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
#(牛/毫米) 2000 R=0.5 R-0.99 HB、=25的 R=0.5HB。=26 R0.99 1000 88.=180. XHB.=243 78910 g 图3三种球铁的S-N曲线 按公式（1)和(2)求出N=10'时的应力值σ'H0,再除以寿命系数ZN,则可得出与 “ISO”【101相一致的、以应力循环基数N。≥5×107的接触疲劳极限应力值cH1:m。计算结 果如下。 HBm=253球铁齿轮： 0H1im=673牛/毫米2， HBm=226球铁齿轮： 0H11m=633牛/毫米2。 01■（牛/毫米） P1m(中/毫米) 50 600 650 500 550 400 450 300 350 250 200 109 200 300 100 200 HB 许B 图4我国球铁齿轮与国外球铁 图5我国球铁齿轮与国外铸钢 齿轮了H1im的对比 齿轮σHIim的对比 44
几 牛毫米 … … 右卜一 十 针一寸一十一十一 卜一卜州，叮一一 一时一一 州 民 ， … “ ， 杯 图 三 种球 铁 的 一 曲线 按 公 式 和 求 出 时 的 应 力值 乍 再 除 以 寿命 系 数 则 可 得 出与 ，’ ” 相 一 致 的 以 应 力循 环 基 数 七 的 接触 疲 劳 极 限应 力 值 计 算结 果 如 下 球 铁 齿 轮 “ 牛 毫米 ， 球 铁 齿轮 口 牛 毫米 价 牛 毫米 下下「下下丁丁牙即 ，厂一 一 广一门尸一汀一 下一一 一一 一 洲口 卜 卜 弓的卜 一十一 叫一一十一一十尹任 ， ‘ 刁夕 》产 少 。 卜 一 衷农 匕 以一 上 二址 斗 一上 二 一 匕 」 ，目 忿广 川七 搜今 汗 七 一 一寸 州 忍‘ ‘ ，‘ 一乙一上 一上一上一土一二 一 卜 ‘ 匕‘司匕一‘ “ 匕 曰匕 兹‘ ” 胡 四 。 什” 珍 图 我国 球 铁 齿轮 与 国 外球 铁 图 我 国 球铁 齿 轮 与 国外 铸钢 齿 轮 。 川 的 对 比 齿 轮 的 对 比
·对照表2可以看出：珠光体和珠光休 0■（牛/港米） 一铁素体球铁齿轮的OH:m值主要取决于 900 材料的硬度高低，而和正火工艺、珠光体 含量、铁紊体形态等因素无直接关系。因 此，正火时加快冷却速度和提高奥氏体化 800 温度等都是提高其接触疲芳强度的有效措 施。球铁齿轮的硬度和σH:m之间的关系 700 用下式表示： 0Him=2.234HB+108牛/毫米2 图4一3为我同三种稀土镁球齿轮的 600 ·m与国外镁球铁、铸钢：、结构锻钢齿 轮m[)I41【121【13114的比较。从 图中看出：我国稀：镁球铁齿轮的σ：m, 500 一般在国外相同硬度的镁球铁、碳素铸 钢、正火的碳素锻钢齿轮σHm的上眼。 400 另外，和相同硬度的调质合金铸钢、碳素 锻钢σm值相出。所以，仅从抗点蚀能力 看，我国的珠光休和珠光体一铁素体球铁 300 100 150 260 750 100 是制造软齿面齿轮的良好材质。加上它能 11B 改善齿轮的润滑尔件，耐磨损，加工性能 好等优点，它特别适于制造开式齿轮和大 图6 我国球铁齿轮与国外结构锻 型齿轮。 