度试验 [J], 王文生;赵璐;黄勇;朱汉朝;束玉宁
2.硬齿面齿轮弯曲疲劳可靠性仿真试验研究 [J], 陈举华;于浩
3.18Cr2Ni4WA齿轮接触疲劳特性试验研究 [J], 武志斐;王铁;张瑞亮
4.37SiMn2MoV调质齿轮弯曲疲劳可靠性试验 [J], 陶晋;史铁军
5.18Cr2Ni4WA渗碳淬火齿轮弯曲疲劳特性试验研究 [J], 王国军;闫清东;项昌乐;陈欣;蒋美华
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18Cr2Ni4WA钢渗碳层中等温贝氏体对接触疲劳性能的影响季士军;马茂元
【期刊名称】《热加工工艺》
【年(卷),期】1991(0)5
【摘要】用滚轮试样研究了18Cr2Ni4WA钢渗碳后等温淬火形成的贝氏体对接触疲劳性能的影响。

结果表明,由等温形成的下贝氏体、马氏体和残余奥氏体组成的混合组织的接触疲劳寿命明显低于由马氏体和残余奥氏体组成的混合组织的接触疲劳寿命。

分析表明,这既与等温下贝氏体本身的断裂特性有关,也与等温淬火试样中的残余奥氏体的机械稳定性较低有关。

【总页数】3页(P16-18)
【关键词】贝氏体;残余奥氏体;接触疲劳
【作者】季士军;马茂元
【作者单位】大连海运学院;哈尔滨船舶工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG113.255
【相关文献】
1.渗碳与喷丸复合处理对18Cr2Ni4WA钢表面完整性及疲劳性能的影响 [J], 常晓东;刘道新;崔腾飞;曾惠元;周莉;杜东兴
2.轴承钢中贝氏体对接触疲劳性能的影响 [J], 陈菁;赵冬梅
3.低温贝氏体转变对渗碳纳米贝氏体轴承钢表层组织与性能的影响 [J], 李伟;秦羽
满;王艳辉;康杰;杨志南;张福成;尤蕾蕾;李艳国
4.贝氏体等温处理对C-Mn-Al系TRIP钢组织和性能的影响 [J], 李霞;王亚芬;佟铁印;胡小强;李春诚
5.高碳贝氏体轴承钢滚动接触疲劳性能的研究 [J], 郑春雷;佘丽;王艳辉;杨志南;张福成
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齿轮用渗碳钢弯曲疲劳试验浅析陈郧皇百红(东风商用车有限公司技术中心工艺研究所，十堰442001)摘要：简述了评价渗碳钢弯曲疲劳的几种主要试验方法，即旋转弯曲疲劳试验、三点弯曲 疲劳试验、四点弯曲疲劳试验、悬臂梁弯曲疲劳试验以及标准齿轮弯曲疲劳试验等，并针对各试验方法的适用领域以及齿轮弯曲疲劳强度的提高途径给出了建议，以期为齿轮弯曲疲劳评价提供依据和参考。

关键词：齿轮弯曲疲劳试验方法中图分类号:TG115 文献标识码：B^ ---1—1刖@齿轮传动具有结构紧凑、传动效率高、传动比 准确、功率范围广、工作稳定等一系列优点，因此 在汽车、飞行器、机械设备以及仪器仪表中，齿轮 一直是广泛使用的关键基础零件。

在齿轮的传动 过程中，轮齿由于受到接触应力、弯曲应力以及冲 击力等力的作用，使得齿轮会产生疲劳、冲击、磨 损、齿面点蚀和塑性变形等多种失效形式。

而疲 劳失效是齿轮系统的主要失效形式，往往会导致 母体系统性能急剧恶化有时甚至会造成严重事故，使企业和国家遭受巨大的经济损失。

齿轮的 疲劳失效模式主要为齿面接触疲劳和齿根弯曲疲 劳，而对于大型齿轮传动、开式齿轮传动以及硬齿 面齿轮的闭式齿轮传动而言，齿根弯曲疲劳则是 一种更为典型的失效形式+。

齿轮轮齿经历足够 多次的循环加载，在重复的交变应力作用下，高应作者简介：陈郧（1988—)，男，助理工程师，硕士学位，研究方向为 结构钢应用研究。

力或高应变的轮齿局部会出现裂纹萌生，随着循 环载荷的进一步作用，裂纹逐渐扩展，直至最终达 到临界尺寸而发生轮齿的弯曲疲劳断裂。

弯曲疲 劳断齿往往会成为齿轮传动中危害严重的早期失 效，如何有效评价渗碳钢的弯曲疲劳性能显得尤其重要，也受到汽车企业的重点关注。

2弯曲疲劳试验方法目前，按照试样类型和支撑方式进行划分，评 价渗碳钢弯曲疲劳性能的试验方法主要有旋转弯 曲疲劳试验、三点弯曲（缺口、无缺口）疲劳试验、四点弯曲（缺口、无缺口）疲劳试验、悬臂梁弯曲疲 劳试验以及标准齿轮单、双齿弯曲疲劳试验，上述 各试验方法的成本依次增加，采用何种试验方法 取决于试验目的、设备能力、试样制备等条件，同时也受到试验费用和试验周期的影响。

文章编号:1001-2354(2002)11-0061-0220CrNi2MoA渗碳淬火齿轮齿根磨削对轮齿弯曲疲劳强度影响的试验研究Ξ陶晋,王小群,卢梅,谈嘉祯(北京科技大学机械工程学院,北京100083)摘要:论述20CrNi2MoA渗碳淬火齿轮齿根磨削与否对轮齿弯曲疲劳强度影响的对比试验研究,并基于此项试验研究提出了具有应用价值的观点。

试验研究结果表明,就20CrNi2MoA渗碳淬火齿轮而言,当齿根应力>700MPa时,以磨削齿根为好;当齿根应力≤700MPa时,以不磨削齿根为好。

齿根应力越低,不磨削齿根的优点越显著。

关键词:渗碳淬火齿轮;疲劳强度;磨削;对比试验中图分类号:TH132.413文献标识码:A为保证齿轮精度,常用磨削来进行精加工。

可以只磨削齿面的工作部分(啮合工作面),不磨削齿根过渡表面;也可以从齿顶到齿根都进行磨削。

磨削齿根的利弊如何,一直没有作过系统地科学地试验研究,因而存在不同意见。

北京科技大学齿轮科研组针对国产20CrNi2MoA渗碳淬火齿轮,就齿根磨削与否对轮齿弯曲疲劳强度的影响进行了对比试验研究,并基于此项试验研究提出了具有应用价值的观点。

