《北京科技大学学报》：钒钛球铁齿轮的基础性能

D0I:10.13374/i.1ssnm1001-053x.1992.05.006 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 钒钛球铁齿轮的基础性能① 易秉钺* 朱孝录* 摘要：作者对等温淬火的钒钛球铁齿轮进行了7种基础性能试验，结果表明：这种齿轮的接 触疫劳极限一值、抗磨损能力、结构阻尼比和降低噪声等方面具有优良的性能，而弯曲疲 劳强度较低。用这种钒钛球铁制造QJ系列减速器齿轮，其承载能力可提高50%. 关健词：球委铸铁，齿轮，疲劳，磨损，噪声 Some Properties of V-Ti Spheroidal Graphite Cast Iron Gears Yi Bingyue·Zhu Xiaolu ABSTRACT:Seven kinds of properties for V-Ti spheroidal graphite cast iron gears have been investi- gated.The results show that these gears have advantages,such as the endurance limit values oruim,the wear resistant ability,the structural damping rations and reducing the noise etc. KEY WORDS:ductile iron,gear,fatigue,wear,noise 80年代初开发的一种等温淬火球铁(Austempered Ductile Iron,简称ADI)齿轮材料被认 为是一种很有前途的新材料1~)。 我国有丰富的钒钛资源。70年代末，我国加入钒钛元素制造的ADI齿轮，比国外ADI齿 轮性能更佳。本文用107个齿轮试件和30个其他试件，进行7种试验，为这种齿轮的应用提 供了大量数据。 1材 料 试验材料的化学成分为：C-3.0%~4.2%;Si-3.24%~3.36%;Mn-0.16%~0.22%;V- ①1991-05-16收稿 ￥机械工程系(Department of Mechanical Engineering) ·524·

北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷第 期 年 月 。 钒钦球铁齿轮的基础性能 ① 易秉钦 ’ 朱考录 ‘ 摘 婆 作者对等温淬火的饥钦球铁齿轮进行 了 种基础性能试验 。 结果 表 明 这种齿轮的接 触疲 劳极 限 印。 值 、 扰磨损能力 、 结构 阻尼 比和 降低噪声等方面具有优 良的性能 ， 而 弯 曲疲 劳强度较低 。 用这种钒钦球铁制造 系列减速器齿轮 ， 其承载能力可提高 。 关镇词 球墨 铸铁 ， 齿轮 ， 疲劳 ， 磨损 ， 嗓声 一 坛刀坛泥 妙 拼 脚 份 ， 一 血 胡 ， “ ， 讯 ， · ， ， ， ， 目犷 年代初 开发 的一种等温淬火球铁 ， 简称 齿轮材料被认 为是一种很有前途的新材料 〔 ‘ 一 〕 。 我 国有丰富的钒钦资源 。 年代末 ， 我国加入钒钦元素制造的 齿轮 ， 比国外 齿 轮性能更佳 。 本文用 个齿轮试件和 个其他试件 ， 进行 种试验 ， 为这种齿轮的应用提 供了大量数据 。 材 料 试验材料的化学成分为 一 一 一 · 一 · 一 · 一 · ① 一 一 收稿 二 机械工程 系 们 迈 · · DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1992．05．006

