D01I:10.13374/i.issn1001053x.1981.01.004 北京钢铁学院学报 1981年第4期 珠光体和珠光体-铁素体球墨铸铁 齿轮抗点蚀能力的研究 球墨铸铁齿轮承载能力研究报告之二 北京钢铁学院锡兼钺 郑州机械研究所房贵如* 摘 要 本文总结了珠光体和珠光体一铁素体球铁齿轮的齿面接触疲劳极限应力的测定 ,结果。根据齿轮寿命试验的结果数据，采用ISO齿轮承载能力计算方法，求得可靠 度为0.99的接触疲劳曲线方程，和循环基数N。=5×10?时的接触疲劳极限应力 G 当HB=253时，gH:m=673牛/毫米2， 当HB=226时，0Him=633牛/毫米2。 上述数值均高于国外同硬度的球铁齿轮或相当碳钢齿轮的数值。 试验中，还测定了齿面的磨损曲线，进行了齿轮润滑状态的计算。同时采用齿 面复膜和扫瞄电镜分析技术，揭示了珠光体球铁齿轮齿面破坏的两种不同方式。 一、前 言 球严铸铁是近三十年来发展起来的一种新型结构材料。实践表明：用球铁制造齿轮具有 切削性能好，耐磨，噪音小，重量轻，成本低等优点，因而在国内外均受到越来越大的重视 【】。 目前，在“DIN”、“ISO”等有关标准中，虽列有一些球铁齿轮的基本性能数据I) !,但是很不完整，彼此差别也很大另外，国外的数据都是以镁球铁为试验材料得出的， 与我国广泛应用的稀土镁球铁也不尽相同5引。因而有必要系统地研究、评价我国稀土镁球 铁齿轮的承载能力，为球铁齿轮的广泛应用提供科学的理论根据和较完整的基本数据。 本文是上述研究工作的一部分的总结。 二、试验齿轮 球光体球铁和珠光体含量较高的混合基体球铁（以下简称珠光体一铁素体球铁）是应用 鲁`参加本文试验工作的还有机械系朱孝录、沈水福、王勉、关掉、廉以智、时学素、郭 崔兴山、解乃如、范民政、史铁军、曹仁政，北京市机电研究院黄其华、梁骥、范婉平、陶 空智、小安、赵建华，郑州机械研究所画金波及陈世建。 39
北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 珠光体和珠光体 一铁素体球墨铸铁 齿轮抗点蚀能力的研究 — 球 墨铸 铁 齿轮承载 能力研 究报 告之 二 北 京 钢 铁 学院 肠乘被 郑州机械研 究所 房贵如 摘 要 本文 总结 了珠光 体和珠光 体一铁素 体球铁 齿 轮 的齿 面接触疲 劳极 限应力 的 测定 结果 。 根 据齿 轮寿命试 验 的结果数 据 ， 采 用 齿 轮承 载 能力计算方法 ， 求得 可 本 度为 。 的接触疲 劳曲线方 程 ， 和 循 环墓 数 。 二 时的接触 疲劳极 限应 力 口 川 ‘ 当 时 ， “ 二 牛 毫米” 当 时 ， ‘ 二 牛 毫米 “ 。 上 述 数位 均 高于 国外同硬 度 的球铁 齿 轮 或相 当碳钢 齿 轮 的数值 。 试 验 中 ， 还 测定 了齿 面 的磨 损 曲线 ， 进行 了齿 轮 润滑 状 态的计 算 。 同时采 用 齿 面 复膜和 扫瞄 电镜分 析技 术 ， 揭示 了珠光体球铁 齿 轮 齿 面破坏 的两 种不 同方 式 。 前 台 ‘ 球墨铸殊是 近三十年来发展起 来的一种新 型结 构材料 。 实践表 明 用 球铁 制造齿轮具有 切 削性能好 ， 耐磨 ， 噪音 小 ， 重 量轻 ， 成本低 等优点 ， 因而在 国 内外均受 到越来越大 的重视 盆 目前 ， 在 “ ” 、 ，’ ” 等有关标 准 中 ， 虽列 有一些 球铁齿 轮 的基 本 性能数据 ‘ ， 但是很不完整 ， 彼 此差 别也很大， 另外 ， 国外 的 数据都是 以镁球铁为试验 材料得出的 ， 与我 国广泛 应用的 稀土镁球铁 也 不尽相 同 ‘ 。 因而有必 要 系统地研究 、 评价我 国稀土镁球 铁齿轮 的承载能力 ， 为球铁齿轮的广泛 应用提供科学的 理论根 据和较完 整 的基 本数据 。 本文是上述研究工作 的一 部分 的 总结 。 