这一项试验研究工作,在我国可能尚属首次。

1　试验机和试验齿轮试验在英国产STRON1603型电磁谐振疲劳试验机上进行。

该机加载精度高,试验数据能准确显示与记录。

试验齿轮为标准直齿圆柱齿轮,按G B/T14230要求设计,m=5mm,z=30,b=14mm。

齿轮制造工艺路线为:毛坯锻造→正火处理→粗车毛坯→滚齿→调质处理→渗碳淬火→磨齿(分磨削齿根和不磨削齿根两种)。

其中渗碳温度920℃～930℃,820℃油淬,180℃回火。

齿面硬度平均值53.3HRC,标准离差3.67HRC,轮齿芯部硬度391～410HV5,轮齿加工精度6级,G B10095—1988,齿根表面粗糙度R z=25μm。

材料化学成分和力学性能均符合G B3077—1988规定。

《铝合金车轮弯曲疲劳实验失效分析及工艺的研究》篇一一、引言铝合金车轮因其轻量化、耐腐蚀性强和良好的成形性等特点，在汽车工业中得到了广泛应用。

然而，其在实际使用中经常面临弯曲疲劳的问题，导致失效和安全隐患。

因此，对铝合金车轮的弯曲疲劳实验失效分析及工艺的研究显得尤为重要。

本文旨在探讨铝合金车轮在弯曲疲劳实验中的失效模式，并对其工艺进行深入研究。

二、铝合金车轮弯曲疲劳实验方法及设备铝合金车轮的弯曲疲劳实验主要借助专用的实验设备进行，如轮毂弯曲测试机等。

通过设定一定的加载速度、位移、循环次数等参数，模拟车轮在实际使用中的受力情况。

在实验过程中，记录下数据，包括加载力、位移、循环次数等，以及车轮的形变情况。

三、铝合金车轮弯曲疲劳实验失效模式分析经过大量的实验数据收集与分析，铝合金车轮的弯曲疲劳失效模式主要有以下几种：1. 表面裂纹：在反复的弯曲过程中，车轮表面可能出现裂纹，这是由于材料表面受到的应力超过了其承受极限。

