D0I:10.13374/j.issn1001-053x.198M.s1.021 北京钢铁学院学报 1984年增刊1 贝氏体球墨铸铁齿轮承载能力的研究 机械设计教研室曹仁政关卓 摘要 本文通过130多对球铁齿轮承载能力的试验研究,证明贝氏体球铁齿轮的强度 是所有类型球铁齿轮之冠,具有广雨的发展前途。 作者对具有我国特色的两种球铁一一铜钼贝氏体和钒钛贝氏体齿轮,进行了接 触疲劳和弯曲疲劳的强度试验研究,得出了各自的S-N曲线及相应的疲劳极限值 σ11m,从而为设计制造这种齿轮,提供了系统的数据,也可供增补“ISO”“齿 轮承载能力计算方法”中球铁齿轮口11m数据不足的参考。 作者用试验所得的数据,用于有关单位齿轮攻关的实践中,也取得了良好的效 果。 前 言 球愿铸铁齿轮由于具有耐磨、吸振、工艺性好、成本低廉等优点,近二十年来已引起了 国内外齿轮制造行业的广泛重视,并在实际应用中取得了良好的经济效果,而其中贝氏体球 铁齿轮的性能又更为突出,各国有关资料都认为其前景广阔【【】【】【)。但是到目前为 止,尚未见到这种齿轮可供使用的数据,这就必然影响到它的应用和推广。为此,我们对这 种齿轮作了较为系统的试验研究。并得到了疲劳曲线和相应的疲劳曲线值。 贝氏体球铁并不是一种单一的球铁牌号,随着化学成份、热处理工艺等的不同,其性能 匹配可以在相当大的范围内变化。我们选定了目前被认为机械性能较好的具有我国特色的铜 钼贝氏体和钒钛贝氏体两种球铁齿轮,进行了常规的系统的弯曲和接触疲劳强度的试验研 究,并得到了相应的接触疲劳和弯曲疲劳曲线,供今后设计齿轮用。 试 验 贝氏体球铁由于化学成份、热处理工艺、球化过程等不同、在性能上有较大差异。本试 验以我国铜钼和钒钛球铁齿轮为研究对象、共分六种类型、其主要参数和试验对数见表】。 各种贝氏体球铁的化学成分,机械性能见表2热处理工艺见图1。 齿轮承载能力主要按接触疲劳和弯曲疲劳强度来衡量的。由于这种材料的硬度较高,因 而其接触强度,在一般情况下,远远高于轮齿的弯曲强度。因此,如果采用一般试验室齿轮 的模数〔m=(0.02~0.03)a),则必将远未出现接触疲劳失效之前、齿轮早已弯曲疲劳折 断,从而得不到接触疲劳的任何数据,致使试验以失败告终。 65
北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 增刊 贝氏体球墨铸铁齿轮承载能力的研究 机械设 计教 研 室 曹仁政 关 妹 摘 要 本 文通过 多对球 铁 齿轮承载能力 的试 验研 究 , 证 明贝 氏体球铁 齿轮 的强度 是所 有类型 球铁齿 轮之 冠 , 具 有广 两 的发展 前 途 。 作 者对具 有我国特色 的两种 球铁一 一 铜钥 贝 氏体和钒 牡 贝 氏体齿轮 , 进行 了接 触疲 劳和 弯 曲疲劳 的强度试验研 究 , 得 出了各 自的 一 曲线及相应 的疲 劳 极 限 位 , 。 , 从 而 为 设 计 制 造 这种齿轮 , 提供 了系统 的数据 , 也可供 增补 ,’ ” “ 齿 轮承 载能力 计算方 法” 中球铁齿 轮。 , ,二 数据不 足 的参考 。 作者 用 试 验所 得 的数 据 , 用 于有关 单位 齿 轮攻关 的实践 中 , 也 取 得 了 良好 的效 果 。 月日 百 球 墨 铸 铁齿轮由于具有耐磨 、 吸 振 、 工艺 性好 、 成本低廉等优点 , 近二十年来 巳 引起 了 国 内外齿轮制 造行 业 的广 泛 重 视 , 并 在实际应用 中取 得了 良好的经济效果 , 而其 中贝 氏体球 铁齿 轮 的 性能 又 更 为突 出 , 各国有关 资料都认 为其前景广 阔 ‘ ’ ’ ’ ‘ 。 