三种贝氏体球铁齿轮抗弯能力的试验研究.pdf_大学文库

北京钢铁学院学报年增刊三种贝氏体球铁齿轮抗弯能力的试验研究北京钢铁学院范民政康以，北京市机电研究院梁吸摘奥本文总结了三种贝氏体球铁齿轮的齿根弯曲疲劳极限应力，。的测定结果。根据齿轮疲劳强度的快速测定方法，采用《直齿及料齿园柱齿轮传动承载能力计算的墓本原理》，求得循环墓数。 ’ 时的，，。可亦度为分别为材料川。忍我国钒钦芬兰铜钥美国铜钥作者对测定结果和断口特点进行了初步分析。引、臼贝氏体球墨铸铁是一种十分有前途的齿轮材料。目前常见的有四种类型铜钥下贝氏体球铁以后简称我国铜钥，钒钦下贝氏体球铁以后简称我国钒钦，这是我国特有的一种球铁， ‘ 】铜钥下贝氏体— 马氏体球铁以后简称美国铜钥，这是美国通用汽车公司研究采用的，目前在美国已得到广泛应用 ’ 铜钥上贝氏体— 奥氏体球铁以下简称芬兰铜钥，这是芬兰研制成的。【】这四种贝氏体球铁各有特点，但作为齿轮材料，还未见过关于承载能力系统研究的国内外资料。我组根据有关资料，设计了齿轮试件。热处理后，经力学性能测定和金相检验，其机械性能和组织结构与有关资料一致。对我国铜钥的接触疲劳和弯曲极限应力作了系统的测定，对其它三种球铁齿轮则在前面的基础上，用阶梯加载快速测定极限应力方法，对接触疲劳极限应力。和弯曲疲劳极限应力，。进行了测定和比较。试验条件本试验通过对齿轮，在已测得我国铜铂。广曲线的基础上，分别对另三种贝氏体球铁齿轮作了弯曲疲劳极限应力。，，的测定。 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1984．s1．020

分析和讨论 1,由所得数据看，四种贝氏体球铁齿轮的弯曲疲劳极限值均与ISO/TC60/WG6201E 所给的（硬度为HB=250~300)球铁og11m=160~250N/mm2(N。=3×10)相当。其中以我国钒钛的σp11m最高，其值和同硬度的合金钢几乎相同（表6）。可以认为这种球铁是四种贝氏体球铁中，在抗弯曲疲劳性能方面，最有前途的一种材料（其抗点蚀性能也很好， oH111m=1195.23N/mm2)。表6 材料 ISO ISO AGMA 钒钛贝氏体球铁钒钛贝氏体球铁合金铸钢合金调质钢调质钢 .(铁素体10%)（铁素体30~40%） OFIImN/m m2 245 304 341 305.69 335.54 2.本试验中钒钛试件中含铁素体10%，另一次试验中同为钒钛贝氏体球铁，但铁素体含量为3040%，其弯曲疲劳极限更高（见表6)，可以看出铁素体含量对这种材料的抗弯性能有很大影响。但究竞铁素体量应为多少，有待今后进一步研究。 3.经弯曲试验的试件，又进行了一次补充试验，目的是观察和对比三种贝武体球铁齿轮经疲劳试验后，承受静载的能力。同时观察轮齿断口，是否有疲劳裂纹。试验在万能材料试验机上进行，所用的装置如图6所示。补充试验结果表明，抗弯静强度和抗弯疲劳强度完全相应。其中我国钒钛的oF=137.1kg/mm2,芬兰铜钼gp=131.5kg/mm2,美国铜钼or=113.0kg/mm2 其中我国钒钛在十个断齿中无一有疲劳纹，芬兰铜钼有二个出现疲劳纹，美国铜钼出现三个。这一现象进一步证明我国钒钛贝氏体球铁确有较好的抗弯性能。 4. 由疲劳试验的结果看，材料的弯曲疲劳极限基图6补充试验装置本上和材料的σ相应。但芬兰铜钼的σ。低于美国铜钼 1-加载器2-心轴3-支架而疲劳强度和补充试验的结果均高于美国铜钼。这一现象值得注意。初步分析是由于芬兰铜钼中有残余奥氏体存在，经过疲劳试验的齿轮在载荷作用下，产生加工硬化现象，从而提高了静强度和疲劳极限。若把我国钒钛按芬兰铜钼的工艺来处理，使其也带有一定量的奥氏体，是否会出现更为理想的材料，这是一个值得尝在和探讨的问题。 5,切削加工所产生的残余应力对齿根弯曲极限应力有降低作用。本试验全部试件均为等温淬火后磨齿，图7轮齿断口的宏观特征且为干磨。因而磨削时产生大量热能，使齿面温度上升，达820°~840℃，足以使表面产生组织变化，从而产生附加组织应力，再加上表面温升产生的热应力，这两种应力的迭加就可能导致磨削表面出现裂纹，降低了材料的ar11m。ISO/TC60/MG6.201E中也提出了磨削 62