钢齿轮OHIin的对比 五、试验齿轮的润滑状态和磨损测定 齿面的损坏与蘑损和试验齿轮的润滑状态有十分密切的关系。本文运用近来发展的关于 齿轮跨学科的润滑理论：1【」171对本试验进行了初步的分析。 按照有关公式，对四对试验齿轮进行了计算，其结果列于表5。 表5 齿轮润滑状态计算结果 油膜比厚（入值） 齿面接触的 试验编号 最薄油膜厚度 塑性指数 局部温度 (微米) Va 7, 78 中 6,(℃) 79-8-09 1.752 0.632 1.260 2.505 >10 104 79-8-13 1.046 0.378 0.753 1.495 >10 138 7816 1.106 0.399 0.796 1.581 >10 154 79-8-17 0.959 0.346 0.690 1.371 >10 133 从表5可以看出：所计算的几对齿轮齿面接触的局部温度日，均小于油膜的临界温度（约 为220℃)，所以油膜最终不会破裂，因而不大可能发生破坏性的胶合和严重的磨损。但是 45
对照 表 可 以看出 珠光体和 珠光休 一铁 素体球 铁 齿轮 的 川 值 主要取 决于 材料的 硬度 高低 ， 而和 正 火工 艺 、 珠光 体 含量 、 铁 素体形 态 等 因素无 直 接关 系 。 因 此， 卜 正 火时加 快冷 却速 度 和 提 高奥 氏体化 温度等都是 提 高 其接触疲 劳 强度的 有效措 施 。 球铁 齿轮 的 硬 度和 川 、 之 间 的关 系 用下 式表示 ，、 。 牛 毫米 图 为我 闰三 种 稀土 镁球齿轮的 ‘ 与国外镁球铁 、 铸钢 、 结 构锻钢 齿 轮 ，， 、 。 “ ‘ “ ‘ “ ’ ‘ 的 比较 。 从 图中看 出 我 国稀 土镁 球铁齿轮 的 ， ‘ ， 一般在 国 外 相 同 硬 度 的 镁 球 铁 、 碳 素铸 钢 、 正 火的碳素锻钢 齿轮 川 ‘ 的 上 眼 。 另外 ， 和相 同硬 度 的 调 质 合金 铸钢 、 碳素 锻钢 。 川。 值相 当 。 所 以 ， 仅 从抗点蚀 能 力 看 ， 我 国的 珠光 体和 珠光 体一铁素体球铁 是 制造软 齿面 齿轮 的 良好 材质 。 加 上 它能 改 善齿轮的 润滑条件 ， 耐磨 损 ， 加 工性能 好等优点 ， 它特 别适 于 制造开式齿轮和 大 型齿轮 。 孺 牛 趁米 ‘ ，， 二 蔗 厂 弋 立方鬓 犷 尽又 擎 蛋 、 黔艺 诸蒙禅 五越 超 又 缈 而一一习 尸 叼 减 产 人丫 加 产 梦 城 了 城 才 卜 ’ 汉 — 少 ， 叻气 ， ， ‘ 诬加 图 国球铁 齿 轮与国外结构银 齿 轮 ‘ 的对 比 我钢 五 、 试 验 齿轮的润滑 状态和磨 损测 定 齿面 的 损坏 与磨损和 试 验齿轮 的 润 滑状态 有十分 密切 的关 系 。 本文运 用 近 来发展 的关于 诲粉跨学科 的 润滑理论 “ ‘ ’ 〔 ‘ 。 ’ 〔 ‘了’ 对 本试验进行 了初 步的分析 。 按照有关公 式 ， 对 四对 试 验齿轮进行 了计算 ， 其结 果 列 于表 。 表 齿轮 润滑状 态计算结 果 最薄油膜厚度 微 米 油 膜 比厚 入 值 试 验编 号 。 塑性指 数 冲 齿面 接触 的 局 部温度 ℃ 一 一 瓜二丁厂丁丽了 一 · 。 … 。 … 夯泊 石 一 一 从表 可以看出 所计 算 的 几 对 齿轮齿面 接触 的局 部温度 均小于油 膜的 临界温度 约 为 ℃ ， 所以 油膜最终不 会破裂 ， 因而不大可能发生破坏 性 的胶合和 严 重的 磨 损 。 但 是