2. 内部断裂：由于材料内部存在缺陷或应力集中现象，导致在长时间的弯曲过程中出现内部断裂。

3. 形变过大：车轮在持续的弯曲作用下，其形状可能发生永久性的变化，超过了一定的范围。

四、铝合金车轮的工艺研究针对铝合金车轮的失效模式，我们需要对其生产工艺进行优化。

主要的工艺包括材料选择、铸造工艺、热处理等。

1. 材料选择：选择具有高强度、高韧性和良好抗疲劳性能的铝合金材料。

2. 铸造工艺：优化铸造过程中的温度控制、模具设计等，减少内部应力集中和缺陷的产生。

3. 热处理：对铸造后的车轮进行适当的热处理，提高材料的性能。

五、工艺优化建议与实验验证根据上述的工艺研究，我们提出以下优化建议：1. 选择更加优质的铝合金材料。

2. 对铸造过程进行精细化控制，如优化温度控制范围、模具材料及设计等。

3. 对车轮进行适当的热处理，如淬火和回火等，提高其力学性能和抗疲劳性能。

为了验证这些优化建议的有效性，我们进行了对比实验。

第３５卷第３期中国机械工程V o l ．３５㊀N o ．３２０２４年３月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．３９４Ｇ４０４含N i 量㊁渗氮层深度及喷丸强化对４２C r M o齿轮弯曲疲劳性能影响研究武忠睿１㊀陈地发１㊀吴吉展１㊀杨玉典２㊀刘怀举１１．重庆大学高端装备机械传动全国重点实验室,重庆,４０００４４２．中国航发中传机械有限公司,长沙,４１０２００摘要:针对不同含N i 量㊁渗氮层深度和喷丸强化组合的４２C r M o 齿轮开展弯曲疲劳试验,探究了不同工艺组合的齿轮弯曲疲劳极限提升效果,为齿轮抗疲劳制造提供工艺指导.基于随机森林算法分析了不同工艺组合齿轮的表面硬度㊁渗氮层深度㊁表面残余应力和含N i 量对弯曲疲劳极限的贡献度,采用多元回归建立了考虑表面硬度㊁渗氮层深度㊁表面残余应力和含N i 量的齿轮弯曲疲劳极限预测公式.预测值与试验值相比,最大误差可以控制在７．８０％以内,为工程应用中快速㊁低成本评估齿轮弯曲疲劳极限提供了理论依据.关键词:弯曲疲劳;含镍量;渗氮层深度;喷丸;疲劳极限预测中图分类号:T H １１４D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２４．０３．００２开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):S t u d y o n I n f l u e n c e s o fN i C o n t e n t ,N i t r i d i n g H a r d e n i n g D e pt h ,a n dS h o t P e e n i n g o nB e n d i n g F a t i gu eP e r f o r m a n c e o f ４２C r M oG e a r s WUZ h o n g r u i １㊀C H E N D i f a １㊀WUJ i z h a n １㊀Y A N G Y u d i a n ２㊀L I U H u a i ju １１．S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fM e c h a n i c a lT r a n s m i s s i o n f o rA d v a n c e dE q u i pm e n t ,C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ,C h o n g q i n g,４０００４４２．A E C CZ h o n g c h u a nT r a n s m i s s i o n M a c h i n e r y C o ．,L t d ．,C h a n gs h a ,４１０２００A b s t r a c t :S i n g l e t o o t hb e n d i n g f a t i gu e t e s t sw e r e c o n d u c t e d o n ４２C r M o g e a r sw i t hd i f f e r e n t c o m Ｇb i n a t i o n s o fN i c o n t e n t ,n i t r i d i n g h a r d e n i n g d e p t h ,a n ds h o t p e e n i n g．T h ee f f e c t i v e n e s so fd i f f e r e n t p r o c e s s c o m b i n a t i o n so ni m p r o v i n g t h eb e n d i n g f a t i g u el i m i to f g e a r s w a si n v e s t i g a t e d ,p r o v i d i n gp r o c e s s g u i d a n c e f o r g e a r f a t i g u e r e s i s t a n c em a n u f a c t u r i n g ．A d d i t i o n a l l y,t h ec o n t r i b u t i o no f s u r f a c e h a r d n e s s ,n i t r i d i n g h a r d e n i n g d e p t h ,s u r f a c er e s i d u a l s t r e s s ,a n d N i c o n t e n t t ot h eb e n d i n g f a t i gu e l i m i t o f g e a r sw i t hd i f f e r e n t p r o c e s s c o m b i n a t i o n sw a s a n a l y z e du s i n g t h e r a n d o mf o r e s t a l go r i t h m．A m u l t i p l e r e g r e s s i o n m o d e l c o n s i d e r i n g s u r f a c eh a r d n e s s ,n i t r i d i n g h a r d e n i n g d e pt h ,s u r f a c er e s i d u a l s t r e s s ,a n dN i c o n t e n tw a se s t a b l i s h e dt o p r e d i c t t h eb e n d i n g f a t i g u e l i m i to f g e a r s ．C o m p a r i n g th e p r e d i c t e dv a l u e sw i t he x p e r i m e n t a l v a l u e s ,t h em a x i m u me r r o r i s c o n t r o l l e dw i t h i n７．８０％,p r o v i d i n ga t h e o r e t i c a lb a s i s f o r t h e r a p i da n d l o w Ｇc o s t a s s e s s m e n t o f g e a rb e nd i n g f a t i g ue l i m i t i ne n g i n e e r i n g a p pl i c a t i o n s ．