分析和计论由所得数据看，四种贝氏体球铁齿轮的弯曲疲劳极限值均与所给的硬度为球铁。，，，二。相当。其中以我国钒钦的，门最高，其值和同硬度的合金钢几乎相同表。可以认为这种球铁是四种贝氏体球铁中，在抗弯曲疲劳性能方面，最有前途的一种材料其抗点蚀性能也很好，，，。表 ’ 而 ’ ’ 菩翼翁旦里竺匕，合金调质钢调质钢钒钦贝氏体球铁铁素体钒钦贝氏体球铁铁素体，。本试验中钒钦试件中含铁素体，另一次试验中同为钒钦贝氏体球铁，但铁素体含里为。，其弯曲疲劳极限更高见表，可以看出铁素体含量对这种材料的抗弯性能有很大影响。但究竟铁素体量应为多少，有待今后进一步研究。经弯曲试验的试件，又进行了一次补充试验，目的是观察和对比三种贝武体球铁齿轮经疲劳试验后，承受静载的能力。同时观察轮齿断口，是否有疲劳裂纹。试验在万能材料试验机上进行，所用的装锻如图所示。补充试验结果表明，抗弯静强度和抗弯疲劳强度完全相应。其中我国钒钦的，二，芬兰铜钥，美国铜钥，其中我国钒钦在十个断齿中无一有疲劳纹，芬兰铜钥有二个出现疲劳纹，美国铜钥出现三个。这一现象进一步证明我国钒钦贝氏体球铁确有较好的抗弯性能。由疲劳试验的结果看，材料的弯曲疲劳极限基下戈少本上和材料的。相应。但芬兰铜相的口。低于美国铜铂而疲劳强度和补充试验的结果均高子美国铜相。这一现象值得注意。初步分析是由于芬兰铜钥中有残余奥氏体存在，经过疲劳试验的齿轮在载荷作用下，产生加工硬化现象，从而提高了静强度和疲劳极限。若把我国钒钦按芬兰铜钥的工艺来处理，使其也带有一定量的奥氏体，是否会出现更为理想的材料，这是一个值得尝在和探讨的问题。切削加工所产生的残余应力对齿根弯曲极限应图补充试验装置一加载器一心轴一支架，力有降低作用。本试验全部试件均为等温淬火后磨齿，图轮齿断口的宏观特征且为干磨。因而磨削时产生大量热能，使齿面温度上升，达。 ℃ ，足以使表面产生组织变化，从而产生附加组织应力，再加上表面温升产生的热应力，这两种应力的迭加就可能导致磨削表面出现裂纹，降低了材料的，，，。中也提出了磨削门

对σ11m的影响，但没有提出具体解决办法。本文在计算中没有考虑磨削影响，放所得 0r11m值偏低。 6. 由试件断口分析，可以肯定本试验全部试件均属疲劳断齿。故疲劳破坏的有关机理和统计规律均适用于本试验。断口的宏观特征如图7所示。力作引在左侧，断口左侧为疲劳区，疲劳源在左上方，裂纹自左向右扩展。断口疲劳区扫描电镜观察到的形貌如图 8所示。图8(a)为我国钒钛，图8(b)为芬兰铜钼，图8(c)为美国铜钼。芬兰铜钼和美国铜钼的断口均可看出明显的疲劳条纹。这些条纹不仅在一个视场上有，其它视场上还可看到类似的条纹。我国钒钛的断口比较细碎，没有明显的疲劳条纹。和疲劳区对比，快速断裂区的形貌也很明 ×2000我国钒钛疲劳区显，有清楚的沿晶断裂痕迹和解理断裂特征。图9为美国铜钼的快断区形貌，另二种材料也和此类似。 7,钒钛贝氏体球铁所以具有其它类型贝氏体球铁更高的抗弯曲疲劳性能，其原因还不十分清楚。但钒钛在结晶过程中都有细化晶粒的作用，它们一般以弥散相分布于基体中，或以硬度极高的碳化物单独存在、这对提高材料 (b) ×2000芬三铜铝波劳区的σ11m有好作用。由金相可以看出（装1），在贝氏体巾有小颗粒弥散状白点，即为钒和钛的碳化物。这些硬质点在裂纹扩展过程中有止裂作用。从图8(a)也可看出，当裂纹扩展到硬质点处时，硬质点阻止了裂纹的正常扩展，以以致断口没有明显的疲芳条纹，而是细碎的网状花样。在磨削过中，这些小质点也有利于分散磨削应力，不易产生磨削裂纹，这样也相 ×2000美国铜钼疲劳区应提高了材料的oF11m值。图8一断口形貌通过以上分析，可以得出三点结论。 (1)我国钒钛贝氏体球铁是一种很好的新的齿轮材料。其优点是有较高的综合机械性能，可以和某些合金钢相比，有较好的加工性能和热处理性能，齿形经粗加工后等温淬火，然后用硬质合金刀具精切，有很好的经济效益，特别是在合理使用能源方面具有很大的优越性。 (2)钒钛球铁中铁素体和贝氏体的比率图9 ×2000美国铜钼快断区 63