当试验齿轮处于全负荷运转前的跑合阶设时，由于这时齿面光洁度为V。~又，油膜比厚入 值多小于1，试验齿轮处于边界淘滑状态运转，这时有可能在齿頂和齿根产生刘伤或擦伤， 磨损较大。而当跑合完毕后，齿面光洁度逐渐达到V8,试验齿轮也逐渐过渡到混合润滑状 态(11.6σ：m时，先在轮齿节线附近出现亮带（上下宽约0,5 毫米)，同时在齿頂、齿根处产生轻微的磨损和伤痕（图8）。之后，伤痕逐渐发展成刮伤 或擦伤（图9），而在亮带区域成线产生宏观小点蚀（图10），继而由小点蚀发展成直径大 于2毫米的大点蚀（图11）及连贯在一起的大点蚀和剥落坑（图12），在个别情况下（如油 温过高)也可能伴随出现严重的胶合（图13）。当0H约为0im的1.21.6倍时，亮带出现 晚，发腰慢，多以小点蚀成线的形式而达到失效标准，当σHI0?几平不变。因此，在齿轮设计中，应避免齿面接触应力超过σ：m的 1.6倍。 采用立体显徽镜和扫瞄电镜等手段对上述几种齿面损坏形式进行初步的观察分析，结果 概述如下： 亮带：亮带的微观本质是微裂纹和微观点蚀（图14）。可以说，亮带的出现标志著该处 齿面已产生微裂纹和微观点蚀，就孕育着齿面损坏的危险。 ”扫瞄电镜分析部分，得到清华大学李春立同志、北京钢铁学院姚玉琴同志大力协助， 在此表示感谢。 46
当试验齿轮处于全 负荷运 转前的跑合阶段 时 ， 由于这时齿面 光洁度为 。 ，， 油膜比厚 入 值 多小于 ， 试验齿轮处于边界 润 滑状态 运 转 ， 这 时 有可 能在齿填和 齿根 产生 划伤 或擦伤 ， 磨损较大 。 而当跑合完毕后 ， 齿面 光洁度逐渐达 到 ， ， 试验齿轮也逐渐过渡到混合润滑状 态 入 运 转 ， 齿面 划伤 和磨 损都会趋于缓 和 。 上述分 析 与试验齿轮的实际齿面 损坏 和磨损过程基 本二致 。 图 示 出实测 的齿面磨 损 曲线 也可 看 出 试验齿轮处于边界 润 滑状态 时 ， 齿面磨损量急剧 上升 ， 当进入 混 合润 滑状态 后 ， 磨 损 量增加 是 很微 小 的 。 皿 《一宋， 班公以《橄 米， 。 卜， 厂扮、 份’ 、 ，街 吕 名 边 ，巨 浦 公 于何 小压矛 儿闷 时网 小哪 一 齿 轮 一 齿轮 图 齿 面磨 损 曲线 由上可见 ， 为了防止 齿面 严重磨损和 胶合 的产生 ， 试验齿轮在 全 负荷运转前， 安排一定 时 间的跑合运转是 非常必要 的 ， 另外 ， 要 严 格控 制润 滑油的油 温和油量 。 六 、 齿面损坏方 式及 过 程 的观 察分 析 份 通过 观察 发现 珠光 体 及珠光 体一铁素体球铁齿 轮的 齿面 损坏 过 程有一定 的规律性 ， 它 和 齿面 接触 应 力大小有关 。 当 。 。 。 。 ‘ 时 ， 先在轮齿节线 附近 出现亮带 上下宽 约 毫米 ， 同时 在齿填 、 齿根 处产生 轻微 的磨 损 和 伤痕 图 。 