K e y wo r d s :b e n d i n g f a t i g u e ;N i c o n t e n t ;n i t r i d i n g h a r d e n i n g d e p t h ;s h o t p e e n i n g ;f a t i g u e l i m i t pr e d i c t i o n 收稿日期:２０２２０７１７基金项目:国家重点研发计划(２０２２Y F B ３４０２８０１);重庆市杰出青年科学基金(C S T B ２０２３N S C Q ＧJ Q X ００１６)０㊀引言高性能齿轮对延长整机使用寿命和提高装备可靠性具有重要的作用[１Ｇ２].进行齿轮弯曲疲劳试验是阐明材料㊁工艺㊁结构等对齿轮疲劳性能的量化影响,实现产品轻量化和高功率密度设计的必要手段[３].由于齿轮弯曲疲劳试验周期长㊁成本高,故在大量试验的基础上I S O６３３６Ｇ５规定了M L ㊁MQ 和M E 三个质量等级来指导齿轮的设计和制造.但该标准的推荐值存在以下问题:①为了代表全社会工业生产水平和出于安全性的考量,该推荐值偏于保守,存在较大的冗余量;②制定I S O 标准的参考试验数据久远,已不能反映当前的工业生产水平;③I S O 标准仅构建了表面硬度与疲劳极限的关联规律,反映齿轮疲劳性能的特征参数较少.上述问题已严重阻碍了齿轮箱的轻量化和高功率密度设计,亟需开展齿轮弯曲疲劳试验,获取当前材料㊁工艺环境下的齿轮弯曲疲劳基础数据.淬透性主要取决于钢材的化学成分[４].为制４９３造具备更高承载能力的齿轮,在齿轮钢中常会添加一些微量化学元素(如N i㊁C r㊁N b等)以提高钢材的淬透性,进而实现改善产品疲劳性能和机械性能的目标.淬透性好的钢材,制造出的产品力学性能均匀,有效地减少了变形和疲劳裂纹扩展.大量研究和工业应用表明[５Ｇ７],N i元素能提高钢的淬透性,强化铁素体并细化㊁增加珠光体,能提高合金钢的塑性,从而显著提高合金钢的疲劳强度.渗碳淬火齿轮可获得较深的硬化层和较高的疲劳强度,但齿轮热变形大,需通过磨齿消除变形,导致生产效率低㊁成本高,而渗氮齿轮因在渗氮过程中材料不发生相变而具有热变形小的特点,为齿轮后续制造加工节约了成本[８].对于需要严格控制变形量的特殊应用场合的齿轮(如行星传动内齿圈㊁谐波齿轮等),渗氮淬火工艺有着显著优势.齿轮在渗氮前一般先进行调质处理,使其获得均匀细小的回火索氏体,有利于后续的渗氮处理.渗氮后,齿轮表面生成一层薄而硬的铁和合金元素氮化物的化合物层,使得渗氮齿轮具有耐高温㊁耐腐蚀㊁耐胶合的特点[９Ｇ１０].目前,对于模数在１０mm以内的齿轮,考虑成本和收益的合理渗氮层深度一般在０．６mm之内[１１].喷丸强化在不改变材料成分和产品构型的情况下,通过引入残余压应力延迟裂纹的成核和扩展来延长齿轮的疲劳寿命[１２].高速的弹丸流不断撞击齿轮表面发生塑性变形,形成残余压应力场,并改善材料表层组织结构[１３].WU等[１４Ｇ１６]通过研究发现渗碳淬火齿轮钢喷丸强化后的表层组织的残余奥氏体转变为马氏体,并有一定程度的晶粒细化现象,且表面残余压应力幅值和表面硬度也增大.C H E N等[１７]通过大量试验研究发现,喷丸强化齿轮的弯曲极限提升范围在６．３％~３１．１％,不同工艺㊁模数齿轮的喷丸强化提升效果差异明显.大量研究表明,N i元素和渗氮对改善齿轮弯曲疲劳性能是有益的,而在工业生产中往往需要兼顾生产成本与经济收益,只有将含N i量㊁渗氮层深度控制在合理范围,才能获得兼顾弯曲疲劳性能和经济性的最佳工艺组合,实现最大收益.本文对７组不同含N i量㊁渗氮层深度及喷丸强化工艺组合的４２C r M o齿轮开展脉动型齿轮弯曲疲劳试验和表征测试,为实现产品轻量化和高功率密度设计提供数据支撑.针对I S O６３３６Ｇ５中弯曲疲劳极限推荐值冗余量大㊁数据陈旧以及关联参数少的问题,基于随机森林算法对表面硬度㊁渗氮层深度㊁表面残余应力和含N i量等参数进行贡献度分析,采用多元回归建立了齿轮弯曲疲劳极限预测公式,为工程应用中快速㊁低成本评估齿轮弯曲疲劳极限提供理论依据.１㊀齿轮弯曲疲劳试验１．１㊀试验齿轮制备４２C r M o齿轮钢广泛应用于航天㊁航海㊁风电㊁工程机械等高端装备,具有高强度㊁高淬透性㊁韧性好且淬火变形小㊁高温下蠕变强度高等特点[１０],其化学元素主要有C㊁S i㊁M n等,具体化学成分见表１.表１㊀４２C r M o钢的化学成分(质量分数)T a b．１㊀C h e m i c a l c o m p o s i t i o no f４２C r M o s t e e l(m a s s f r a c t i o n)％w(C)w(S i)w(M n)w(C r)w(M o)０．４２０．２６０．７４１．０７０．２１w(A l)w(C u)w(P)w(S)０．０３０．０３０．０１２０．００１㊀㊀为量化评估不同工艺齿轮的弯曲疲劳性能差异和保证较高的试验效率,试验齿轮采用５模数㊁２４齿的几何结构参数,具体齿轮参数见表２.通过测量齿轮的表面粗糙度㊁宏观和微观几何形状,确定试验齿轮达到了８级精度等级要求.表２㊀试验齿轮参数T a b．２㊀P a r a m e t e r s o f t e s t g e a r s a m p l e齿数Z２４法向模数m n(mm)５压力角αn(ʎ)２０螺旋角β(ʎ)０变位系数x０．４８６分度圆直径d(mm)１２０基圆直径d b(mm)１１２．７６３齿顶圆直径d a(mm)１３４齿宽b(mm)３０跨五齿公法线长度W(mm)６９．７６６㊀㊀试验齿轮根据工艺的不同分为７组,命名为C a s e１~C a s e７,分别代表不含N i㊁含N i０．２％㊁含N i０．５％㊁含N i０．２％＋喷丸㊁含N i０．２％＋渗氮０．２４mm㊁含N i０．２％＋渗氮０．４９mm㊁含N i ０．２％＋渗氮０．４９mm＋喷丸的试验齿轮组,如图１所示.对不含N i㊁含N i０．２％㊁含N i０．５％的４２C r M o钢材进行以下机加工与热处理流程:①下料;②锻造;③８８０ħ下正火６．５h㊁空冷;④５７０ħ下回火５h㊁空冷;⑤粗加工;⑥调质处理,８６０ħ下淬火３h㊁水冷,随后５７０ħ下回火５h㊁随炉空冷;⑦精加工.然后得到不含N i㊁含N i０．２％和含N i０．５％的４２C r M o调质齿轮,分别命名为C a s e１~C a s e３.精加工后对含N i０．２％的４２C r M o齿轮进行５９３含N i量㊁渗氮层深度及喷丸强化对４２C r M o齿轮弯曲疲劳性能影响研究 武忠睿㊀陈地发㊀吴吉展等图１㊀试验齿轮制备F i g．１㊀P r e p a r a t i o no f t e s t g e a r 气体渗氮,并控制工艺参数使其获得不同的渗氮硬化层深度(n i t r i d i n g h a r d e n i n g d e p t h s,N H D).依据国家标准G B/T１１３５４ ２００５,采用硬度法测定渗氮后齿轮的渗氮层深度为０．２４mm和０．４９mm,分别命名为C a s e５㊁C a s e６.对含N i０．２％的４２C r M o齿轮和含N i０．２％＋渗氮层深度为０．４９mm的齿轮进行喷丸强化(s h o t p e e n i n g,S P),分别命名为C a s e４㊁C a s e７.两组齿轮的喷丸强化工艺参数一致,弹丸为直径０．６mm的钢丝切丸,喷丸强度为０．３５mm A,喷丸覆盖率为２００％.C a s e１~C a s e７试验齿轮的工艺参数见表３.表３㊀试验齿轮工艺参数T a b．３㊀P a r a m e t e r s o fm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sN i含量(％)渗氮层深度D N H(mm)喷丸强度(mm A)喷丸覆盖率(％)C a s e１０C a s e２０．２C a s e３０．５C a s e４０．２０．３５２００Ca s e５０．２０．２４C a s e６０．２０．４９C a s e７０．２０．４９０．３５２００１．２㊀表面完整性表征渗碳淬火㊁渗氮淬火㊁喷丸强化㊁磨削等工艺给齿轮引入显著的硬度梯度,对齿轮疲劳性能产生影响[１８].相较于疲劳耐久试验,齿轮的硬度能通过显微硬度测试轻松获取,其值在一定程度上也能粗略地反映齿轮的疲劳性能.为方便指导工程应用中的齿轮设计,I S O６３３６Ｇ５中建立了表面硬度与齿轮弯曲㊁接触疲劳极限的关联规律.