25Cr2MoV离子渗氮齿轮疲劳强度的试验

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1994.03.014 第16卷第3期 “北京科技大学学报 Vol.16 No.3 1994年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1994 25Cr2MoV离子渗氮齿轮疲劳强度的试验+ 谈嘉祯 傅德明 北京科技大学机械系，北京100083 摘要本文对SC2MoV离子渗氨齿轮所进行的齿面接触疲劳和轮齿弯曲疲劳试验研究、得出了 这种齿轮疲劳寿命分布规律和疲劳强度分布规律的结论，并求得这种齿轮的R-S-N线簇方程以 及各种可靠度下的齿轮接触疲劳极限应力值和轮齿弯曲疲劳极限应力值， 关键词离子渗氨齿轮，接触疲劳，弯曲疲劳 中图分类号TH132.413 Fatigue Strength of Ion-Nitrogen Case-Hardening 25Cr 2MoV Steel Gears Tan Jiazhen Fu Deminy Department of Mechanical Engineering.USTB.Beijing 100083,PRC ABSTRACT Both tooth flank contact fatigue and tooth bending fatigue with ion-nitrogen case-hardening 25Cr2MoV steel gears were investigated.The conclusions of distributing rules both their fatigue lives and fatigue strength were obtained were investigated.The R-S-N curve equations,both limiting stress of tooth flank contact fatigue and limiting stress value of tooth bending fatigue under various reliabilities were also evaluated. KEY WORDS ion-nitrogen case-hardening gear.contact fatigue,bending fatigue 渗氮处理是强化齿轮表层的工艺之一，它是在低于钢的相变温度下进行的、因而齿轮变 形量很小，一般不需再磨齿.过去，齿轮渗氨主要是液体和气体渗氮·近年来，由于辉光离子 渗氮工艺具有无污染、渗氨速度较快、表面白层组织可控、渗氨层均匀以及节省能量等优 点而迅速地发展起来.但在SO/DP6336/2-80和GB3480-83中，辉光离子渗氮齿轮的 疲劳极限应力值还是空白，不能为设计者提供离子渗氨齿轮设计时所需的重要数据，受机电 工业部委托、作者对25C2MoV辉光离子渗氮齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度进行了 大量的试验研究， 1 试验方法、试验机和试验夹具 1992-11-08收稿 第一作者男56岁教授 +机电部机城L业技术发展基金资助课题

第 16 卷 第 3 期 1 9 9 4 年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u nr a l o f U n i v e sr iyt of s百 ne ec a n d T Ce h n o l o g y B e ij i n g V o l . 16 N o . 3 J山望 1 9 9 4 2 5C r ZM o V 离 子 渗氮齿 轮疲劳强度 的试验 + 谈 嘉祯 傅德 明 北 京科技 大学 机 械 系 , 北 京 1〕 ) 〕8 3 摘要 本文 对 25 cr 2 M o V 离子 渗氮齿轮所 进行 的齿面 接触疲 劳和 轮齿弯曲疲 劳试验研究 , 得出 了 这种齿轮疲劳 寿命分布规律 和 疲 劳 强度分布规律的结论 , 并 求得 这 种 齿轮 的R 一 S 一 N 线簇 方程 以 及各种可 靠度下 的 齿轮接触疲 劳极 限应 力值和 轮齿弯曲疲 劳极限应力值 . 关键词 离子 渗氮齿轮 , 接触疲劳 , 弯 曲疲劳 中图 分类号 T l」13 2 . 