之 后 ， ‘ 伤痕逐 渐 发展 成刮份 或擦伤 图 ， 而在 亮带 区域 成线 产生 宏 观小点蚀 图 ， 继 而 由小点蚀 发展 成直径大 于 毫米的 大点蚀 图 及连贯在一起的大点蚀 和 剥落坑 图 ， 在 个 别情况下 如 油 温过高 也可 能伴 随 出现严 重 的胶 合 图 。 当 。 约为 。 ，‘ 。 的 倍时 ， 亮带 出现 晚 ， 发展慢 ， · 多以 小点蚀 成线 的形 式而达 到失效标准 ， 当 。 。 ‘ 时 ， 亮带 出现更晚 并一直维持到 几乎不 变 。 因此 ， 在齿轮设计 中 ， 应避 免齿面 接触 应 力超过 ， ‘ 的 倍 。 采用立体显微镜和 扫 瞄 电镜等手段对 上述几 种齿面 损坏形式进 行初步的 观察分析 ， 结果 概述如 下 亮带 亮带 的微 观本质是微 裂纹和微 观点蚀 图 。 可 以 说 ， 亮带 的 出 现标志 着该处 齿面 已产生微 裂 纹和微 观点蚀 ， 就 孕育 着齿面 损坏 的危险 。 扫瞄 电镜分 析 部分 ， 得 到清华 大 学李春立 同 志 、 北 京钢 铁 学院姚 玉 琴 同志大力协助 ， 在此表示感谢
微裂纹金部源于表面，大多产生于浅表部位石墨球周围，特别是石墨球不太圆正的尖角 部位（图15）。无论横向裂纹的起始方向如何，裂纹继续延伸的方向几平都与节线方向平 行。 图8整微亮带与伤痕 (a)齿根 (b)齿项 图9划伤或擦伤外形 图10小点蚀外形 图11大点：外形 图12连贯的大点蚀外形 图13胶合外形 图14亮带区的微观形貌×600图15石墨球与微裂纹×750 微观点蚀和宏观点蚀：微观点蚀坑多系位于齿面浅表部位的石墨球（单个或相邻数个） 所引起（图16）。在其底部，找不到方向性疲劳特征形貌一平行条纹，说明其是在较短时 间内剥落形成的。 宏观点蚀是在几个微观点蚀的基础上逐渐发展而成的。而在大点蚀坑底部和侧面很少还 有石墨残存，在金属基体上多有方向性的疲劳特征形貌一平行条纹存在，这种平行条纹与 轮齿滑动速度方向平行（图17），说明宏观大点蚀坑的形成不是瞬间完成的。 刮伤和擦伤：齿頂、齿根部位的这种伤痕由一系列多层次的、相互平行的沟槽所组成 (图18)。它是由于轮齿表面粗糙尖峰或油中异物的相互滑动而造成。 47
图16由单个石墨球形成的 图17大点蚀坑底部之平行 图18典型的伤痕形貌 徽观点蚀坑×1500 条纹，×100 ×100 综上所述，珠光体和珠光体一铁素体球铁齿轮的齿面损坏，基本上以两种方式进行：在 轮齿节线附近出现，点蚀和剥落，在轮齿的齿根、齿頂部位出现刘伤或擦伤。点蚀为主要损坏 形式。点蚀是在接触应力和润滑油的反复作用下，齿面金属产生疲劳破坏的结果，而划伤或 擦伤是由于相互滑动而造成摩擦、磨损的结果。： 另外，采用复膜追踪技术18！，对宏观小点蚀的形成过程作了仔细的观察。发现在石憂 球比较密集的地方出现微裂纹和微观点蚀后，容易形成网络状裂纹，使大片金属剩落而形成 了宏观的小点蚀坑。因此，为提高球铁齿轮的抗点蚀能力，应尽量使石叠球圆正、均匀。 七、结 论 ,1.我国的珠光体和珠光体一铁素体球铁是制造软齿面齿轮的良好材质，可部分代替铸 钢和锻钢，特别适于制造开式齿轮和大型齿轮。 2.