0.34%~0.42%;Ti-0.085%~0.137%;Re-0.034%~0.1%;Mg-0.031%~0.051%;S 0.02%~0.035%;P-0.05%~0.064%。 钒钛ADI齿轮热处理的关键是使金相组织中避免出现珠光体。 首先，将试件加热到890℃，保温30min,使奥氏体化未达饱和状态，还有铁素体。于890℃ 快速放入260~270℃的盐浴炉中，保温40min,再从盐浴炉中取出空冷。最终的金相组织为贝 氏体和铁素体的复合组织，称为铁贝(FB)处理。 试件常规机械性能：oa=891N/mm2,d=8.6%,ax=25.1J/cm2,表面硬度为HB318。 国外ADI齿轮，多用奥氏体贝氏体的双相组织。贝氏体有高的强度及耐磨性，奥氏体使 材料获得高的韧性，而残余奥氏体数量是由温度控制的。双相组织形成的温度较高（约350~ 450℃)，不易获得较多稳定的残余奥氏体，使材料的韧性往往达不到预期的效果；较高的淬 火温度又给淬透性带来不良影响。为了获得稳定的残余奥氏体，需在材料中加入Mo和N,材 料成本显著地提高。 我国热处理工艺下获得的铁素体贝氏体双相组织，也具有高的强度和韧性。由于铁素体 的数量可用奥氏体化时间来控制，这样，可根据使用要求任意控制材料的韧性和硬度；由于 淬火温度低，淬透性要比奥贝球铁优越；无需加入Mo、Ni等合金，热处理时间短，成本要比 奥贝球铁低20%~60%。 我国钒针球铁，可由钒钛生铁直接配料熔制，处理过程和普通球铁完全一样。为了保证 球化效果，加入少数R抑制Ti反球化作用。Ti可大大细化石墨及奥氏体晶体，提高材料强度。 另外，V、T在基体上形成许多弥散分布的碳化物，具有较高的耐磨性，这就弥补了因失去马 氏体效应而引起耐磨性、接触强度下降的缺点，又保持着很高的韧性。 2试验和结果 2.1齿面接触疲劳试验 试件主要参数：模数m=6mm,齿数Z1=Z2=25,标准直齿轮的齿宽b=25mm,制造精度 为6级。 试验是在两台JG一150杠杆加载封闭功率流齿轮试验机上进行的。 取4个应力水平，每个应力水平至少有5个试验点，并满足相关系数，由此绘出R一8一 V曲线。采用试件搭接形式，齿面接触宽度b=10.5~11.5mm。按文献〔6)的失效判据，当 N>5×10?,未达到失效判据为越出点。 试验应力按GB3480一83的一般方法用计算机算出。获得23个试验基本数据进行数据处 理6)，各应力水平下寿命均服从对数正态分布。获得的R一8一N曲线，当R=0.99,No=5× 10?,该试件齿面接触疲劳极限应力gim=846.9N/mm2。 ·525·

一 一 一 写 一 一 一 一 。 钒钦 齿轮热处理 的关键是使金相组织 中避免 出现珠光体 。 首 先 ， 将试件加热到 ℃ ， 保温 ， 使奥氏体化未达饱和状态 ， 还有铁素体 。 于 ℃ 快速放入 一 ℃ 的盐浴炉 中 ， 保温 ， 再从盐浴炉 中取 出空冷 。 最终的金相组织为 贝 氏体和铁素体的复合组织 ， 称为铁 贝 处理 。 试件常规机械性能 几一 ， 一 ， 一 ， 表面硬度为 。 国外 齿轮 ， 多用奥 氏体贝 氏体的双相组织 。 贝 氏体有高的强度及耐磨性 ， 奥氏体使 材料获得高的韧性 ， 而残余奥氏体数量是 由温度控制的 。 双相组织形成的温度较高 约 ℃ ， 不 易获得较多稳定的残余奥氏体 ， 使材料的韧性往往达不到预期的效果 较高的悴 火温度又 给摔透性带来不 良影响 。 为 了获得稳定 的残余奥氏体 ， 需在材料 中加入 。 和 ， 材 料成本显著地提高 。 我国热处理工艺下获得的铁素体贝氏体双相组织 ， 也具有高的强度和韧性 。 由于铁素体 的数量可用奥 氏体化时间来控制、 这样 ， 可根据使用要求任意控制材料的韧性和硬度 由于 淬火温度低 ， 淬透性要 比奥 贝球铁优越 无需加人 。 、 等合金 ， 热处理时间短 ， 成本要 比 奥 贝球铁低 写 。 我国钒钦球铁 ， 可 由钒钦生铁直接配料熔制 ， 处理过程和普通球铁完全一样 。 为了保证 球化效果 ， 加入少数 抑制 反球化作用 。 可大大细化石墨及奥 氏体晶体 ， 提高材料强度 。 另外 ， 、 在基体上形成许多弥散分布的碳化物 ， 具有较高的耐磨性 ， 这就弥补 了 因失去马 氏体效应而 引起耐磨性 、 接触强度下降的缺点 ， 又保持着很高的韧性 。 试验和结果 齿面接触疲劳试验 试件主要参数 模数 二 一 ， 齿数 一 一 ， 标准直齿轮的齿宽 一 ， 制造精度 为 级 。 试验是在两 台 一 杠杆加载封闭功率流齿轮试验机上进行的 。 取 个应力水平 ， 每个应力水平至少有 个试验点 ， 并满足相关系数 ， 由此绘 出 一 一 曲线 。 采用试件搭接形式 ， 齿面接触宽度 一 。 按文献 〔 〕 的失效判据 ， 当 护 ， 未达到失效判据为越出点 。 试验应力按 一 的一般方法用计算机算出 。 获得 个试验基本数据进行数据处 理〔们 ， 各应力水平下寿命均服从对数正 态分布 。 获得 的 一 一 曲线 ， 当 一 。 ， 。 一 ， ， 该试件齿面接触疲劳极限应力 一 耐 。 · ·