4 13 F a t ig u e S t r e n g th o f I o n 一 iN t r o g e n C a s e 一 H a r d e 正ng 2 5 C r ZM o V S te e l G e a r s + aT n J i a 二h翻 凡 D绷 i n g D e P a r r rn e n r o f M e e h a n 一e a l E n g 一n e e r 一n g , U S T B , B e 一J i n g 10 0 0 8 3 , P R C A BS T R A C T B o t h t o o t h fl a n k co n at ct af t i g u e a n d t o o t h b e n d i n g af t i g u e 珊t h i o n 一 n it ro g en 以s e 一 h a dr en i n g 2 5C r ZM o V s te l g ae rs we re i n v es t ig a t de . T h e co n d us i o ns o f d is t ir b u t i n g ru l es b o th t h e i r af t i g u e li v es a n d af t ig u e s t re n g t h we re o b at i n de we re i n v es t ig a t de . hT e R 一 S 一 N cu vr e 叫u a t i o ns , b o t h liim t一n g s t esr s o f t o o t h fl a n k co n at ct af ti g u e a n d li n l lt i n g S t “ 粥 5 v a l u e o f t o o t h b en d i n g af t ig u e u n d e r v a ir o us elr i a b 且i t ies we er a ls o e v a l u a det . K E Y W O R I粥 i o n 一 n it or g en 以s e 一 h a dr e n i n g g ae r , co n at ct af t ig u e , b en d i n g fa t ig u e 渗氮 处理 是强 化齿 轮表层 的 工 艺之 一 , 它是 在低于 钢 的相 变温 度下进 行 的 , 因 而 齿轮 变 形量 很小 , 一 般不需 再磨 齿 . 过 去 , 齿 轮渗氮主要是 液体和气 体 渗氮 . 近年 来 , 由于 辉光离 子 渗氮 工艺具 有 无污 染 、 渗氮速 度较快 、 表 面 白层 组织 可 控 、 渗氮层 均 匀 以 及 节 省 能 量 等 优 点而 迅速地 发 展 起 来 . 但在 15 0 /D P 6 3 3 6 / 2 一 80 和 G B 3 4 80 一 83 中 , 辉 光 离 子 渗 氮 齿 轮 的 疲劳 极 限应力值 还是 空 白 , 不 能 为设 计者 提供离 子渗氮 齿轮设 计 时所需 的重要 数据 . 受机 电 工 业部 委托 , 作 者对 25 C rZ M o V 辉 光离子 渗氮 齿 轮 的接 触 疲 劳 强 度 和 弯曲疲 劳 强 度 进 行 了 大 量 的 试验研 究 . 1 试验方 法 、 试验 机和试验夹具 19 2 一 11 一 0 8 收 稿 + 机 电部 机 械 I 第 一 作 者 男 56 岁 教 授 业 技 术 发 展 基 金 资 助 课 题 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1994. 03. 014