本文采用MH V SＧ１０００A T型显微硬度测试仪测量了沿齿根裂纹扩展方向的硬度梯度分布,试验力为３００g,加载时间为１０s,显微镜放大倍率为４０,测试装置如图２所示.图２㊀维氏显微硬度测试F i g．２㊀V i c k e r sm i c r o h a r d n e s s t e s t几乎所有的机械零件都有残余应力,齿轮在机加工㊁热处理㊁喷丸等过程中也会引入残余应力,并且齿轮发生疲劳断裂㊁变形都与残余应力有关[１９].通常,残余压应力是有益的,它可以提高齿轮的疲劳性能.为高效㊁便捷地测量零部件的残余应力,本文采用基于c o sα法设计的便携式X光衍射仪(μＧX３６０s)测量了齿轮齿根切向残余应力.其原理为:X射线单次曝光在二维探测器上形成德拜谢勒环(DＧS环)[２０],材料晶面间距的变化导致德拜谢勒环变形,进而计算出残余应力值[２１].测试装置及参数如图３所示.图３㊀残余应力测试F i g．３㊀R e s i d u a l s t r e s s t e s t粗糙表面的沟痕会引起应力集中,诱发裂纹萌生和扩展,降低齿轮的疲劳寿命[２２].I S O ６３３６Ｇ３的齿根弯曲应力计算公式将齿根表面粗糙度对齿根弯曲应力的影响也考虑在内.本文采用M F TＧ５０００型白光干涉仪测量齿根表面粗糙度R z,测量原理如图４所示.两束反射光汇聚并６９３ 中国机械工程第３５卷第３期２０２４年３月发生干涉,得到各测试点(测试点A 和B )不同光程差的干涉条纹图案,便可计算出每个位置点的相对高度,进而得到待测试件的表面形貌[２３].因为待测件是渐开线齿面,需通过商业可视化分析软件G w y d d i o n 去除曲率和倾斜的干扰,使得表面粗糙度R z 的结果更精确.图４㊀白光干涉原理F i g ．４㊀W h i t e l i g h t i n t e r f e r e n c e p r i n c i pl e １．３㊀齿轮弯曲疲劳试验齿轮弯曲疲劳试验的主要方法有脉动型(s i n g l e t o o t hb e n d i n g f a t i gu e ,S T B F )试验[２４Ｇ２８]㊁运转型(r u n n i n gg e a r ,R G )试验[２９Ｇ３０]及缺口试样测试[３１Ｇ３２].脉动型试验因具有较高的试验效率和良好的经济性而成为国内外齿轮弯曲疲劳试验最常用的方法[３３Ｇ３４].本文使用G P S Ｇ２００型高频疲劳试验机进行单齿弯曲疲劳试验,试验齿轮装配如图５所示.试验开始前精确计算加载点位置,图５㊀脉动型齿轮弯曲疲劳试验F i g ．５㊀S i n g l e t o o t hb e n d i n g f a t i gu e t e s t 并调节夹具位置确保准确加载.试验齿轮正确装配的原则如下:压头平面在加载点处与齿廓相切,力作用线与齿轮基圆相切;整个齿轮处于固定不动状态,上下齿承受大小相同㊁方向相反的加载力[３５].为避免试验过程中装置过度磨损和齿轮移动,两个轮齿上始终会有一个最小压载荷F m i n ,本试验采用循环特性系数γF ＝０．０５.试验过程中,疲劳试验机通过脉动循环加载与齿轮发生共振,其共振频率与两者组成的总刚度和质量有关.当齿轮出现裂纹后,系统刚度降低,从而引起频率改变[２].当满足以下条件之一时即可判定齿轮发生失效:①频率下降了５％~１０％即可判断停机,本文选择５％;②出现可见裂纹或断齿.２㊀结果与讨论２．１㊀表面完整性(１)硬度.试验齿轮的显微硬度梯度如图６所示,可发现含N i ０．２％齿轮(C a s e ２)和含N i ０．５％齿轮(C a s e ３)的表面硬度分别为３０８H V 和３１５H V ,较不含N i 齿轮(C a s e １)的表面硬度３０１H V 分别提高了２．３３％和４．６５％;随着N i 元素含量的增加,齿根的表面硬度有较小的增大;从齿根表面到１５００μm 深处,C a s e １~C a s e ３齿轮的显微硬度总体上在３００~３３５HV 之间波动,没有明显的上升或下降趋势.对含N i ０．２％的齿轮进行渗氮淬火后,０．２４mm 渗氮层深度齿轮(C a s e ５)的表面硬度增加了９４．１６％,为５９８H V ,０．４９mm 渗氮层深度齿轮(C a s e ６)的表面硬度增加了９８．３８％,为６１１HV ;由图６可见,０．２４mm 渗氮层深度齿轮(C a s e ５)的显微硬度从表面开始快速下降到约５００μm 深处,与不渗氮齿轮(C a s e ２)持平;０．４９mm 渗氮层深度齿轮(C a s e ６)的显微硬度从表面开始下降到图６㊀齿轮显微硬度梯度分布F i g ．６㊀M i c r o h a r d n e s s g r a d i e n t d i s t r i b u t i o no f ge a r７９３ 含N i 量㊁渗氮层深度及喷丸强化对４２C r M o 齿轮弯曲疲劳性能影响研究武忠睿㊀陈地发㊀吴吉展等约９５０μm 深处时与不渗氮齿轮(C a s e ２)持平.渗氮处理后在齿轮表面形成了硬化层,使得齿轮表面显微硬度显著提高,且随着渗氮层越深,硬度增大越明显,硬度梯度下降也越缓慢.对含N i０．２％的齿轮进行喷丸强化后(C a s e ４),齿轮的表面硬度提高了１０．０６％,为３３９H V ,显微硬度到约１００μm 深处时与未喷丸齿轮的硬度持平;对０．４９mm 渗氮层深度的齿轮进行喷丸强化后(C a s e ７),齿轮的表面硬度提高了１１．６２％,为６８２H V ,且显微硬度分布到约２００μm 深处时与未喷丸齿轮的硬度持平.喷丸时,高速弹丸产生的能量冲击在齿轮上,引起齿轮表层产生剧烈塑性变形,从而增加其表层硬度.(２)残余应力.试验齿轮的齿根表面残余应力如图７所示.可看出,不含N i ㊁含N i ０．２％和含N i ０．５％齿轮(C a s e １~C a s e ３)的齿根表面残余应力分别为４０７M P a ㊁３７０M P a 和２８２M P a.未进行渗氮或喷丸处理的３组齿轮的齿根表面残余应力均为拉应力,且随着N i 元素含量的降低,齿根表面残余拉应力幅值也有所减小.图７㊀齿根表面残余应力F i g．７㊀S u r f a c e r e s i d u a l s t r e s s o f g e a r s 对含N i ０．２％的齿轮进行渗氮处理后,０．２４mm 渗氮层深度齿轮(C a s e ５)的齿根表面残余应力为－４０２M P a ,０．４９mm 渗氮层深度齿轮(C a s e ６)的齿根表面残余应力为－４６０M P a;对含N i ０．２％齿轮进行喷丸处理后(C a s e ４),齿根表面残余应力为－３３４M P a ;对０．４９mm 渗氮层深度齿轮进行喷丸强化后(C a s e ７),齿根表面残余压应力幅值增加了２２７M P a ,为－６８７M P a .结果表明,渗氮淬火和喷丸强化工艺引入了对齿轮疲劳性能有益的残余压应力或增大了残余压应力的幅值.渗氮层深度越大(渗氮时间越久),齿根残余压应力的幅值越大,说明喷丸能显著增大齿根残余压应力幅值.(３)粗糙度.对多个试样进行测试,计算平均值并取整,得到C a s e １~C a s e ７试验齿轮的齿根表面粗糙度R z ,如图８所示.不含N i ㊁含N i ０．２％和含N i ０．５％齿轮(C a s e １~C a s e ３)的齿根表面粗糙度R z 分别为２０μm ㊁１７μm ㊁１７μm ;对含N i０．２％的齿轮进行喷丸强化处理后(C a s e ４),齿根表面粗糙度R z 为２０μm ;渗氮处理后,０．２４mm渗氮层深度齿轮(C a s e ４)和０．４９mm 渗氮层深度齿轮齿根粗糙度R z 分别为１６μm ㊁１５μm ;对０．４９mm 渗氮层深度齿轮进行喷丸强化处理后(C a s e ７),齿根表面粗糙度R z 为１６μm .说明齿根表面粗糙度整体差异较小且符合齿轮设计要求.图８㊀齿根表面粗糙度R zF i g ．８㊀M e a n p e a k Ｇt o Ｇv a l l e y r o u g h n e s s o f ge a r s ２．２㊀齿轮弯曲疲劳极限(１)升降法数据处理.升降法(阶梯变载法)是目前评估齿轮疲劳极限(无限寿命阶段)最成熟㊁最常用的方法[３６].