20CrMnMo渗碳淬火齿轮的接触疲劳强度

D0I:10.13374/i.issn1001053x.1992.05.007 北京科技大学学报 第14卷第5期 Vol.14 No.5 1992年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sept.-1992 2 0CrMnMo渗碳淬火齿轮 的接触疲劳强度① 易秉钺* 陈键 周建梁· 滴要：对齿面硬度HRC62的20 CrMnMo渗碳淬火齿轮，进行了接触疲劳运转试验，获得33 个试验数据。经过数据处理，绘制出R一8一W曲线，可靠度0.99，循环基数5×10？，其齿面 接触疲劳极限应力为1571.6N/mm2.通过电镜等，对齿面损伤特性进行了宏观和微观的分析， 获得一些有益的观点，提出一些有效的技术措施。 关键词：渗碳淬火齿轮，接触疲劳强度，齿面损伤 Contact Fatigue Strength of 20CrMnMo Carburized and Quenched Gears Yi Bingyue'Chen Jian' Zhou Jianliang ABSTRACT:Using power circulating type gear tester 33 pairs 20CrMnMo carburized and quenched gears,having tooth surface hardness HRC62,were tested to investigate the contact fatigue life.The test results were treated by statistical methods and plotted as R-S-N curve.The contact strength limits oim were 1 571.6 N/mm2 with reliability 0.99 at 5X 107 cystes.By using scanning electron microscope etc.,the texture of tooth surface damage were described and the mechanism of failures was investigated. KEY WORDS:carburized and quenched gear,contact fatigue strength,tooth surface damage .我国制订的《渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法》标准(GB3480一83)中，极限应力区 域图，是沿用了S0标准。而且，硬齿面齿轮的计算方法，都基本上采用软齿面齿轮的计算方 ①1991一10-11收稿 ,机械工程系(Department of Mechanical Engincering) ·530·

北 京 科 技 大 学 学 报 第 41 卷第 5期 1 9 92 年 9 月 V o l 。 14 N o . 5 J o u r n a l o f Uni v e r s ti y o f S e i e n e e an d T e e h n o l o g y Be ij i n g S ep t . 1 9 92 2 0 C r M n M o 渗碳淬火齿轮 的接触疲劳强度 ① 易秉钱 ’ 陈 键 ’ 周 建梁 ` 摘 要 : 对齿面 硬度 H R C 62 的 Z Orc M n M。 渗碳淬火齿轮 , 进行了接 触疲劳运转试验 , 获得 3 个试验数据 。 经过数据处理 , 绘制 出 R 一 习 一 N 曲线 , 可靠度 0 . 9 , 循环 基数 5 x l 丁 , 其 齿面 接触疲 劳极限应力为 1 57 1 . 6 N / m m Z 。 通过 电镜等 , 对 齿面损伤特性进行了宏观和 微观 的分析 , 获得一些有益 的观点 , 提出一些有效 的技术措施 。 