Vol.16 No.3 谈嘉祯等：25C2MoV离子渗氮齿轮疲劳强度的试验 267. 齿面接触疲劳试验采用负荷运转试验法，试验机为JG150型机械封闭齿轮试验机. 轮齿弯曲疲劳试验采用轮齿脉动加载试验法.试验机是英国产的1603型电磁谐振疲劳 试验机，试验用加载频率为150Hz.试验夹具是双齿加载夹具， 2试验齿轮 2.1试验齿轮材料 试验材料用25Cr2MoV,经检验，其化学成分完全符合有关标准规定· 2.2试验齿轮毛坯的热处理工艺和力学性能 调质处理：920℃，2h,油淬；560℃，4h,冷却到400℃出炉.金相组织：回火索氏体.力 学性能：0=980MPa.g,=926MPa,8=10.4%p=65.8%,ak=1.83J/mm;硬度HRC38~40. 2.3渗氨工艺及质量检测 接触疲劳试验齿加轮经600℃离子轰击回火1.5h,再经530~570℃渗氮20h(氮氢比10/100 ~15/100),缓冷出炉；有效硬化层为0.44mm,表面硬度HV,745.弯曲疲劳试验齿轮，除渗 氮时间为44h外，其余同接触疲劳试验齿轮；有效硬化层为0.62m,表面硬度HW,766. 2.4试验齿轮参数及其加工 接触疲劳试验齿轮：中心距a=150mm.模数m=6mm,齿数：=20（从动轮）、：=30（主动轮， 齿宽b=30mm;A级滚刀切齿.弯曲疲劳试验齿轮：模数m=5mm,齿数：=30.齿宽b=14mm; A级滚刀加工· 3 试验方法和失效判据 3.1试验方法 齿面接触疲劳强度采用台架运转方法试验，为节省试件和避免试验过程中可能出现断齿 现象，采用主、从动轮正反交错搭接的方式·轮齿弯曲疲劳强度采用轮齿脉动加载方法试 验·为避免各被试齿的相互影响，各被试齿之间至少隔一个齿；为避免同一应力级的被试齿 来源集中，被试齿在所有试验齿轮中随机抽取， 32试验应力级的确定 根据试验规范，取4个应力级进行试验， 3.3失效判据 齿面接触疲劳判据按照德国FVA的<齿面承载能力试验推荐规范》确定，轮齿脉动加 载试验以轮齿折断时的应力循环次数为轮齿弯曲疲劳失效寿命

Vo L 16 N让 3 谈 嘉祯等 : 2父 f MZ o v 离子渗氮齿轮 疲劳强度 的 试验 · 267 · 齿面 接触疲 劳试验 采用 负荷运 转试 验法 . 试验机 为 JG 1 50 型机械 封 闭齿轮 试验机 . 轮齿 弯 曲疲 劳试验 采用 轮齿脉 动加 载 试验法 . 试验 机 是 英 国产 的 1603 型 电磁 谐振 疲 劳 试 验机 , 试验用 加 载频 率 为 1 50 H z . 试验夹 具是 双齿加载 夹具 . 2 试 验齿轮 2 . 1 试验 齿轮材 料 试验 材料用 2 5 C rZ M O V , 经检 验 , 其化学 成分完 全符 合有关 标准规定 . 2 . 2 试验 齿轮毛 坯 的热处理 工艺 和 力学性能 调质 处 理 : 9 20 ℃ , Z h , 油淬 ; 560 ℃ , 4 h , 冷却 到 4 0 ℃ 出 炉 . 金 相 组 织 : 回 火 索 氏体 . 力 学 性 能: a b =9 80 M p a , a 、 = 9 2 6 M p a , 占= 10 . 4 % 甲 = 6 5 . 8 % , a 、 = l . 8 3 ) / nmr Z ; 硬 度 月尺C 3 8 一 4 0 . 2 . 3 渗氮工 艺及质量检 测 接触 疲劳试 验齿 加轮 经 60 ℃离子轰击 回火 1 . 5 h , 再 经 5 30 一 5 70 ℃ 渗 氮 20 h ( 氮氢 比 10 / 10 一 1 5 / 1 0 ) , 缓冷 出炉 ; 有效硬 化层 为 .0 科 n l n , 表 面硬度 闭 才、 745 . 弯曲疲 劳试验 齿轮 , 除 渗 氮 时间为 科 h 外 , 其余 同接 触疲 劳 试验齿轮 ; 有效 硬化层 为 .0 62 ~ , 表 面硬度 月 F 、 7 6 . 2 . 4 试验齿 轮参 数及 其加工 接触 疲 劳试验齿 轮 : 中心 距 a = 150 n 卫刀 , 模 数 。 = 6 ~ , 齿数 : l = 2 0 (从 动轮 ) 、 : 2 一 3 0( 主动轮 ) , 齿 宽 b 一3 0mn l ; A 级 滚 刀 切齿 . 弯 曲疲 劳试验齿 轮: 模 数 m = 5 ~ , 齿数 : 二 30 , 齿 宽 b 一 14 ~ ; A 级滚 刀 加 工 . 试验方 法和失 效判 据 试验 方法 齿 面 接触 疲劳强 度采 用 台 架运转 方法 试验 . 为节省 试件和 避免 试验过 程 中可 能 出现断 齿 现 象 , 采用 主 、 从 动轮 正反交 错搭 接的方式 . 轮齿 弯 曲疲劳强 度采 用 轮齿 脉动 加载方 法试 验 . 为避 免各被试齿 的相 互影 响 , 各被试齿 之 间至 少隔 一个齿 ; 为避免 同一应 力级 的被试齿 来源集 中 , 被 试齿在 所有 试验 齿轮 中随机抽 取 . 试验 应 力级 的确定 根据 试验规 范 , 取 4 个 应力级 进行 试验 失效判据 创,飞à .33 齿 面 接触 疲劳判 据按 照德 国 FV A 的 《 齿 面承 载能 力试验 推荐规 范 》 确 定 . 轮 齿 脉 动加 载试验 以 轮齿 折断 时的应力 循环 次数 为轮齿 弯曲疲 劳失效 寿命