二 、 试 验 齿轮 球光体球铁和珠光 体 含量较高的 混合基 体球铁 以下简称珠光体一铁 素体球铁 是应用 ‘参加 本文试 验 工 作 的还 有机械 系朱孝 录 、 沈水 福 、 王 勉 、 关蟀 、 康 以智 、 时学素 、 郭 崔 兴 山 、 解 乃如 、 范 民政 、 史 铁 军 、 曹仁 政 ， 北 京市机 电研 究院黄其 华 、 梁 骥 、 范婉平 、 陶 理 智 、 小安 、 赵建 华 ， 郑 州机械 研 究所 问金 波及 陈世 遂 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1981．04．004
范围较广的两种球铁。球铁国际标准(]中800-2、700-2、600-2及我国球墨铸铁件国家标准 【1中的QT80-2、QT70-2、QT60-2均属于这两种球铁范畴。本试验齿轮球铁的化学成分及 石墨球化情况见表一。 表1 试验齿轮材质的化学成分和球化情况 熔 炼 化学 成分（%) 石墨球化情况 条 件 Si Ma P M; R2 球化级别 石墨大小 冲天炉 3.7 2.7 0.340.0740.01710.038 0.015 1~2级 2级 三批材料的正火工艺、金相组织及机械性能见表2，相应的金相组织照片见图1。 (a)04批齿轮 (b)09-1批齿轮 (c)0S-2批齿轮 图】试验齿轮金相组织 表2 试验球铁齿轮的正火工艺、基体组织和机械性能 批 基 体 组 织 机械性能 正火工 珠光体量 珠光体 铁素体 硬度H。弹性模数E 号 % 显微硬度 形态 (平均) (牛/毫米2) 奥氏体化温度860℃ 60~70 片状 牛眼状 04 247~265 冬季空冷 Hm约350 破碎状 (平均253) 167000 09 奥氏体化温度910℃ 牛眼状 夏季快冷 80g的 粗片状 236~253 Hm约320 未潮· 半牛眼状 (平均243) 09 奥氏体化温度910℃ -2 夏季慢冷 60~70 粗片状 牛眼状 219≈232 (平均226) 162000· 试验齿轮如图2所示，其参数为：标 中110 准渐开线齿形，直齿，m=5毫米，21= 中85 Z.=30,a。÷20f。=1,C0=0.25。 切齿设备为Y-54A型插齿机床，采 用A级精度插齿刀。试验前，对每个齿轮 逐个齿面测量基节和公法线，用对比法检 查齿面光洁度，齿轮精度均在七级以上， 齿面光洁度在76以上。 图2 试验齿轮的主要尺寸
范围较广的 两种 球铁 。 球铁国际标准 妞 中 。珍一 、 ’ 仁 。佗 、 一 加一 及我国球墨铸铁件国家标准 中的 一 、 一 、 一 均属于这 两种球 铁范畴 。 本试验齿轮球铁的化学成 分 及 石 墨球化情况见 表一 。 表 试验齿轮材质的 化学 成分和 球化情况 熔 叫一一少 土 二 一 华 一 一 三 一 竺 一 一 竺 冲 大 炉 · … · ” · 成 分 卜 石墨整 情“ 球 化级 别 石墨大 小 。 。 。 。 级 级 三批 材料 的正 火工 艺 、 金 相 组织及热械性能见 表 “ ， 相应 的金 相 组织照 片见 图 。 批 齿轮 ‘ 丫 一 批 齿 轮 图 试 验齿 轮金 相 组 织 一 批齿 轮 表 试验球铁齿轮的 正 火工 艺 、 基 体组织和机械性能 批 正 火 工 艺 硬 度机 。械 弹性性模能数 号 珠光 体量 珠 光 体 铁 素 体 平均 牛 毫米 显微硬度 形 态 卜 奥 氏体化温度 ℃ … 。 一 。 片 状 牛眼状 冬 季 空 冷 二 、 约 平均 破碎状 奥 氏体化温度 ℃ 万身厅 ， ‘ 粗片状 牛 目异状 未 测 ’ ， 盆 ‘ 夏 季 快 冷 几 二 约 叫半碗毗 平均 奥 氏体化温度 ℃ 石 粗片状 牛眼状 ’ ， 一 夏 季 慢 冷 平均 ’ 酷 试验齿轮如 图 所示 ， 其参数为 标 准渐开线齿形， 直齿， 毫米， 二 ， 。 二 。 ， 。 旦 。 切齿设备为 一 入 型插齿 ‘ 机床 ， 采 用 级精度插齿刀 。 试验前 ， 对每个齿转 逐个齿面侧量基节和 公 法线 ， 用对 比法检 查齿面光洁度 ， 齿轮精度 均在七级 以 上 ， 齿面光洁度在 以上 。 小 一业乞一 一 日 口，一 口户 ‘ 〔口圈 叼 】冈 叼 日叼 曰厂 一 — 圈 川田 刁产一干 一 。 寻七 图 试验 齿 轮 的主 要尺 寸