关链词 : 渗碳 淬火齿轮 , 接触疲劳强 度 , 齿面 损伤 C o n t a e t F a ti g u e S tr e n g t h o f 2 OC r M n M o C a r b u r iZ e d a n d Q u e n e h e d G e a r s Yi B i n g 护记 苦 口瓜抓 了必筋 . 2 切u J 砧 n l她叩 . 咐 A BS T R A C T : U s i n g P o w e r e i r e u l a it n g ty pe g e a r t e s te r , 3 3 琳ir s 2 0C r M n M o ca r b u ir z ed a n d q u e n e h e d g ea r s , ha v i n g t o t h su r fa e e h a r d n e s H R C 6 2 , w e r e t e s t ed t o i n V e s t i g a t e t h e e o n at c t fa igt u e l if e . T he et st r esu lst w e r e t r e a et d by s at t is it ca l m e t h od s a n d P l o t t e d as R 一 S 一 N e u r v e . T h e e o n at e t s t r e n g t h l im i st a H I j二 we r e 1 5 7 1 . 6 N / m m Z iw t h r e il a bil i t y 0 . 9 9 a t S X I O 7 e y st e s . yB u s in g sca n n i n s e l e e t r o n m i e r osc o ep e t e . , ht e et x ut r e o f t o o t h s u r fa e e d a m a g e w e r e d e sc r i b e d a n d t h e m e e h a n is m o f fa il u r e s w a s i n v e st i g a et d . K E Y W O R D S : e a r b u r止 e d a dn q u e n hc e d g e a r , e o n at e t fa t i g u e s t r e n g t h , t o t h s u r f a e e 血 m 昭e 我 国制订的 《 渐开 线圆柱 齿轮承载 能力计算方法》 标准 ( G B 3 4 8 O一 83 ) 中 , 极限应力区 域图 , 是沿用 了 15 0 标准 。 而且 , 硬齿面齿轮的计算方法 , 都基本上采用软齿面齿轮的计算方 ① 19 9 1一 1 0一 2 2 收稿 辛 机械 工程 系 ( eD 两t m e n t 吐 M e c h a n i司 E n咖 e e r加s ) · 5 3 0 · DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1992. 05. 007

法，国内外有些学者认为二者的损伤特性有较大的不同，在计算方法上应有所区别。1986年 由郑州机械研究所和北京科技大学承担的上述齿轮疲劳寿命及其损伤特性的研究，被列入机 械工业科学技术发展基金项目中，并规定20 CrMnMo等6种硬齿面材料，在齿轮设计、材料冶 炼及热处理等，应充分反映我国实际水平。 由于20 CrMnMo钢材料普遍、价格低廉、具有良好的机械性能和工艺性能，在我国应用甚 为广泛，如最新制订的普通减速器系列和重载低速减速器系列的齿轮，都选用了这种材料。因 此，本研究具有一定的实际意义。 本研究完成了33对齿轮试件的运转试验，相应进行齿面损伤形貌观察、金相、电镜分析 等，获得了大量有关硬齿面的信息，这对今后设计、制造、使用这种齿轮是十分有用的。 