但是 到 目前为 止 , 尚未见到这 种齿轮可 供 使用 的 数据 , 这就必 然影 响到 它的应 用 和 推广 。 为此 , 我 们对这 种齿轮作了较为系统的 试 验研究 。 并得到了疲 劳 曲线 和相应 的疲劳曲线值 。 贝 氏体球铁 并不是 一种 单一的 球铁牌 号 , 随 着 化学成份 、 热处理工艺 等的 不 同 , 其性能 匹 配可 以 在相 当大的范 围内变化 。 我们选定了 目前被认为机械性能较好 的具有我国特 色的 铜 铂贝 氏体 和钒 钦 贝 氏 体两 种球铁齿轮 , 进 行 了常规的 系统的弯 曲和接触疲 劳 强度的 试 验研 究 , 并 得 到 了相 应的 接触疲 劳 和弯曲疲 劳 曲线 , 供今后 设计齿轮用 。 试 验 贝 氏体球铁 由于 化学 成份 、 热 处理 工艺 、 球 化过 程 等不 同 、 在性能 上有较大 差 异 。 本试 验 以 我国 铜 铂 和钒钦 球铁齿轮为研究对 象 、 共分六种类型 、 其 主 要 参数和试 验 对数见表 。 各种贝 氏体球铁的 化学成分 , 机械性能 见表 热 处理工艺见图 。 齿轮 承载能 力主 要按 接触疲劳 和弯 曲疲劳 强度来衡 量的 。 由于这种材料的 硬 度较高 , 因 而其接 触 强 度 , 在 一 般情 况下 , 远远高于 轮齿的 弯 曲强度 。 因此 , 如 果采 用一 般试 验室齿轮 的模数 〔 〕 , 则必 将 远 未 出 现 接触疲 劳 失效之 前 、 齿轮 早 已弯曲疲 劳 拆 断 , 从而 得不 到接触疲劳 的 任何数据 , 致 使试 验 以失 败告 终 。 DOI :10.13374/j .issn1001-053x.1984.s1.021
表1 主要参数 类 型 试验时数 核数m 齿数Z 平均硬度HRC 铜钼I型(上贝氏体) 3 mm 50 37.08 8 铜钼I型(下贝氏体) 3mm 50 43.51 8 铜钼【型(下贝氏体) 3mm 50 41.83 铜钼W型(下贝氏体) 9 mm 16 41.76 9 钒钛I型(下贝氏体) 2 mm 75 32.5 3 钒钛I型(下贝氏体) 75 41.8 2 表2 材料类型 铜钼I型 铜钼I型 铜铝【型 铜钼V型 钒钛I型 强度限oB (N/m m2) 120 120 120 120 130 机 屈服限0。·2 (N/m m2) 105 105 105 105 械 延伸率8 (%) 1.22 1.22 1.22 1.22 0.80 性 冲击值ak (N/mm 2) 6.10 6.10 6.10 6.10 能 弹性模量E (N/mm 2) 1.63×10 1.63×104 1.63×10 1.63×10 1.63×10 屈强比00,2/0B 0.81 0.81 0.81 0.81 Cu:0.5%,Mo:0.2%,C:3.4~3.8% V:0.3%, 化学成份 Si:2.8~3.0%,Mn:0.4≈0.5%, Ti0.1%,C, Si,Mn,P P:0.09% 大致同铜钼型 主要为上贝下贝氏体+少 下贝氏体+少下贝氏体+下贝氏体+ 量白亮区(淬 量白亮区(淬少量残余奥氏少量白亮区+ 金相组织 氏体或上下贝 火马氏体+残 火马氏体+我体马氏体 30~40%铁素 氏体 余奥氏体) 余奥氏体) 体 +少量铁素体 880℃~900℃ 40 880℃ 880℃ 880℃900℃ *900℃ 40 40 40 40 310七 280℃ 280℃ 280℃ 280℃ 60 60' 60 60 铜钼I型 铜钼I型 铜钳【型 铜钼V型 锐钛V型 图1 (等温淬火工艺) 为了解决这一问题,我们有意地大大增加模数(m=9)、减小齿数(Z=16),并采用 正变位,变位系数x1=x2=+0.3795)以进一步增加弯曲强度并适应试验台中心距的要求。 所有试验齿轮均采用JB110一60规定的标准渐开线齿型,齿轮精度为6~7DC级 (JB79-60)。 66
