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.pdf_大学文库

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

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

·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

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