1 试验方法.c2 1.1齿轮试件 齿轮材质的化学成分：C-0.2%;Si-0.23%;Mn-1%:P一0.025%；S-0.014%;Cr 一1.22%；Mo-0.24%。 齿轮试件主要几何参数：标准直齿轮，模数m=6mm;小、大齿轮齿数Z:=20,Z2=30; 齿宽b=30mm。 齿轮试件进行渗碳淬火热处理和制造。经各种检测，齿轮试件的锻造和热处理均符合MQ 质量要求；齿轮制造精度为6级；材料的机械性能：os=1270N/mm2,a=1360N/mm2, =12%,p=53%,x=95J/cm2,Ke=424,齿面硬度HRC62。 1.2试验机 试验机采用JG150型封闭流机械杠杆加载齿轮试验机。试验前，按文献〔1)要求和方 法对试验机进行性能测定。测定结果表明，性能稳定，两台试验机具有相似性。 1.3试验 按文献〔2)推荐，作4个应力水平的R一8一N曲线。又按文献〔3)，每个应力水平至少 有5个试验点，并满足其相关系数的要求。为了节省试件，采用齿轮搭接进行试验，实际接 触宽度b=7~10mm。按文献〔2〕推荐的失效判据作为本试验的失效判据。 2试验结果及分析 2.1疲劳寿命试验结果 试验应力均按GB3480一83的一般方法用计算机算出。接触应力和疲劳寿命列入表1。 ·531·

法 , 国内外有些学者认为二 者的 损伤特性有较大的不 同 , 在计算方法 上应 有所 区 功 。 19 86 年 由郑州机械研究所和北 京科技 大学承担的上述齿轮疲劳寿命及其损伤特性 的研 究 , 被列入机 械工业科学技 术发展 基金项 目中 , 并规定 2 0c rM n M O 等 6 种硬齿面材 料 , 在 齿轮设计 、 材料 冶 炼及热处理等 , 应充分反映 我国实际 水平 。 由于 2 0cr M n oM 钢材料普遍 、 价格低廉 、 具有 良好的机械性能和工艺性能 , 在 我 国应用 甚 为 广泛 , 如最新制订的普通减速器 系列和 重载低速减速器系 列的齿轮 , 都选用 了这种材料 。 因 此 , 本研究具有一定 的实际 意义 。 本研究完成 了 3 对齿轮试件的运转试验 , 相应进行齿面损伤形貌观察 、 金相 、 电镜分析 等 , 获得 了大量有关硬 齿面 的信息 , 这为今后设计 、 制造 、 使用这种齿轮是十分有用的 。 1 试验方法 〔 ,〕 、 〔2〕 1 . 1 一 1 。 齿轮试 件 齿轮材质的化学成分 : e 一 。 , ’ 2 % ; iS 一 0 . 2 3 % ; M n 一 1 % ; p 一 0 · 02 5 % ; S 一 o · 0 1 4 % ; C r 2 2 % ; M o 一 0 . 2 4 % 。 齿轮试件主要几何参数 : 标准直齿轮 , 模数 。 一 6 m m ; 小 、 大齿轮齿数 Z , 二 20 , 2 2 一 30 ; 齿宽 b = 3 0m m 。 齿轮试件进行渗碳 淬火热处理和制造 。 经各种检测 , 齿轮试 件的锻造和 热 处理均符 合 M Q 质量要求 ; 齿轮制造 精度为 6 级 ; 材料的机械性能 : 几一 1 2 70 N /m m Z , 几 一 1 3 60 N / m m , , 久 = 1 2 % , 甲 = 5 3 % , 贩 = 9 5 ) / e m Z , K : C = 4 2 4 , 齿面硬度 H R C 6 2 。 1 . 2 试验机 试验机采用 J G 1 5 0 型 封 闭流 机械杠杆加载齿轮试验机 〔 , , 。 试验前 , 按文献 〔1〕 要求和方 法对试验机进行性能测 定 。 测定 结果表明 , 性 能稳定 , 两 台试验机具有相似性 。 1 . 3 试验 按 文献 〔幻 推 荐 , 作 4 个应力水平的 R一 S 一 N 曲线 。 又按文 献 〔3〕 , 每个应力水平至 少 有 5 个试验点 , 并满足其相 关系数的要求 。 为 了节省试件 , 采 用齿轮搭接进行试验 , 实际接 触宽度 b一 7 一 1 om m 。 按文献 〔2〕 推荐的 失效判 据作 为本试 验的失效判据 。 勺 2 试验结果及分析 .2 1 疲劳寿命试验结果 试验应力均按 G B 3 4 8O一 83 的一般方法用计算机算出 。 接触应力和疲劳寿命列 入表 1 。 · 5 3 1 ·