表 主主 要 参 数 要 参 数 试 验时数 核 数 齿数 平均硬度 吕石,勺勺‘目︵几︸ 丹内八几 … 厅内舀‘ 蕊︸︵ 任怪性月‘ 自且月,‘ 铜钥 型 上贝 氏体 勺丹厅二匕,了‘﹄勺匕”尸月 铜钥 型 下 贝 氏体 铜钥 型 下贝 氏 体 铜相 型 下贝 氏体 钒钦 型 下贝 氏体 钒钦 型 下贝 氏体 表 巡翼一 塑竺竺 一 显 蔓 阴又 ‘ 。 。 ‘ 月塑一 ‘ 。望华里型“ 竺丰 。 。 权 厂二 互、 乙 乙 乙 乙 廿 一 旦翌 」些二竺少一 止一 一 科 】 屈, 、 服一 限 。 、 , 八 口 二 , 。 二 口 , 。 口 , 。 口 二 - 州详, 、 二夔冲 、 、 、 击值嚣二 少 、 士, 亚。 · , 八二’ 二亘。 , 八 立三。 。 , 工 。 立。三。 工 , 。 垫二 能 …严 佃 强 比 卿。 , , 卫画” · 耳亚” · 耳画” · 可亘” · ”亚阵亚 化学成份 , , , 份 , , , , , , 大致 同铜钥型 主 要为上贝 下贝氏体 、 少 氏体或 上下 贝 贯蓦矗檬公簇 妙一 余奥氏体 下 贝 氏体 下贝 氏体 少里残余奥氏 少盆 白亮区 下余火奥贝马少白氏亮体一区铁索残一淬少体 金 相组织 体马氏体 铁 素 体 铜铝 型 履 铜铂 型 色铜铂 型 服 铜铂 那型 泣 帆牡 型 图 等温淬火 工 艺 为 了解决这 一 问题 , 我 们有意 地大大增 加模数 、 减小齿数 , 并采 用 正 变位 , 变位 系数 二 十 以 进一步增加弯曲 强度并适应 试 验 台 中心距 的 要求 。 所 有试验 齿 轮 均 采 用 一 规 定 的标 准渐 开 线 齿 型 , 齿轮精度为 级 一
球铁的球化级别为1一2级,球大小大致为 2级,其金相组织见图2和表2 在齿轮弯曲疲劳试验中,由于热处理工艺 的差异,铜钼和钒钛球铁又分铜钼I、【、【 型和钒钛【、【型,在接触疲劳试验中,只作 了铜钼V型一种 所有试验是在两台机械封闭杆杠加载式齿 轮试验台上进行的。试验台的特性为:中心 距为150mm,封闭系统中最大允许力矩为 2400Nm,转数为1500min-1 a)铜钼I型 每对齿轮在满载运转前,均加约25%满载 的轻载跑合6~8小时。在试验中每运转8小时重 新加载一次,以保证在规定的载荷下运 行。 对于失效判据,国内外尚无一致的标准、 根据我们对大量不同类型球铁齿轮试件失效特 点的观察和分析,并参考国外有关资料【」·【 【)·®1,拟定了贝氏体球铁齿轮的失效标准 为:对于齿轮弯曲疲劳:理应以出现宏观 裂纹为准、但由于这种材料往往事先难以观察 裂纹出现而突然折断,故仍以断齿为失效判 )钒钛】型 据。 对于表面接触疲劳,理应以点蚀面积为全 部工作齿而的百分率作为依据。但由于这种材 料与钢齿轮不同、基本上没有什么点蚀扩展过 程,而是到一定循环次数后,在某一个齿上突 然出现大片剥落的凹坑,且迅速扩大,而其他齿 则往往安全无恙。因此约定以齿面剥落面积达 到单个齿工作齿面的20%为失效判据(对有限 t 寿命的疲劳极限),而对无限寿命疲劳极限,仍 以不出现点蚀为准。 2℃)铜铝型 试验结 果 试验齿轮的极限应力按ISO计算方法中“B”法进行计算,其中跑合量Y:和Y。值均为 试验中的实测数据 根据不同的基体,在常规疲劳试验中,对中国铜钼和钒钛球铁,共进行了五组弯曲疲劳 试验,得到了四种类型贝氏体球铁的S-N曲线,(见图3),其方程和极限应力值见表3,同 时对中国铜钼进行了接触疲劳常规试验,得到了接触疲劳的S-N曲线(见图4)其曲线方程 和极限应力值见表3 67