对。，，，二的影响，但没有提出具体解决办法。术文在计算中没有考虑磨削影响，故所得 ‘ 值偏低。由试件断口分析，可以肯定木试验全部试件均属疲劳断齿。故疲劳破坏的有关机理和统计规律均适用干木试验。断口的宏观特征如图所示。纹自左向右扩展。力作用在左侧，断口左侧为疲劳区，疲劳源在左上方，裂断口疲劳区扫描电镜观察到的形貌如图所示。图为我国钒钦，图为芬兰铜铂，图为美国铜钥。芬兰铜铂和美国铜相的断口均可看出明显的疲劳条纹。这些条纹不仅在一个视场上有，其它视场上还可看到类似的条纹。我国钒钦的断口比较细碎，没有明显的疲劳条纹。和疲劳区对比，快速断裂区的形貌也很明显，有清楚的沿晶断裂痕迹和解理断裂特征。图为美国铜钥的快断区形貌，另二种材料也和此类似。钒钦贝氏体球铁所以具有其它类型贝氏体球铁更高的抗弯曲疲劳性能，其原因还不十分清楚。但钒钦在结晶过程中都有细化晶粒的作用，它们一般以弥散相分布于基体中，或以硬度极高的碳化物单独存在，这对提高材料的，有好作用。由金相可以看出丧，在贝氏体中有小颗粒弥散状白点，即为钒和钦的碳化物。这些硬质点在裂纹扩展过和中有止裂作用。从图也可看出，当裂纹扩展到硬质点处时，硬质点阻止了裂纹的正常扩展，以以致断口没有明显的疲劳条纹，而是细碎的网状花样。在磨削过程中，这些小质点也有利于分散磨削应力，不易产生磨削裂纹，这样也相应提高了材料的口。，二值。通过以上分析，可以得出三点结论。我国钒钦贝氏体球铁是一种很好的新的齿轮材料。其优点是有较高的综合机械性能，可以和某些合金钢相比有较好的加工性能和热处理性能，齿形经粗加工后等温淬火，然后用硬质合金刀具精切有很好的经济效益，特别是在合理使用能源方面具有很大的优越性。钒钦球铁中铁素体和贝氏体的比率芬兰铜相疲劳区图断口形貌图美国铜铂快断区

是一个值得探讨的问题，如能控制适当，还将进一步提高材料的抗弯曲疲劳性能。 (3)在钒钛贝氏体体球铁合金中含有一定量的残余奥氏体，其综合机械性能也将进一步提高。作者在参加ZQ350减速器攻关的齿轮中，采用了这一类型的球铁，并取得了很好的效果。参考文献〔1〕四川省机械研究设计院、成都科技大学“稀土钒钛球墨铸铁（贝氏体）齿轮材质”的研究。《球铁》1980年1。 (2)J.E.Bevan,W.G.Scholz "Effects of Molybdenum on Transforma- tion Characteristics and properties of High strength Ductile iron 《AFS Transactions》”VOL851977 〔3)M.Johosson“Austinitic--Baintic Ductile Irons”《AFS Transac- tions》VOL85.1977 〔4)朱幸录：封闭力流式齿轮试验台的静态和动态载荷性能〔5)《直齿及斜齿圆柱齿轮传动承载能力计算的基本原理》(1978)ISO/TC60/WG6 〔6〕沈水福、范民政、梁骥：“齿轮疲劳极限应力快速测定法”《齿轮》1981年2 〔7〕关焯、房贵如、赵建华：《贝氏体球铁齿轮齿根弯曲疲劳强度的研究》〔8)“圆柱齿轮和圆锥齿轮承载能力计算”《西德工业标准DIN3990》1970.12. (9)N.E.Forest Metal Fatigue )Oxford Engincering science Series 1974 Test and Reseach about Bending Fatigue Strength of Three Kinds of Baintic Ductile Iron Gears Fan Minzheng Lian Yizhi Liang Ji This article sums up the testing results of bending fatigue strength of three kinds of Baintic ductile iron gears.The testing method is an accelerated test for determining the fatigue strength of gears.For calcnlating the bending fatigue stress ISO/TC60 424E Calculation of tooth strength of spur and helical gears )is adopted. When the number of basic cycles is No=3×lo°，the bending fatigue limit stresses otim(R=0.99)are shown as follows: material oFitn (N/mm2) V-Ti Baintic Ductile Iron 305.7 Cu-Mo Austenitic-Baintic Ductile Iron 242.32 Cu-Mo Martensitic-Baintic Ductile Iron 240.65 The measurements and surfaces where failure occurred are analyzed. 64