表1接触应力和疲劳寿命 Table1 Contact stress and fatigue life 接触应力(N/mm2) 疲劳寿命 (×105) 2156 1.03 1.03 1.22 2.32 2.73 0.59 0.65 1.62 1.83 2.55 2057 2.84 4.60 4.68 30.00 3.38 3.55 5.77 5.88 6.00 1964 6.34 7.12 4.610 5.251 6.251 7.644 .8.255 1865 8.711 9.072 11.155 26.100 按文献〔3)编程用计算机对每个应力水平进行各种分布的参数估计，以及S一分布检 验和概率纸相关检验。4个应力水平的寿命分布均为3参数威布尔分布。 根据S一V疲劳曲线的性质，在不同应力水平上取相同可靠度R的寿命点，在双对数坐标 系呈线性关系。作者选定6个R值(0.99、0.95、0.9、0.8、0.5、0.1)，从4个寿命分布分别可得各 R下相应的4个点，再进行线性回归，在计算机上显示出6条线组成的R一S一N曲线族，见图 1。图中每条线都进行了F检验（当显著性水平a=0.1,临界值F。.11,2)=8.52631),运算结 果都满足线性要求。 按图1R一S一N曲线和各条线的方程，取N。=5X10?,可求出不同R下的齿面接触疲劳 极限应力值；见表2。 将表2进行应力分布检验，为对数正态分布（特征值0=7.3954，V=0.0153,线性相 关系数r=0.98)。 当R=0.99,N。=5X107,0wm=1571.6N/mm2。 表2不同R下齿面接触疲劳极限应力值.(N/mm) 4 Table 2 At different R,contact limiting stress of tooth surface (N/mm2) R 0.99 0.95 0.9 0.8 0.5 0.1 Hltm 1579.474 1593.244 1598.900 1605.488 1623.271 ‘1670.535 2.2损伤特性 在全部试验过程中，当采用o=57.4mm/s的机械油，齿面易出现破坏性胶合；当采用 50号极压工业齿轮油，轮齿端部齿廓不倒缘，从动轮轮齿端部易出现掉块；若进行足够倒缘， 齿面出现的损伤是点蚀坑，个别也出现严重磨损。对于硬齿面齿轮来说，出现破坏性胶合和 端部掉块现象是不正常的。 2.2.1点蚀坑 在约占90%的试件和约占90%的主动件上，齿面上先产生霜状微点蚀，然后逐渐发展成 ·532·

表 1 接触应力和疲劳寿命 T a bl e 1 C o n ta e t s t r e s a n d fa t ig u e li f e 接触应 力 ( N / m m Z ) 疲劳寿命 ( X 1 0 ` ) 2 1 5 6 4 . 6 1 0 5 . 2 5 1 6 . 25 1 7 . 6 4 4 8 . 2 5 5 8 . 7 1 1 9 . 0 7 2 1 1 . 1 5 5 2 6 . 1 0 0 申 按文 献 〔3 〕 编 程用 计算机对每 个应力 水平进行 各种 分布 的参数估计 , 以及 s 一 N 分布检 验和概率纸相 关检验 。 4 个应力水平的寿 命分 布均为 3 参数威布 尔分布 。 根据 s 一 N 疲劳曲线的性质 , 在不同应力水平 上取相同可 靠度 R 的寿 命点 , 在双 对数 坐 林 系呈 线性关 系 。 作者选定 6 个 R 值(0 . 9 、 0 . 9 5 、 0 . 9 、 0 . 8 、 0 . 5 、 0 . 1) , 从 4 个寿命分布分别可得各 R 下相 应的 4 个 点 , 再进行线性 回归 , 在计算机上 显示 出 6 条线组成的 R 一 S 一 N 曲线族 , 见 图 1 。 图 中每条 线都进行了 F 检验 ( 当显著性水平 a 一 0 . 