2.2齿根弯曲疲劳试验 试件的主要参数：模数m=2.5mm,齿数Z1=Z2=60,标准直齿轮的齿宽b=20mm,制造 精度为6级。 由于试件热处理的奥贝转化时间过短(10min),金相组织除有铁贝外，还有15%~20% 有害的珠光体。 试验是配有自行设计的夹具（图1）在瑞士的AMSLER422型高频疲劳试验机上进行的。 事先选择载荷频率1=140s1,做4个应力水平，每个应力水平做15个试验点；f2=116 s，做两个应力水平，每个应力水平做9个试验点。每个试件间隔一个轮齿压齿进行单齿弯 曲疲劳试验，以出现断齿为失效。当N>3×10未失效，认为越出点。 齿根应力按GB3480一83的一般方法用计算机算出，共获 得78个试验基本数据，采用平均顺序法进行数据处理。6个应 力水平的寿命分布，均为对数正态分布。发现加载颍率对寿命 影响很小，最终合并6个应力水平得出R一S一N曲线。由于越 出点数较多，R一S一N曲线有点失真。剔出异常数据，再进行 N。下应力分布拟合，它为威布尔分布。当R=0.99,No=3× 10°，该试件轮齿弯曲疲劳极限应力om=182.9N/mm。 作者用相同的试件在JG一150齿轮试验机上作轮齿弯曲 疲劳运转试验，其结果比单齿弯曲疲劳试验值稍大（σm= 206.8N/mm2)。 图1脉动弯曲疲劳试验夹具 2.3轮齿弯曲静强度试验 Fig.1 The fixture for pulsating test 试件和齿面接触疲劳试件相同。试验是配有类似于图1的 夹具在拉压材料试验机上进行的。用齿轮基节仪测量受压轮齿的残余变形量。 试验应力按GB3480一83的一般方法计算，再按文献〔6)方法，将试验获得的79个基本 数据，拟合一条mm一6/m的直线，可得： 0nim3=588.84(6/m)0.2372 式中，m为模数m；6为残余变形量μm;6/m称塑模比，其大小按使用场合要求齿轮精度而 定。试验的轮齿断裂极限应力orim,=1150N/mm2。 2.4材料耐磨性试验 分别在两种试验机上进行常规试验。 2.4.1M-200型磨损试验机上试验 为了比较，适当配置上下盘形试件的材料（表1）。模拟齿轮工作情况，相对滑动率为10% 或46%。用N100机械油连续淋浴润滑或无润滑。定期采用称重法测其磨损量。 ·526·

齿根弯曲疲劳试验 试件 的主要参数 模数 二 二 ， 齿数 一 ， 标准直齿轮的齿宽 一 ， 制造 精度为 级 。 由于试件热处理 的 奥 贝转化时间过短 ， 金相 组织除有铁 贝外 ， 还有 一 有害的珠光体 。 试验是配有 自行设计的 夹具 图 在瑞士的 型高频疲劳试验机上进行的 。 事先选择载荷频率 一 ’ ， 做 个应力水平 ， 每个应力水平做 个试验点 介 二 一 ’ ， 做两个应力水平 ， 每个应力水平做 个试验点 。 每个试件间隔一个轮齿压齿进行单齿弯 曲疲劳试验 ， 以出现断齿 为失效 。 当 又 未失效 ， 认为越 出点 齿根应力按 一 的一般方法 用计算机算出 ， 共获 得 个试验基本数据 ， 采用平均顺序法进行数据处理 。 个 应 力水平的寿命分布 ， 均为对数正 态分布 。 发现加载频率对寿命 影响很 小 ， 最终合并 个应力水平得 出 一 一 曲线 。 由于越 出点数较多 ， 一 一 曲线有点失真 。 剔 出异常数据 ， 再进行 。 下应力分布拟合 ， 它 为威布尔分布 。 当 一 ， 。 一 ， 该试件轮齿弯 曲疲劳极限应力 澎 。 作者用相同的试件在 一 齿轮试验机上作轮齿弯 曲 疲 劳运转试验 ， 其结果 比单齿 弯 曲疲 劳试验值稍大 、 。 「、 厂 、 『 、 了 ‘ 一 、 卜 一 日鱼蛋孟 ‘ ‘ ‘ 一‘ 咚， 轮齿弯曲静强 度试验 试件和 齿面接触疲劳试件相 同 图 堪 脉动弯曲疲劳试验夹具 址 议 ” 】 夹具在拉压材料试验机上进行的 。 。 试验是配有类似于 图 的 用齿轮基节仪测量受压轮齿的残余变形量 。 试验应力按 一 的一般方法计算 数据 ， 拟合一条 口曰目 一 。 的直线 ， 可得 口 枷 ， 再按文献 〔 〕 方法 ， 将试验获得 的 个基本 二 “ · 式中 ， 二 为模数 为残余变形量 阿 ， 称塑模 比 ， 其大小按使用场合要求齿轮精度而 定 。 试验的轮齿断裂极限应力 嘛 一 耐 。 材料耐磨性试验 分别在两种试验机上进行常规试验 。 一 型磨损试验机上试验 为了比较 ， 适 当配置上下盘形试件的材料 表 。 模拟齿轮工作情况 ， 相对滑动率为 或 。 用 机械油连续淋浴润滑 或无润 滑 。 定期采用称重法测其磨损量 。 一 ·