三、试验条件和方法 试验装置为机械封闭弹性轴杠杆州载式综合试验台，其结构、性能参数和试验条件与报 告【！基本相同。为了使试验负荷的数值可靠，试验前后曾对试验台的静、动态负荷特性作 了两次全面测定[]，试验台运转性能良好。 试验分两批（试验编号分别为79-4、79一8）进行，均采用50号机油润洲，平均油温分别 为45℃和34.5℃。 每个齿轮一般安排做两次试验。每次试验运转前，都要进行六小时以上的轻载（杠杆加 载静力矩为12.5公斤·米)跑合。跑合后，应有2，/3以上的轮齿齿面金部接触，其它轮齿沿齿 长接触亦不应小下5%。 为防止卸载，仑负荷运转后，每两小附重新加载一次，八小时后，每八小时重新加载一 次。为及时监视齿面的破坏过程，每四个小时检查一次齿面，当累积循环次数达N≥10'时 终止试验。 四、试验结果及齿面接触疲劳极限应力 目前国内外对于齿面损坏和寿命的失效判据尚没有统一的标准。在本试验中，本着方 法简便、结果可靠的原则，抓住球铁齿轮在齿面节线处容易成线地出现点触的特点，参照 “ISO”)及日本高田、润等[1】规定的钢齿轮失效判据，齿面上没有偏载，采用在最危 险的轮齿上，金齿长出现2毫米宽的点蚀带作为失效判据。实践证明，这种方法是方便、可 靠的。 采用“ISO”【]的计算方法（主要采用其中的“B”法）进行试验应力计算。其中， 作用在主动试验齿轮上的力矩和工况系数K是根据电测结果{]计入的，计算中涉及的跑合 量，根据实测的磨损量而计入，计算中涉及的轮齿、轴的变形和轮齿制造误差，是依据试验 齿轮跑合后测定的轮齿承载接触区长度，按“ISO”方法来推算的，弹性模量E是根据实测 计入的。 考虑到本试验条件和“ISO”的试验条件有所差异，将计算得到的试验应力值·按 “ISO”方法折算成与“ISO”相当的接触应力值o'H。 由于09一1批齿轮的试验数据不够，未能进行数据处理，其他两批试验齿轮的配对情况 及试验结果列于表3一4。 根据上述试验结果，采用最小二乘法，求得04、09-2批试验齿轮的S-N接触疲劳曲线方 程。 HBm=253球铁齿轮的S-N接触疲劳曲线方程（其可靠度为0.99）为： c'7941==2.318×1030 (1) HBm=226球铁齿轮的S-N接触疲劳曲线方程（其可靠度为0.99）为： g'H88.4N=1.614×1031 (2) 为了便于比较，把报告【1中铁素体球铁齿轮(HBm=180.5)的S-N曲线与上述两条 S-N曲线一并绘入图3。 41
三 、 试 验条件 和方法 试 验装 双为机械封 闭弹性 轴杠杆 加 载 式综 合 试 验 台 ， 其结 构 、 性 能 参数 和 试 验 条件 与报 告 基 本 相 同 。 为 了使试验 负荷 的数值可靠 ， 试验前 后 曾对 试 验台的 静 、 动 态 负荷特性作 了两次全而 测 定 “ ， 试 验台运 转性 能 良好 。 试验 分 两批 试验编 号分 别为 一 、 一 进行 ， 均 采 用 号机 油 润 滑 ， 干均 油温分 别 为 ℃和 吐 ℃ 。 每个齿轮一 般安 排做 两 次试验 。 每 次 试验运 转前 ， 都 要进 行六小 时 以 上的轻 载 杠杆加 载静力矩 为 公斤 · 米 跑合 。 跑合后 ， 应 有 ， 以 上的 轮齿齿而 全部接触 ， 其 它轮齿沿齿 长接触亦不应小 干 。 