如果试样的加载循环次数达到预设的循环基数N ０(弯曲疲劳试验通常是３ˑ１０６次)还未发生疲劳失效,则停止试验并判定为越出;如果试样的加载循环次数在到达N ０之前停止,则试样发生疲劳失效.若试样失效,下一次试验降低一个载荷级;若越出,则升高一个载荷级.不同载荷由载荷间隔d ０平均划分,初始载荷和载荷间隔可根据预试验或试验经验确定.C a s e １~C a s e ７齿轮的升降法试验数据如图９所示,每组试验得到２０个有效数据点,分别编号为１~２０.根据升降法规则[３７],以出现疲劳失效的最低荷载为等级０,荷载等级i 从０开始按升序列出,每个荷载等级的疲劳失效点数和为f ,试验样本载荷的平均值μ和标准偏差σ计算公式分别为μ＝F ０＋(ðif i ðfi－１２)d ０８９３ 中国机械工程第３５卷第３期２０２４年３月图９㊀升降法试验数据F i g．９㊀T h e s t a i r c a s em e t h o dd a t aσ＝０．５３d０㊀㊀㊀㊀ðf iði２f i－(ði f i)２(ðf i)２＜０．３１．６２d０(ðf iði２f i－(ði f i)２(ðf i)２＋０．０２９)ðf iði２f i－(ði f i)２(ðf i)２ȡ０．３ìîíïïïïïïïïïï计算出μ和σ后,则可得到任意可靠度R下齿轮的弯曲应力对应的载荷F R％计算公式:F R％＝μ＋σΦ－１(１－R)C a s e１~C a s e７的试验处理结果如图１０~图１６所示.齿轮弯曲疲劳极限σF l i m是齿轮设计㊁校核的重要参数.将F R％代入下式即可计算得到任意可靠度下齿轮的弯曲疲劳极限σF l i m:σF l i m＝F t Y F Y S YβY B Y D Tb m n Y S T Y N T Yδr e l T Y R r e l T Y X f k o r r式中,F t为试验齿轮端面内分度圆周上的名义切向应力, N;Y F为齿廓系数;Y S为应力修正系数;Yβ为螺旋角系数;Y B为轮缘厚度系数;Y D T为齿高系数;αF e n为当量载荷作用角,(ʎ);Y S T为与齿轮尺寸相关的应力修正系数,取图１０㊀C a s e１的数据处理结果F i g．１０㊀D a t a p r o c e s s i n g r e s u l t s o fC a s e１图１１㊀C a s e２的数据处理结果F i g．１１㊀D a t a p r o c e s s i n g r e s u l t s o fC a s e２图１２㊀C a s e３的数据处理结果F i g．１２㊀D a t a p r o c e s s i n g r e s u l t s o fC a s e３图１３㊀C a s e４的数据处理结果F i g．１４㊀D a t a p r o c e s s i n g r e s u l t s o fC a s e３２．０;Y N T为寿命修正系数,取１．０;Yδr e l T为相对齿根圆角敏感系数;Y R r e l T为相对齿根表面状况系数;Y X为尺寸系数;f k o r r为脉动型试验数据转化成运转型试验数据的转化系数,取０．９.由于试验齿轮为直齿轮㊁支撑率大于１．２且为单齿加载,故螺旋角系数Yβ㊁轮缘厚度系数Y B 和齿高系数Y D T均为１.其余参数可根据I S O９９３含N i量㊁渗氮层深度及喷丸强化对４２C r M o齿轮弯曲疲劳性能影响研究 武忠睿㊀陈地发㊀吴吉展等图１４㊀C a s e ５的数据处理结果F i g ．１４㊀D a t a p r o c e s s i n g re s u l t s o fC a s e５图１５㊀C a s e ６的数据处理结果F i g ．１５㊀D a t a p r o c e s s i n g re s u l t s o fC a s e６图１６㊀C a s e ７的数据处理结果F i g ．１６㊀D a t a p r o c e s s i n g re s u l t s o fC a s e ７６３３６Ｇ３计算:Y F ＝６h F e m n c o s αF e n(S F n )２co s αn Y S ＝(１．２＋０．１３L )q (１．２１＋２．３/L )－１sY δr e l T ＝１＋ρᶄχ∗１＋ρᶄχ∗T Y R r e l T＝１．６７４－０．５２９(R z ＋１)０．１Y X ＝１．０５－０．０５m nq s ＝S F n /(２ρF )㊀㊀L ＝S F n /h F e 式中,S F n 为危险截面法向弦长,mm ;ρF 为齿根圆角半径,mm ;h F e 为弯曲力臂,mm ;ρᶄ为材料滑移层厚度,mm ;χ∗为相关应力梯度;χ∗T 为标准参考试验齿轮的相关应力梯度.根据上述计算过程,C a s e １~C a s e ７齿轮的弯曲疲劳极限值见表４.表４中,第一列为试验组编号,第二列为对应的强化工艺组合,第三列为９９％可靠度下的齿轮弯曲疲劳极限值.表４㊀C a s e １~C a s e ７齿轮的弯曲疲劳极限值汇总T a b ．４㊀S u m m a r y o f b e n d i n g f a t i gu e l i m i t v a l u e s o f ge a r sf o rC a s e １t oC a s e ７试验组工艺疲劳极限σF l i m (M P a )C a s e １不含镍３６９．６１C a s e ２含镍０．２３７４．６０C a s e ３含镍０．５％４１５．２０C a s e ４含镍０．２％㊁喷丸４４１．２３C a s e ５含镍０．２％㊁０．２４mm 渗氮５９３．０５C a s e ６含镍０．２％㊁０．４９mm 渗氮６１６．４１C a s e ７含镍０．２％㊁０．４９mm 渗氮㊁喷丸７０７．１５㊀㊀(２)含N i 量的影响.９９％可靠度下,不同含N i 量４２C r M o 调质齿轮的弯曲疲劳极限如图１７所示.不含N i ㊁含N i ０．２％和含N i ０．５％齿轮的弯曲疲劳极限分别为３６９．６１M P a ㊁３７４．６０M P a 和４１５．２０M P a .添加N i 元素后,含N i ０．２％齿轮(C a s e ２)的疲劳极限仅提高了１．３５％;而含N i ０．５％齿轮(C a s e ３)的疲劳极限提高了１２．３３％.可见,在４２C r M o 钢中添加N i 元素对提高齿轮弯曲疲劳性能是有益的,但只有N i 元素质量分数达到０．５％时,齿轮的弯曲疲劳极限才能得到明显提升.图１７㊀不同含N i 量４２C r M o 齿轮弯曲疲劳极限F i g ．１７㊀B e n d i n g f a t i gu e l i m i t o f ４２C r M o g e a rw i t h d i f f e r e n tN i c o n t e n t(３)渗氮层深度的影响.对含N i ０．２％的齿轮进行渗氮处理后,０．２４mm 渗氮层深度齿轮(C a s e ５)的弯曲疲劳极限增加了２１８．４５M P a,为５９３．０５M P a ;０．４９mm 渗氮层深度齿轮(C a s e ６)的弯曲疲劳极限增加了２４１．８１M P a ,为６１６．４１M P a .９９％可靠度下,不同渗氮层深度４２C r M o调质齿轮的弯曲疲劳极限如图１８所示.可见,渗氮能显著改善齿轮的弯曲疲劳性能,渗氮后齿轮的弯曲疲劳极限提高了５７．２６％~６２．７３％.当渗氮层深度从０．２４mm 增加到０．４９mm (即增大１０４．１７％)时,弯曲疲劳极限仅提高３．９４％.因此,只有将渗氮层深度(渗氮时间)控制在合理范围,才能建立兼顾弯曲疲劳性能和经济性的最佳组合,实现最大收益.(４)喷丸的影响.喷丸后齿轮的弯曲疲劳极限得到明显提升,如图１９所示.对含N i ０．２％齿００４ 中国机械工程第３５卷第３期２０２４年３月图１８㊀不同渗氮层深度４２C r M o齿轮弯曲疲劳极限F i g．１８㊀B e n d i n g f a t i g u e l i m i t o f４２C r M o g e a r sw i t hd i f fe r e n t n i t r i d i n g d e p t h轮进行喷丸处理后(C a s e４),齿轮弯曲疲劳极限较未喷丸齿轮(C a s e２)提高了１７．