2.4.2ML一10型磨料磨损试验机上试验 试件制成棒状，材料有ADI和45钢。运转时不加任何润滑剂。同样用称重法测其磨损量。 以上两种试验的结果见表1。 2.5材料减振性能试验 采用单点脉冲激振确定模态参数方法们进行试验。本试验测得钒钛ADI材料结构阻尼比 c=0.08026。 2.6样机工业性台架试验 样机是选用国家QJ标准系列的 QS一D236一4C减速器，其齿轮几何 参数和尺寸保持不变，只相应改变齿 轮材料和加工工艺。将高、中级大齿 轮改为与轮齿弯曲疲劳试件相同的 钒钛ADI软氮化：低速级大齿轮改为 图2减速器试验台布置图 钒钛ADI。各级小齿轮，采用原来的 Fig.2 Placement diagram of reduser test stand 钢材并进行表面淬火。 如图2所示，将4台相同的样机串联，采用电封闭式加载的工业性台架进行试验。 按1984年起重机用减速器齿轮攻关标准，低速级大齿轮的应力循环次数N≥10？，未达 、到文献？规定的失效判据，则认为试验通过。考虑节省试验时间、人力和物力，按GB3811一 83进行阶级加载的强化试验。 试验结果.各级钒钛ADI齿轮齿面均未出现点蚀和胶合，仍可看出原始刀痕。按计算，其 承载能力超过原标准减速器的50%。 3 分析和结论 (1)表面硬度HB318的钒钛ADI齿轮，其齿面接触疲劳极限应力： om=846.9N/mm2(R=0.99,Na=5X10) 从GB3480一83查出，在相同硬度、可靠度和循环基数下，钒钛ADI齿轮齿面接触疲劳极 限应力值要高于普通球墨铸铁、合金铸钢、调质碳钢，仅稍低于调质合金钢的上限。可见，从 齿面接触疲劳强度看，用钒钛ADI替代中硬齿面的钢齿轮通常是不成问题的。 (2)球铁齿轮的弯曲静强度，主要取决于屈服限s。试验表明，钒钛ADI的屈强比为0.65 ~0.8,要比钢材料高(0.5~0.6)，而钒钛ADI齿轮的断裂强度限mm=1150N/mm2,这也 比调质钢齿轮高。这说明，钒钛ADI齿轮弯曲静强度要比调质钢齿轮高。 ·527·

一 型磨料磨损试验机上试验 试件制成棒状 ， 材料有 和 钢 。 运转时不加任何润滑剂 。 同样用 称重法测 其磨损量 。 以上两种试验的结果见表 。 材料减振性能试验 采用单点脉冲激振确定模态参数方法〔幻 进行试验 。 本试验测得钒钦 材料结构 阻尼 比 屯一 。 样机工业性台架试验 样机是选用 国家 标准 系列的 一 一 减速器 ， 其齿轮几何 参数和尺寸保持不变 ， 只相应改变齿 轮材料和加工工艺 。 将高 、 中级大齿 轮改为 与轮 齿弯 曲疲 劳 试件相 同的 钒钦 软氮化 低速级大齿轮改为 钒钦 。 各级小齿轮 ， 采用原来的 钢材并进行表面淬火 。 图 减速器试验台布置 图 址 扭 比 即口 曰 以 川旧叮 如 图 所示 ， 将 台相 同的样机 串联 ， 采用 电封闭式加载 的工业性台架进行试验 。 按 年起重机用 减速器齿轮攻关标准 ， 低速级大齿轮的应力循环次数 》 ， 未达 到 文献闭规定的失效判据 ， 则 认为试验通过 。 考虑节省试验时间 、 人力和物力 ， 按 一 进行 阶级加载的强化试验 。 试验结果 各级钒钦 齿轮齿面均未 出现点蚀和 胶合 ， 仍可看 出原始刀 痕 。 按计算 ， 其 承载能力超过原标准减速器 的 。 分析和结论 表面硬度 的钒钦 齿轮 ， 其齿面接触疲劳极限应力 。 妇枷 ， 。 从 一 查 出 ， 在相同硬度 、 可靠度和循环基数下 ， 钒钦 齿轮齿面接触疲劳极 限应力值要高于普通球墨铸铁 、 合金铸钢 、 调质碳钢 ， 仅稍低于调质合金钢的上限 。 可见 ， 从 齿面接触疲 劳强度看 ， 用钒钦 替代中硬齿面 的钢齿轮通常是不成 问题的 。 球铁齿轮的弯 曲静强度 ， 主要取决于屈 服限 。 试验表明 ， 钒钦 的屈 强 比为 一 ， 要 比钢材料高 · 一 ， 而钒钦 齿轮的断裂强度限 叽 一 ， ， 这也 比调质钢齿轮高 。 这说明 ， 钒钦 齿轮弯 曲静强度要 比调质钢齿轮高 。 一