1 , 临界值 OF . l ( l , 2 ) 一 8 . 5 26 31 ) , 运 算结 果都满足线性要 求 。 按图 I R一 s 一 N 曲线和 各条线的方程 , 取 N 。 一 5 x l 『 , 可求出不 同 R 下的 齿面接触疲 劳 极限应力值 , 见 表 o2 将表 2 进行应力 分布检验 , 为对数正态 分布 (特征值 U ~ 7 . 39 5 4 , V 一 0 . 01 5 3 , 线性相 关系数 r 一 0 . 98 o) 当 R = 0 . 9 9 , N 。 = 5 X 1 0 7 , 阮, = 1 5 7 1 . 6 N /m m Z 。 表 2 不同 五 下齿面 接触疲劳极限应力值 ( N / m m , ) aT b l e 2 A t d i f e r e n t 尺 , e o n at c t l i m i草n g s t r es of t o o t h s u fr a e e (N / m m , ) R 0 9 9 0 。 95 0 . 9 0 。 8 0 . 5 0 。 1 仰 一,二 1 5 79 . 4 7 4 1 5 9 3 . 2 4 4 1 5 9 8 . 9 0 0 1 6 0 5 . 48 8 1 6 2 3 . 2 7 1 1 6 7 0 . 5 3 5 .2 2 损伤特性 在 全部试验过程 中 , 当采用 挑 。一 57 . 4 m m Z s/ 的 机械 油 , 齿 面 易 出现 破坏性胶合 ; 当采用 50 号极压工业齿轮油 , 轮齿端部齿廓不倒缘 , 从动轮轮齿端部易 出现掉块 ; 若进行足够倒缘 , 齿面出现的损伤是 点蚀坑 , 个别也 出现严重磨损 。 对于硬齿 面齿轮来说 , 出现破坏性胶合和 端部掉块现象是不 正常的 。 .2 .2 1 点蚀坑 在约 占 90 % 的试件和约 占 90 % 的 主动件上 , 齿面上先 产生 霜状微点蚀 , 然后逐渐发展成 · 5 3 2 ·

大，点蚀坑，其发展速度是随齿面接触应力 的增大而加快。大点蚀坑多产生在节线附 2300 近偏向齿根处。 2200 (1)霜状微点蚀。当试件经过一定运转 2100 后，正常的话，在轮齿节线附近偏齿根处， 2000 开始产生霜状点蚀带。文献〔4、5)认为这 1900 种霜状微点蚀多产生于渗碳淬火齿轮，所 1900 以，本试验也不例外。 1700 图2为电镜下的霜状点蚀。作者分析， 它的产生，除和轮齿磨痕有关外，还和齿面 1600 出现鳞皱有关。在高接触应力不断地碾压 1500 105 106 10 10 和碾击下，将磨痕或鳞皱的蜂尖碾碎（图 3)或碾平，出现了霜状微点蚀。随之产生 图1R一8-N曲线 的第二次微裂纹，在接触应力不断地作用 Fig.I R-8-N curve 下，逐渐发展成大点蚀坑，这和尼曼的分析 是一致的。 4M 图3二次微裂纹 图2霜状微点蚀 图4内部疲劳裂纹 Fig.3 Aspect of secondary Fig.2 Frosting Fig.4 Internal fatigue carck micro-crack 由于轮齿根部滑动速度大，产生的霜状微点蚀会很快地被磨掉，所以，在轮齿根部不易 出现大点蚀坑。 (2)疲劳裂纹。在大多数情况、疲劳裂纹产生在齿面上，偶尔也有发生在齿面下内部 (图4)。由电镜拍摄的照片可见，疲劳裂纹遍布轮齿工作面上；对主动轮，齿高和齿根部分的 疲劳裂纹尖端其方向相反，都指向节线，它与齿面磨擦力方向相反。这和文献〔6们描述是一 致的。 ·533·