球铁的球 化级别 为 一 级 , 球大小大致 为 级 , 其 金相组 织 见 图 和表 在齿 轮弯 曲疲 劳试 验 中 , 由于热 处理 工 艺 的差 异 , 铜钥 和钒钦球铁又 分铜钥 、 、 型 和钒 钦 、 型 在 接触疲 劳试 验 中 , 只 作 了铜 铂 型 一 种 所有试 验 是 在 两 台机械封 闭杆杠 加载式 齿 轮试 验 台上进 行 的 。 试 验 台的 特 性 为 中心 距 为 , 封闭 系 统 中最大 允许 力 矩为 , 转数 为 一 ’ 每对齿轮 在满 载运 转前 , 均 加约 满 载 的 轻 载跑 合 小 时 。 在试 验 中每运 转 小时重 新 加载 一 次 , 以 保 证 在 规 定 的 载 荷 下 运 行 。 对 于 失效判 据 , 国 内外 尚无 一 致 的 标 准 、 根据 我 们对大 量 不 同 类型 球 铁齿轮试 件失 效特 点 的 观察 和 分析 , 并参考 国外有关 资料 “ ’ 〔 ‘ , 拟 定 了 贝 氏体球铁 齿轮的 失 效标准 为 对 于齿轮弯 曲 疲 劳 理 应 以 出 现 宏 观 裂纹为准 、 但 由于这 种材料往往 事先难 以 观察 裂 纹 出现 而突 然折 断 , 故仍 以断 齿 为 失 效 判 据 。 对于 表 面接触 疲 劳 , 理 应 以 点蚀 面 积 为全 部工作齿而 的 百分率作为依据 。 但 由于 这 种 材 料 与钢齿轮 不 同 、 基 本 上没 有什 么点蚀 扩展 过 程 , 而是 到 一 定循环次数后 , 在 某一个齿 上突 然 出现 大片剥 落的 凹 坑 , 且 迅速 扩大 , 而其他齿 则往往安 全 无 恙 。 因此约 定 以 齿面剥 落面积达 到单个 齿工作齿面 的 为失效判据 对有限 寿 命的疲 劳极限 , 而对无 限寿命疲 劳极 限 , 仍 以 不 出现点蚀 为准 。 铜钥 型 钒 铁 型 图 铜铂 型 试 验 结 果 试 验 齿 轮的 极 限应 力按 计算方 法中 “ ” 法进行 计算 , 其 中跑合 量 , 和 。 值 均为 试验 中的 实测数据 根据 不 同的 基体 , 在常 规疲 劳试验 中 , 对 中国铜 钥 和钒钦 球 铁 , 共进 行 了 五组弯 曲疲 劳 试 验 , 得到 了 四 种 类型 贝 氏体球铁 的 一 曲线 , 见 图 , 其 方程 和极 限应 力值 见表 , 同 时对 中国铜 钥 进行 了接 触疲 劳常 规试 验 , 得到 了接触疲 劳的 一 曲线 见 图 其 曲线 方 程 和 极限应 力值 见 表
o (N/mm) 600 GH(N/m m3 500 2500 2000 300 1500 200 1000L 3×105×10 10 2×10 5×10 10 2×10 6×10° 10 图3 图4 表3 S-N曲线方程和极限应力值 循环基数No下的o1m值 可 强 (Mpa) 类型 硬度 靠 疲劳曲线方程 (HRC) N0=3×100 度 别 No=107 N0=5×10° 412 铜钼I型0.99 富 0p51740N=1.0191×102 37 374 309 铜钼I型0.99 曲 gp877N=4.4470×1018 43.5 279 438 铜钼【型0.99 鼍 0p3828N=5.7421×101s 41.8 384 铜钼N型0.99 0HN=8.1798×1020 41 1235 545 钒钛I型0.99 弯曲 0F807N=4.7455×1013 32 449 分析与结论 1.从试验结果可以看出,贝氏体球铁是球铁中综合机械性能最好的一种,它同时兼有 高的硬度、强度、韧性和塑性。