７９％,达到４４１．２３M P a;对０．４９mm渗氮层深度齿轮进行喷丸处理后(C a s e７),齿轮的弯曲疲劳极限较未喷丸齿轮(C a s e６)提高了１４．７２％,达到７０７．１５M P a.喷丸强化对齿轮弯曲疲劳极限的提升效果高于I S O ６３３６Ｇ５推荐的１０％.图１９㊀喷丸强化４２C r M o齿轮弯曲疲劳极限F i g．１９㊀B e n d i n g f a t i g u e l i m i t o f４２C r M o g e a rs t r e n g t h e n e db y s h o t p e e n i n g含N i０．２％齿轮喷丸前后,升降法试验的失效点的疲劳寿命分布如图２０所示.未喷丸试验组(C a s e２)的疲劳失效点出现在４１１~４５５M P a 弯曲应力水平,疲劳寿命分布在１万~６０万;而喷丸试验组(C a s e４)的疲劳失效点出现在４６１~㊀㊀㊀(a)C a s e２:０．２％N i(b)C a s e４:０．２％N i㊁S P图２０㊀疲劳失效点的寿命分布F i g．２０㊀F a t i g u e l i f e d i s t r i b u t i o n ５０５M P a弯曲应力水平,疲劳寿命分布在７万~１７０万.喷丸后,试验齿轮的载荷级和疲劳寿命都得到明显提升,喷丸抑制疲劳源的产生并延缓裂纹扩展速度,进而实现齿轮弯曲疲劳极限的提升.３㊀齿轮弯曲疲劳极限预测开展齿轮弯曲疲劳试验㊁获取当前工艺状态齿轮弯曲疲劳极限的重要意义如下:为齿轮轻量化设计提供理论支撑和数据依靠.但在实际情况中,齿轮弯曲疲劳试验的时间㊁经济成本高昂.为指导齿轮的设计㊁校核工作,I S O６３３６Ｇ５建立了弯曲疲劳极限与表面硬度的关联规律,测得齿轮表面硬度后便可获得一个相对可靠的弯曲疲劳极限推荐值.C a s e１~C a s e７的弯曲疲劳极限值与I S O ６３３６Ｇ５MQ级推荐值如图２１所示.C a s e１~ C a s e４的I S O M Q级推荐值分别为３１４．９３,３１７．８０,３２０．８８,３５５．３０M P a,试验值较推荐值分别高出１７．３６％㊁１７．８７％㊁２９．３９％㊁２１．１９％;C a s e５~C a s e７的I S O M Q级推荐值分别为３６３．００,３６３．００,３９９．３０M P a,试验值较推荐值分别高出６３．３７％㊁６９．８１％和７７．１０％.可见,当前工艺下齿轮弯曲疲劳极限值是远高于I S O６３３６Ｇ５推荐值的.依据I S O ６３３６Ｇ５推荐值进行齿轮设计和强度校核将留有很大的冗余空间,阻碍了齿轮轻量化㊁高功率密度设计,造成不必要的浪费.图２１㊀齿轮弯曲疲劳极限试验值与I S O６３３６Ｇ５推荐值F i g．２１㊀B e n d i n g f a t i g u e l i m i t t e s t v a l u e o f g e a r a n dr e c o m m e n d e d v a l u e o f I S O６３３６Ｇ５通过齿轮弯曲疲劳试验和表征试验,获得了各组齿轮试样的表面完整性和弯曲疲劳性能.结果表明,N i元素含量㊁渗氮层深度㊁齿根表面的残余应力和硬度等参数对齿轮弯曲疲劳性均有显著影响.为了阐明各表面强化工艺㊁齿轮表面完整性参数与弯曲疲劳之间的定量关系,本文采用随１０４含N i量㊁渗氮层深度及喷丸强化对４２C r M o齿轮弯曲疲劳性能影响研究 武忠睿㊀陈地发㊀吴吉展等机森林(r a n d o mf o r e s t,R F)算法确定N i元素含量㊁渗氮层深度㊁齿根表面残余应力和硬度对齿轮弯曲疲劳极限的贡献度.该算法的原理如下:通过对每个特征参数添加扰动,分析扰动对结果准确率的影响程度,若影响程度大,则该特征参数对结果的贡献度高;反之,则贡献度低[３８].基于平均准确率的随机森林贡献度计算公式为V I M i＝１NðN i＝１(E i－Eᶄi)式中,N为随机森林中树的棵数;E i为特征X扰动前第i 棵树对应的预测误差;Eᶄi为特征X扰动后第i棵树对应的预测误差.根据上述贡献度计算公式,齿根表面硬度H S㊁渗氮层深度D N H㊁齿根表面残余应力S R㊁N i 元素质量分数W四个参数对齿轮弯曲疲劳极限的贡献度分别为４７．４６％㊁２７．５６％㊁１７．１２％㊁７．８５％,结果如图２２所示.在这四个参数中,齿根表面硬度对齿轮弯曲疲劳性能的贡献最大,然后依次是渗氮层深度㊁齿根表面残余应力㊁N i元素质量分数.采用拟合回归方法分析各表面完整性参数和工艺参数对齿轮弯曲疲劳极限的单独影响规律,建立各参数与弯曲极限的函数关系:σF l i m＝０．７７８H S＋１５１．９６σF l i m＝５１７．０８D N H＋４２０．３２σF l i m＝－０．２６９８S R＋４７０．７１σF l i m＝３６４．８１e０．２４１３W图２２㊀贡献度分析F i g．２２㊀C o n t r i b u t i o na n a l y s i s根据各参数对齿轮弯曲疲劳极限的贡献度,将其作为权重分别乘以各参数与齿轮弯曲疲劳极限之间的拟合回归关系式然后相加,得到考虑这四个参数的齿轮弯曲疲劳极限预测公式:σF l i m＝０．３６９２H S＋１４２．５３D N H－０．０４６２S R＋２８．６４e０．２４１３W＋２６８．５７６依据上式,得到C a s e１~C a s e７齿轮弯曲疲劳极限预测值分别为３８９．５８,３９５．１６,４０４．２５,４３９．２５,５７２．３７,６１５．２２,６５１．９５M P a,相对于升降法弯曲疲劳试验结果的误差分别为５．４０％㊁５．４９％㊁２．６４％㊁０．４５％㊁３．４９％㊁０．１９％㊁７．８０％,误差范围为０．１９％~７．８０％.试验结果㊁预测结果以及I S O标准推荐值如图２３所示.可以看出,公式预测结果非常接近试验结果,预测结果与试验结果的最大误差为７．８０％,而I S O标准推荐值与试验结果的最大误差为７７．１０％;预测结果与试验结果的最小误差为０．１９％,而I S O标准推荐值与试验结果的最小误差为１７．３６％.由此可见,根据式(１２)可以得到比I S O标准更为精确的弯曲疲劳极限预测值,为快速且低成本地评估齿轮疲劳性能提供了理论依据.图２３㊀I S O推荐值㊁试验测试值与公式预测值对比F i g．２３㊀C o m p a r i s o no f I S Or e c o m m e n d e d v a l u e,t e s t v a l u e a n d f o r m u l a p r e d i c t e d v a l u e４㊀结论(１)提高４２C r M o齿轮弯曲疲性能最佳的工艺组合依次是:渗氮加喷丸强化(弯曲极限提高达８９％)㊁渗氮(提高５７％~６３％)㊁喷丸强化(提高１５％~１８％)㊁添加N i元素(提高１％~１２％).(２)渗氮和喷丸强化工艺能显著提高齿轮表面硬度,并在齿轮表面引入残余压应力或增大残余压应力的幅值,表面硬度提高范围为１０％~９８％,残余压应力最高达－６８７M P a.(３)本文提出了考虑齿根表面硬度㊁渗氮层深度㊁齿根表面残余应力和含N i量的齿轮弯曲疲劳极限预测公式.预测值与试验值的误差在７．８０％以内,远低于I S O推荐值与试验值的误差,为工程应用中快速㊁低成本地评估齿轮弯曲疲劳极限提供了理论依据.参考文献:[１]㊀吴吉展,魏沛堂,刘怀举,等．航空齿轮钢表面完整性与滚动接触疲劳性能关联规律研究[J/O L]．机械工程学报,２０２３:１Ｇ１２．(２０２３Ｇ０８Ｇ２９)．h t t p s:ʊk n s．c n k i．n e t/k c m s/de t a i l/１１．２１８７．T H．２０２３０８２８．１０４１．０１０．h t m l．WUJ i z h a n,W E I P e i t a n g,L I U H u a i j u,e t a l．S t u d yo nt h e C o r r e l a t i o n b e t w e e n S u r f a c eI n t e g r i t y a n d２０４中国机械工程第３５卷第３期２０２４年３月。