为防止 卸载 ， 全 负荷 运 转后 ， 每 两 小时 重 新 加 载一 次 八 小时 后 ， 每 小 时 重新加 载一 次 。 为及时 监视 齿而 的 破坏 过 程 ， 每 四 个小 时 检 查一 次齿而 ， 当 累积循 环次数达 全 时 终止试验 。 四 、 试 验 结果 及 齿面 接触瘦 劳极 限 应 力 目前国 内外对 于齿面 损坏 和 寿命的 失效 判 据 尚没 有 统一 的标 准 。 在 本 试 验 中 ， 本 着方 法 简便 、 结果可靠 的原 则 ， 抓住球铁齿轮在 齿面 节线 处容 易 成线 地 出现点触 的 特 点 ， 参照 ，’ ” ’ 及 日本 高 田 、 润等 ‘ 。 规定 的钢 齿轮失效 判 据 ， 齿而 上没 有偏 载 ， 采用 在 最危 险的轮齿上 ， 全齿 长 出现 毫米宽 的 点蚀带作为失效 判 据 。 实践证 明 ， 这种 方 法是 方便 、 可 靠 的 。 采 用 “ ” ‘ 的 计 算方 法 主 要 采 用 其 中的 “ ” 法 进 行 试 验应 力 计 算 。 其 中 ， 作用 在主 动 试验齿 轮 上 的 力矩 和工 况 系数 人 是 根 据 电测 结 果 “ 计 入 的 计 算 中涉及的跑合 里 ， 根 据实 测 的磨 损 量 而计 入 ， 计 算 中涉及的 轮齿 、 轴 的 变形 和 轮齿 制造误 差 ， 是 依 据 试验 齿轮跑合后 测定 的 轮 齿承载接触 区 长度 ， 按 ，’ ” 方 法 来推 算的 ， 弹性 模 量 是 根 据实测 计入 的 。 考虑 到本试验 条件 和 ’ ” 的 试 验 条件 有所 差 异 ， 将计算 得 到 的 试验应 力值 。 按 ’ ” 方 法折 算成 与 ，’ ” 相 当的 接触 应 力值 。 ‘ 。 。 由于 一 批齿轮 的 试 验数据不够 ， 未能 进 行 数据 处 理 ， 其他 两批 试 验 齿轮 的 配 对情 况 及试 验结 果 列 于表 一 。 根 据 上述 试验结 果 ， 采用 最小二乘 法 ， 求得 、 一 批 试 验齿轮的 一 接触疲 劳 曲线 方 程 。 二 ” 球 铁齿 轮 的 一 接触疲 劳 曲线 方 程 其可 靠 度为 为 ， ， ’ 。 球 铁齿轮 的 一 接触 疲劳 曲线方 程 其可 靠 度 为 为 ， ’ ‘ 为了便于比较 ， 把报告 「” 中铁 素体球铁 齿轮 。 二 的 一 曲线 与上述 两 条 一 曲线一并绘入 图 。 礴飞
表3 04批齿轮试验结果（平均硬度HBm=253) 硬度 实际齿面 折算齿面 刚出现点达失效判 试验编号 试验齿轮号 接触应力 接触应力 蚀时应力据时应力 循环次数循环次数 备注 (HB) oH(牛/毫米)o'H(牛/毫米2N(×10N(×10) 主 04-02(正) 261 N>107终 79-4-01 816.298 899.007 1.709 止试验时， 从 04-01(正) 251 还未达失效 判据 主 04-04(反) 257 79-4-02 790.580 870.683 2.605 同上 从 04-05(反) 254 主 04-02(反) 261 79-4-03 947.286 1043.267 0.734 4.364 9 04-01(反) 251 主 04-09(正) 252 79-4-04 1086.296 1189.753 0.548 1.187 从 04-07(反) 248 主 04-09(反) 252 79-4-05 1014.019 1116.761 0.325 2.014 从 04-07(正) 248 主 04-13(正) 261 79-4-06 1022.147 1125.713 0.702 2.842 从04-08（正） 258 主04-13（反） 261 79-4-07 893.779 984.338 0.841 5.365 从04-08（反） 258 主04-12（正） 265 79-4-10 886.302 976.104 1.597 6.422 从 04-11(反) 250 主 04-22(正) 250 79-4-12 913.572 1006.137 3.265 6.372 从04-13（反） 247 主 04-22(反) 250 79-4-13 889.790 979.945 0.719 6.079 从 04-18(正) 247 42