表1磨损试验结果 Table 1 The test results of wear 相 试试 材 硬 润 加 运 的 平均 验 滑 载 转 磨损率 家 序 带 磨损率 条 馥 时 系 号件 公 料 度 摩 交 数 $ 数 率 (HB) (%)(N)(h)(×10-mg/m)(X10-mg/m) 上45调质 239 13.263 1 有10 980 80 12.952 0.0717 下45调质239 12.641 上 ADI 279 3.523 2 有 10 980 80 3.937 0.0672 下 ADI 293 4.352 ADI 315 4.599 3 有10980 80 0.0667 45调质.262 26.733 上45调质239 4 1019608· 12.760 0.0780 下45调质 240 ADI 257 5 有1019608·· 1.562 0.0745 下 ADI 270 ADI 330 6.963 6 有46 490 40 下 ADI 263 22.215 上45表淬 351 13.594 7 有46490 90 下45表淬 324 400.871 上45调质 239 27.631 8 无10 490 12 0.1127 下 ADI 279 8.289 ADI 293 6.907 9 无 10 490 12 0.1147 下45调质239 22.104 10 ADI 235 834.465 无 19.8 11 45调质246 2868.232 12 ADI 235 826.702 24.5 13 45调质246 2472.346 注：试验序号10~13是在ML一10型试验机上进行的，其他均在M-200型试验机上进行的。 运转至10h出现点蚀；“*运转至16h,无点蚀现象。 (3)钒钛ADI齿轮具有良好的抗磨损和抗胶合性能。在相同条件下，无论是有无润滑，钒 钛ADI齿轮都要比相同硬度钢齿轮的耐磨性高3倍以上。若载荷越大，相对滑动率越大，这 种优越性更为显著。这是由于石墨的存在，具有自润滑能力。另外，钒钛ADI齿轮抗胶合能 力要比钢齿轮强，而其材料摩擦系数要比钢齿轮约低5%~6%。 可见，钒钛ADI齿轮更适用于重载、润滑条件差、大模数、大变位的齿轮传动。 ·528·

表 磨损试验结果 擦摩数系 磨损率 平 均 磨损率 肠 载荷加 运转数时 对相滑动率 试 试 材 硬 条润滑件 验序 号 件 料 度 互卫旦 调质 调质 有 上下 。 。 名 有 。 上下 ，白 。 有 习 调质 调质 调质 有 上下 。 上 下 上 下 有 香 。 有 。 产 表淬 表淬 调质 。 有 。 上下 无 上下 。 无 。 调质 调 质 。 上下 。 无 。 ， ‘ 沪 无 调质 。 。 曰 白移 注 试验序号 是在 一 型试验机上进行的 ， 其他均在 一 型试验机上进行的 。 运转至 出现点蚀 ， ， 运转至 ， 无点蚀现象 。 钒钦 齿轮具有 良好的抗磨损和抗胶合性能 。 在相 同条件下 ， 无论是有无润滑 ， 钒 钦 齿轮都要 比相 同硬度钢齿轮 的耐磨性高 倍以上 。 若载荷越大 ， 相对滑动率越大 ， 这 种优越性更为显著 。 这是由于石 墨 的存在 ， 具有 自润滑能力 。 另 外 ， 钒钦 齿轮抗胶合能 力要 比钢齿轮强 ， 而其材料摩擦系数要 比钢齿轮约低 一 。 可见 ， 钒钦 齿轮更适用于重载 、 润滑条件差 、 大模数 、 大变位的齿轮传动 。 · ·