又 斗夔 、 、 \ {{…{!} 鬓 一入刘}…}…} 1!拜 \ 戳 } {1川 蓄 k }{川 — , 队 . }}川 {{!济魄交 \ 1}川 }{…} l{ 、 龟匆 …}川 ……; 一。E三 . 2\匕工 大点蚀 坑 , 其发展 速度是 随 齿 面接触 应力 的 增大 而 加快 。 大点 蚀坑 多 产 生在 节 线 附 近偏 向齿根处 。 ( l) 霜状微点 蚀 。 当试件经过一 定运转 后 , 正常的话 , 在轮齿 节线 附近偏齿根 处 , 开 始 产生霜状点 蚀带 。 文 献 〔4 、 5〕 认为这 种霜状微点 蚀 多产生 于渗碳 淬火齿 轮 , 所 以 , 本试验 也 不例外 。 图 2 为 电镜下 的霜状点蚀 。 作者分析 , 它 的产生 , 除和轮 齿磨痕 有关外 , 还 和齿面 出现鳞 皱有关 。 在 高接触应 力 不断 地碾压 和 碾击下 , 将 磨痕或 鳞皱 的峰尖碾 碎 ( 图 3) 或 碾平 , 出现 了霜状 微点蚀 。 随 之产 生 的第二 次微裂纹 , 在 接触应 力 不断 地 作用 下 , 逐渐 发展 成大点蚀坑 , 这和 尼曼 的分析 是 一致的 。 N 图 I R 一 s 一 N 曲 线 Fi g . I R 一 S 一 N cu r V e 晰 图 3 二次微裂纹 图 2 霜 状微点 蚀 F i g . 3 A s P e e t o f s e e o n d a r y F i g . 2 F r o s t i n g 图 4 内部疲 劳裂纹 F i g . 4 I n t e r n a l f a t i g u e e a r c k m i e r o 一 C r a e k 由于轮齿根 部滑 动速度 大 , 产生 的霜状微 点蚀会很快地 被磨掉 , 所 以 , 在轮 齿根 部不 易 出现大点蚀 坑 。 ( 2) 疲 劳 裂纹 。 在 大多数情况 , 疲 劳裂纹 产 生在 齿面上 , 偶尔 也有 发 生 在 齿面下 内部 ( 图 遵) 。 由电镜拍摄 的照 片可见 , 疲劳裂纹 遍布轮齿工 作面 上 ; 对主 动轮 , 齿高和齿根 部分的 疲 劳裂 纹尖端其方 向相反 , 都指 向节线 , 它与齿面 磨擦力方向相反 。 这 和文献 〔6〕 描 述是一 致 的 。 · 5 3 3 ·

图5齿面疲劳裂纹扩展 Fig.5 Fatigue crack propagation on the tooth surface 图6疲劳裂纹向深部扩展 图7大点蚀坑形貌 Fig.6 Fatigue carck propagation Fig.7 Aspect of large pitting from surface to deepness 齿面上疲劳裂纹在其上面扩展，见图5。其扩展方向不定，这取决于齿面磨痕和产生的擦 痕。齿面疲劳裂纹向轮齿深部扩展，见图6。当霜状徽点蚀产生二次微裂纹，随着接触应力不 断地作用，开始沿齿面呈45°方向向深处扩展，微裂纹尖端呈树叉状。当微裂纹扩展到一定深 度，变成宏观裂纹，沿着平行于齿面方向扩展。最后，垂直于齿面断裂，产生了大点蚀坑。 可见，疲劳裂纹的产生和发展，这与接触应力大小和作用次数、材料特性、齿面润滑状 ·534·

图 齿面疲劳裂纹扩展 5 F g i . F t a 5 l g u e Pe r a e k r o P a g t a i o o t hn n e t o o t h s ur f a e e 图 疲劳裂纹 向深部扩展 6 F g i . F 6 t a g i u ePe a o rPek r a g a t i o n 图 大点蚀坑形貌 7 F g i . A P s 7 e t o e l f a r g e P i t t i n g f r o m s u r f a e e t o d e e P n e s s 齿面 上疲 劳裂纹 在其上面扩 展 , 见 图 5 。 其 扩展 方向不定 , 这取决于齿面磨痕 和产 生的擦 痕 。 齿面 疲劳 裂纹 向轮齿深部扩展 , 见 图 6 。 当霜状微点蚀 产生二 次微裂纹 , 随着接触应 力不 断地 作用 , 开始沿齿面呈 4 50 方向向深处 扩展 , 微裂纹尖 端呈树叉 状 。 当微裂 纹扩展到一 定深 度 , 变成宏 观裂 纹 , 沿 着平行于 齿面方 向扩 展 。 最后 , 垂直 于齿 面断裂 , 产 生 了大 点蚀 坑 。 可见 , 疲 劳裂纹 的产 生和发展 , 这 与接触应 力大小和作用次数 、 材 料特性 、 齿面润 滑状 · 5 3 4 ·