表 批齿轮试验结果 平均硬 度 。 二 试验编号 试验齿轮号 硬 度 实际齿面 折算齿面 刚出现点 达失效判 备 注 接触应 力 接触 应力 蚀 时应力 据时应力 牛 毫米 尹 牛 毫米 循 环次数 循环次数 ， 。 一 一 主 一 正 终 从 一 正 止试验时 ， 还未达失效 判据 一 一 主 一 反 同 上 从 一 反 一 一 主 一 反 从 一 反 一 主 一 正 从 一 反 一 一 主 一 反 从 一 正 ’ 一 了 一 一 主 一 正 一 从 一 正 了 一 一 主 一 反 从 一 反 一 一 主 一 正 名 从 一 反 了 一 一 主 一 正 ， 从 一 反 一 主 一 反 从 一 正
表4 092批齿轮试验结果（平均硬度HBm=226) 硬度 实际齿面 折算齿面 刚出现点达失效判 试验编号 试验齿轮号 接触应力 接触应力 蚀时应力据时应力 (HB) 循环次数循环次数 备注 口（牛/毫米2）σ'H(牛/毫米N(×10N(×10) 主 09-16(正) 241 97-8-01 903.224 993.423 0.544 1.608 从 09-07(正) 215 主09-08（正） 241 79-8-02 773.009 850.395 1.497 6.857 从 09-06(正) 227 主09-16（反） 241 79-803 765.495 842.129 2.246 5.185 从09-07（反） 215 主09-08（反） 241 79-8-04 760.386 836.508 2.788 6.898 从09-06（反） 215 主09-04（正） N=1.233× 236 79-8-05 707.362 778.176 1.700 107终止试 从09-12（正） 209 验时，还未 达失效判据 主 09-04(反) 236 N=1.045× 79-8-08 729.049 802,034 1.349 107终止试 从 0912(反) 209 麽笑效秀秦 主 09-22(反) 232 79-8-17 932.998 1026.400 0.536 1.241 从 09-15(反) 221 主 0918(反) 221 79-8-18 823.635 906.089 0.745 2.891 从 09-14(反) 220 主 09-22(正) 232 阶梯加载 79-8-11 从 09-15(正) 221 (11) 主 09-18(正) 221 79-8-12 同上 从 09-14(正) 220 43
表 一 批齿轮试验结果 平均硬 度 二 达据循失环时 硬 度 试验编 号 试验齿轮号 实际齿面 接触应力 ” ’… 。 牛 毫米 一 正 盯闷闭 韭 … 折算齿面 接触应力 乍 牛 毫米 ，。出现点 蚀时应力 循环次数 ，， ，‘ ’ 日一 · 正 一 一 一 正 一 正 一日 ‘ 一阮冲日 一到州到洲洲洲 一阅 从 一 反 反 终 止试 验时 ， 还未 达失效判据 ‘曰一‘，自 任一，几”︵︸ 勺一几‘ ﹄曰口︸曰 八‘ ‘ 一自几任 一吸了几、‘、、矛矛 了一、 、少了声﹄、，， 一匡阵协队住瓜卜尸协 从 主 一 从 主 ，曰‘一‘曰，一白 一八自人 用一 从 卜 反 卜 反 一 反 卜 反 反 卜 反 二已口缪 一 一 】 。 … ，曰‘一 的“一自，曰 自一，几八曰︸ 尸一泊产旧四胜心 一 正 一 正 下 一 … … 卜 …卿 ， 土 二 上 …一一一匕巴兰 一 一 同 上