从表4可知,贝氏体球铁齿轮的弯曲和接触强度,不但比其 他类型球铁高,而且也高于或接近合金铸钢或合金钢调质的上限。还可以看出,在贝氏体球 铁中,又以钒钛I型的强度为最好。这一点不仅为台架试验所证实,而且在一九八二年一机 部齿轮攻关中,由我院为上海起重机厂所提供的这种齿轮,胜利通过了攻关试验,效果良 好,因此,以此来代替合金钢,不仅在强度上绰绰有余,而且在经济效益上将大大优于合金 钢。 2。钒钛和铜钼球铁都有一个共同的特点。就是齿根弯曲强度并不与齿体硬度成比例关 系。由金相组织(图2)可以看出,硬度最高、基体几乎不含有铁素体的铜钼I型(平均硬 度HRC=43.5),其弯曲强度相对地说,却比较低,相反,硬度适中或较低,但基体含有较 多的铁素体的铜钼I型(平均硬度HRC=41.8)和钒钛I型(平均硬度HRC=32),弯曲 68
队 曰 、 ‘ ‘ 川 队 之之喊、 李、 、 甘 冈 卜二不之之户共之书之芝日 产尸 ‘ 、 、 、 ,肠、 ,‘ 尸 口尸 泣二 口 兮 叫卜产 ,卜久、 、 , 肠卜,目已 图 图 表 一 曲线 方 程和极 限应力值 循 环基数 。 下 的。 舀石值 类型 疲 劳 曲线方 程 硬 度 - 可靠度 别度强类 , ’ 甘 甘 弯曲 ‘ 铜 铂 型 铜 钥 型 , ‘ ’ 吕 卜 一 羚一… 卜豢一… 弯曲 铜钥 型 口 弯曲 ’ 铜 相 型 。 ’ 触接 ‘ 钒钦 型 。 , , · , , ,, ‘ , ’ - 弯曲 一甘‘“ 一。 分析与 结论 从试验结果可 以 看 出 , 贝 氏体球铁是球铁 中综 合机械性能最好 的一种 , 它 同时兼有 高 的 硬 度 、 强度 、 韧性 和塑性 。 从表 可 知 , 贝 氏体球铁齿轮的弯 曲和接触强度 , 不 但 比其 他类型球铁高 , 而且也高于 或接近 合金 铸钢 或合金钢 调质 的 上 限 。 还可 以看 出 , 在贝 氏体球 铁 中 , 又 以 钒钦 型 的 强度为最好 。 这一点 不仅 为台 架试验所证实 , 而且 在一九八 二年一机 部齿 轮 攻 关中 , 由 我院 为上海起重机厂所提 供 的这种 齿轮 , 胜 利通 过 了攻关试 验 , 效 果 良 好 , 因此 , 以 此来 代替 合金 钢 , 不仅 在强度 上绰绰 有余 , 而且 在经济效益 上将大大优于 合金 钢 。 钒钦和铜 钥球铁都有一 个共同的特点 。 就 是 齿 根弯曲强度并 不与齿体硬 度成 比例关 系 。 由金相 组织 图 可 以看 出 , 硬 度最 高 、 基体几乎不 含有铁 素体的铜钥 型 平 均硬 度 , 其弯 曲 强度相对地说 , 却 比较低 , 相反 , 硬度适 中或较低 , 但 基 体含有较 多的 铁 素体的 铜相 型 平均 硬度 和 钒钦 型 平均 硬度 , 弯 曲
表4 贝氏体球铁齿轮与其他材料齿轮强度的比较 硬度 弯曲疲劳极限应力 接触疲劳极限应力 材料种类 (HRC) OFIIm (Mpa) HIIm (Mpa) 数据来源 R=0.99,M0=3×10 R=0.99,No=107 铜钼I型 37 411 钢院研究 铜钼【型 43.5 309 钢院研究 铜钼【型 41.8 438 钢院研究 钒钛I型 32 545 1278 钢院研究 珠光体铁素体 244 球铁 (11B) 234 796 钢院研究 合金铸钢 37.5 205~305 (调质) (255) 869 ISo 合金钢 (调质) 37.5 250~360 (305) 977 强度都比较高,这一点与钢齿轮有较大区别。