汽车齿轮钢弯曲疲劳性能研究张峰，郑立新，汪维新<东风商用车技术中心工艺研究所，湖北十堰 442001）摘要：采用自行设计的弯曲疲劳试样，在831Mpa、868Mpa、906Mpa应力水平下对几种常用齿轮钢弯曲疲劳性能进行了对比实验分析，量化了表面质量、心部硬度对齿轮钢弯曲疲劳性能的影响。

探索了提高驱动桥齿轮承载能力的技术途径。

关键词：汽车齿轮钢，弯曲疲劳试样，弯曲疲劳性能中图分类号：TG142.41 文献标识码：AStudy On The Flexural Fatigue Behavior Of Gear Steel for AutomobileZhang Feng，Zheng Li Xin，Wang Wei Xin(Material and Technology Institute of DongFeng Commercial Vehicle Technical Center, Shiyan hubei442001, China>Abstracts:The flexural fatigue behavior of the self-designing specimens of several gear steels on the different loads, 831Mpa，868Mpa and 906Mpa was analyzed. The effects of surface quality, matrix hardness on the flexural fatigue perfomance of gear steels have been discussed.The technical approach improving gear carrying capacity was explored.Key Words:gear steel for automobile, flexural fatigue specimen，flexural fatigue behavior重型车辆用来传输动力、驱动重型车辆前进的驱动桥齿轮在工作状态下承受较大的脉动弯曲载荷和冲击弯曲载荷，易造成轮齿弯曲疲劳断裂或过载断裂；而齿面间的脉动正压力和相对滑动则可能导致齿轮的接触疲劳损伤[1]。

20Cr2Ni4材料齿轮轴热处理工艺探讨徐燊;杨扬【摘要】针对20Cr2Ni4材料的齿轮轴，为有效控制渗碳淬火零件的碳化物和残留奥氏体等级，常规渗碳淬火工艺为带高温回火的一次渗碳淬火工艺，或渗碳淬火后进行深冷处理。

由于受设备条件限制，笔者试验采用不带高温回火的一次淬火渗碳淬火工艺来生产20Cr2Ni4材料零件，结果验证此工艺生产的零件满足技术要求。

【期刊名称】《金属加工：热加工》【年(卷),期】2016(000)015【总页数】2页(P41-42)【关键词】齿轮轴;渗碳;高温回火【作者】徐燊;杨扬【作者单位】西安法士特汽车传动有限公司;西安法士特汽车传动有限公司【正文语种】中文20Cr2Ni4材料中Cr、Ni含量高，淬透性好，具有良好的综合力学性能，一般用于制造重要零件如重载、大模数齿轮。

为了有效地控制20Cr2Ni4材料零件碳化物和残留奥氏体等级，渗碳淬火工艺多采用一次淬火法，即齿轮渗碳后进行高温回火再加热到淬火温度进行淬火，或额外进行深冷处理。

受设备条件限制，由于公司没有高温回火炉及深冷设备，笔者结合车间现有箱式多用炉生产线（箱式多用炉，清洗机和低温回火炉）尝试用正火处理代替高温回火的一次淬火工艺来生产20Cr2Ni4材料零件。

齿轮轴结构如图1所示，零件的工艺路线：锻造→等温正火→粗车→半精加工→渗碳淬火加低温回火→精加工→成品。

零件热处理技术要求：渗碳硬化层深0.90～1.40mm（HV513），表面硬度58～63HRC，心部硬度35～42HRC，金相组织符合伊顿标准TES-003《Metallurgical Requirements for Heat Treated Components》要求，不允许有网状或半网状碳化物，残留奥氏体等级不超过5级。

（1）试验材料及设备试验材料为20Cr2Ni4合金钢，化学成分见表1，检测设备为直读光谱仪，材料末端淬透性见表2。

热处理设备是AICHELIN公司5/3型箱式多用炉，渗碳过程工艺气氛为氮气和甲醇，富化气是丙酮。

渗碳齿轮的热处理分析刘国虎;陈羿【摘要】渗碳齿轮适合用于工作条件较为繁重、恶劣的汽车、拖拉机的变速箱和后桥中。

渗碳钢的工艺性能好，经济上也较合理，所以是较理想的齿轮用钢。

渗碳齿轮通常采用渗碳+淬火+低温回火热处理工艺，齿轮表面能获得58~63 HRC 的高硬度。

因淬透性较高，齿心部有较高的强度和韧度。

该种齿轮的表面耐磨性、抗接触疲劳强度和齿根的抗弯强度及心部的抗冲击能力都高于表面淬火的齿轮。

%Carburizing gears are suitable for heavy and bad working conditions with cars and tractors in gearbox and rear axle.The process of this kind of steel is good,and the economy is reasonable,so it is the ideal gear steel.Carburizing gear is usually used for carburizing,quenching,and low temperature back heat treatment process,gear surface can get 58 -63 HRC high hardness.Because of the high degree of quenching,the heart has higher strength and toughness.The gear sur-face wearresistance,resistance to contact fatigue strength and tooth root bending strength of the heart and the anti impact ability are all higher than the surface hardening gear.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】3页(P98-100)【关键词】渗碳;齿轮;热处理;强度;韧度;淬火;正火;耐磨性【作者】刘国虎;陈羿【作者单位】武汉人天包装技术有限公司基础所，湖北武汉 430205;武汉人天包装技术有限公司基础所，湖北武汉 430205【正文语种】中文【中图分类】TG156齿轮在机床、工程机械、船舶、航空、汽车、冶金、电力和石油化工等诸多工业领域中有着广泛的应用。