·种球铁齿轮的接触疲劳极限应力值为： ::HBm=226,01m=633牛/毫米2， iniy HBm=253,0H:m=673牛/毫米。 3.:珠光体类型球铁齿轮的。mm值主要取决于材料的硬度，它们之间的关系大致如 下 g14m=2.234HB+108牛/毫米 4。 提高正火时的奥氏体化温度和加快冷却速度，提高球化级别，是提高球铁齿轮 OHI1m的有效措施。 5.进行齿轮设计时，必须具有良好的润滑条件：合理地选择润滑油并控制油盘、油 温，齿轮在全负荷运转前要安排足够时间跑合运转。 6.进行齿轮设计时，应避免齿面接触应力超过gHm值的1.6倍。 7.珠光体球铁齿轮的齿面损坏形式可以划分为两种：节线部位点蚀和齿頂、齿根处划 伤或擦伤。点蚀是主要失效形式。 8.采用复膜点蚀追踪、电镜扫瞄分析、齿面磨损量的测定、阶梯加载σ：血值快速测 定等试验技术，对于齿轮承载能力和损坏机理的研究，对于实现齿轮试验现代化都是有益 的。 48
图 由单个石 墨球形成的 图 大点蚀 玩底 部之 平行 图 典型 的伤痕 形 貌 微观 点蚀 坑 条 纹 ， 一 ‘ 综 上所 述 ， 珠光 体和珠光 体一铁 素体球铁齿轮的齿面损坏 ， 基 本 上 以 两种方式进行 在 轮齿节线附 近 出现点蚀 和 剥落， 在 轮齿的齿根 、 齿厦部位出现划伤 或擦伤 ， 点蚀为主要损坏 形式 。 点蚀是在接触应力和 润滑油的反复作用下 ， 齿面金属产生疲 劳破坏 的结果， 而划伤 或 擦伤是 由于相互 毋动 护 西 另外 ， 梁服夏摸追 造 成摩擦 、 磨损的 结果 。 卜 ‘ 踪技术 ‘ ， 对宏观小点蚀 的形成过程作 了仔细的观察 。 发现在石墨 球比铰密集的地万出现微熬纹和微 观点蚀后 ， ‘ 容易形成网络 状 裂纹 ， 使大片金 属娜落 而 了宏观的小点蚀坑 。 因此 ， 为提 高球铁齿轮的 抗点蚀能力 ， 应尽 量使石墨球翻聋 、 均匀醚‘ ， 七 、 结 论 、 钢和截铺 我国的珠光体和珠光体一铁 素体球铁是制造软齿面齿轮的 良好材质 ， 可部分代替 铸 ， 特别适于制乒开淞 轮和大型齿轮 。 酬种球铁齿轮的接触疲劳极 限应 力值为 ，、 价 ， 。 旅 ’ 。 ， 。 名‘ 二 那 牛 毫米 ’ ， ‘ ， ， ， 而 。 二 ” 喇毫朱 ，。 型球铁齿轮的 。 。 ， 二 值主要取 决于材料 的 硬 度 ， 下 。 ‘ ， 牛 毫米 碑 ， 乌 、 它们 之间的 一 “ 关系 ‘ 禾触 摊一 提高正火时的 奥 氏 体化温 度和加 快冷却 速 度， 提 高球化 级 别 ， 是提 高球 袂而 九 ‘ 二 的有效措施 。 进行齿轮设计时 ‘ ， 必须具有良好的润 滑条件 合 理地选择 润滑油 并控 制油 量 、 油 温 齿轮在全 负荷运转前要安排足够时 间跑合运转 。 进行齿轮设计 时 ， 应避 免齿面 接触 应 力超 过 川二 值 的 倍 。 珠光体球铁齿轮的齿面损坏形式可 以 划分 为两种 节线 部位 点蚀和 齿顶 、 齿根处划 伤 或擦伤 。 点蚀是 主要失 效形式 。 采用复膜点蚀追踪 、 电镜扫 瞄分析 、 齿面磨损 量的 测定 、 阶梯加 载 。 ，，二 值快速 测 定 等试验技术 ， 对于齿轮承载能 力和 损坏 机理 的研 究 ， 对于实现 齿轮试 验 现代化都是有益 的