铜钼【型虽然硬度较高,但金相组织中存在一 个有淬火马氏体和残余奥氏体的白色区域,淬火马氏体具有较大的脆性,在外力作用下,此 区易形成裂纹,硬度较低的铜钼重型和钒钛【型却无此白色区,而在针状贝氏体周围,存在 着较多的塑性和韧性都较好的铁素体,与贝氏体中所含有强度较高的细渗碳体颗粒,共同组 成既有较高强度又有一定韧性的相嵌组织,因而弯曲强度较高。因此硬度适中(HRC在40以 下),在细针状贝氏体周围保持一定量的铁素体基体,是有利的。 3.铜钼贝氏体球铁齿轮其强度虽较钒钛为低,但其I,I,【型的平均弯曲疲劳极限应 力值,仍达386.5Mpa。其接触强度仍达1235Mpa,仍不失为一种好的球铁,如热处理得 当,可望强度更高一些。 4.贝氏体球铁的接触强度很高,其破坏常自表层深部开始,故裂纹不易表露,这对抗点 蚀和磨损为主的工况齿轮,特为适用。 参考文献 (1)J.E.Bevan,W.G.Scholz "Effects of Malylrdenum on Transforma- tion characteries and praperies of high strength Ductill Irons" 城 《AFS Transactions》Vol85,1977 〔2)M.Johonson“Austinitic--Bainitic Ductile Trons”《AFS,Transac- tions》Vo185,1977 〔3)四川省机械研究院,成都科技大学“稀土钒钛球严铸铁(贝氏体)齿轮材质的研 究”《球铁》1980恤1 〔4〕房贵如等“球铁齿轮的材质研究及生产技术”1980,10 〔5)IS0/TC60/WG6199E,200G,201E1978 (6)ISO/TC60/WG6422E,423E,424E,1980 〔7)AGMA215,01,1976 〔8)Din3990,1970 69
表 贝 氏体球铁齿轮与其 他材料齿轮强度的 比较 弯 曲疲 劳极限应 力 接触疲 劳极限应力 材料种类 口 二 一 , … 数… 铜 钥 型 铜 钥 型 铜钥 型 钒钦 型 珠光 体铁 素体 球铁 。 钢院研究 钢院研究 钢院研究 钢院研究 钢院研究 合 金铸 钢 调 质 合 金 钢 调 质 手 强度都 比较高 , 这 一点与钢齿轮有较大 区 别 。 铜 钥 型 虽 然硬 度较高 , 但 金 相组 织 中存在一 个有淬 火马氏体和残余奥氏体的 白色 区域 , 淬 火 马氏体具有较大的 脆性 , 在外力作用下 , 此 区易形 成裂纹 , 硬 度较低 的铜 钥 ,型 和 钒钦 型 却无 此 白 色区 , 而在针状 贝 氏体周 围 , 存在 着较多的塑 性和 韧性都较好 的铁 素体 , 与 贝 氏体 中所含有强度较高的 细 渗碳体颗粒 , 共同组 成既有较高强度又 有一定韧性的 相 嵌组织 , 因而弯曲强度较高 。 因此硬 度适 中 在 以 下 , 在细针状 贝 氏体周 围保持一定量的铁素体基体 , 是有利的 。 铜钥 贝 氏体球铁齿轮其强度 虽较钒钦为低 , 但其 , , , ,型 的平均弯曲疲 劳极 限应 力值 , 仍达 。 其 接 触 强度 仍达 , 仍 不失为一种好 的球铁 , 如 热处理得 当 , 可 望 强度更高 一些 。 贝 氏体球铁的接触强度很高 , 其 破坏常 自表 层 深部开 始 , 故 裂纹 不易表露 , 这 对抗点 蚀和磨损为主 的工 况齿轮 , 特 为适用 。 今 考 文 做 〔 〕 , 一 ” , 〔 〕 一 ” 《 , 》 , 四川 省机械研究院 , 成都科技大学 “ 稀土 钒钦球墨铸 铁 贝 氏体 齿轮材质的研 究” 《 球铁 》 取 〔 〕 房贵如 等 “ 球铁齿轮的材质研 究 及生 产技 术 ” , , , 〕 , , , 〔 〕 , , 〔 〕