·268 北京科技大学学报 1994年No.3 4试验齿轮的应力计算 4.1齿面接触应力计算 按GB3480-83的一般方法进行，计算式中部分系数从试验机的特性曲线图中查取· 4.2齿根应力计算 由于采用轮齿脉动加载试验，轮齿的受载点固定不变，这与齿轮负荷运转时不同，因 此，试验齿轮的齿形系数Y和应力修正系数Y,按固定的载荷作用点专门计算求得，其它各 系数仍按GB3480-83规定的一般方法计算. 5 试验数据统计处理结果及R-S-N方程参数 齿轮的R-S-N线簇方程为 mR·nSR+inN=lnCR 式中SR一可靠度为R时的疲劳强度（以应力表示）；N一疲劳寿命（以应力循环次数表示） m一可靠度为R时试验指数（反映线簇的斜率）；CR一可靠度为R时的试验常数， 5.1齿面接触疲劳试验 根据试验所得的4个应力级的疲劳寿命样本（从略），按统计学方法检验结果是，各应 力级的齿面接触疲劳寿命均服从两参数威布尔分布，经过线性拟合，求出R-S-N线簇方程 参数及N。=5×10?次时的齿面接触疲劳强度（极限应力）值，如表1所列· 5.2轮齿弯曲脉动加载试验 根据试验所得的4个应力级的轮齿弯曲疲劳寿命样本（从略）的检验结果，各应力级的轮 齿弯曲疲劳寿命均服从对数正态分布，经过线性拟合，求出轮齿弯曲疲劳的R-S-N线族方 程参数及N。=3×10°次时疲劳极限强度值如表2所列. 表1齿面接触疲劳的R-S-N方程参数 表2。轮齿弯曲疲劳的R-S-N方程参数 Table 1 R-S-N equation parameters for tooth Table 2 R-S-N equaion parameters for flank contact fatigue tooth bending fatigue 序 号 R mR InCg S(N=5×10次) /MPa 号 mg inC& S.(Ng=3×10次) MPa 10.9923.7988194.016 1648.23 10.9953678 44.8998 266.7 20.9524.2565197.664 1665.88 20.956.4782 51.9249 302.82 30.9024.3961198.855 1676.63 30.9093634 70.1811 365.93 40.8024.6887201.296 1694.85 40.8012.8570 92.2849 410.72 50.5024.8903203.411 1737.17 50.5019.5400134.5710 456.59 注：S=0%相当于GB3480-83中的接触极限 注：S=09相当于GB3480-83中的弯曲疲劳极限 应力CHum 应力0m

2 6 8 北 京 科 技 大 学 学 报 1 书关科 年 N o . 3 4 试验齿轮 的应 力计算 4 . 1 4 . 2 齿面 接触应 力计 算 按 G B 43 80 一 83 的一 般方 法进 行 , 计 算式 中部 分 系数从 试验 机 的特 性 曲线 图中查取 齿根应 力计 算 由于 采用 轮齿脉 动加 载试验 , 轮 齿 的 受载 点 固定 不变 , 这 与 齿 轮 负荷 运 转 时不 同 . 因 此 , 试 验 齿轮 的齿形 系数 Yr 和应 力修 正系数 sY 按 固定 的载荷作 用点专门计算 求得 , 其 它各 系数仍 按 G B 3 4 80 一 83 规定 的一般 方法 计算 . 5 试验 数据 统计 处理 结果及 R 一 S 一 N 方程参数 齿轮 的 R 一 S 一 N 线簇 方程 为 川 ; ` I n 凡+ I n N = I n 吼 式 中 凡一可靠 度 为 R 时的疲 劳强 度 ( 以 应力表 示 ) ; N ` 疲劳寿命 ( 以应力 循环 次数表 示 ) m ; 一 可 靠度 为 R 时 试验指 数 ( 反映线簇的斜 率;) 吼一 可 靠度为 R 时的试验 常数 . 5 . 1 齿面接 触疲 劳试验 根 据试 验所 得的 4 个 应力 级 的疲 劳 寿命样 本 ( 从 略 ) , 按 统计学 方 法检 验 结 果 是 , 各应 力级 的齿 面接触疲 劳 寿命均 服从 两参数 威布 尔分 布 . 经 过 线性 拟 合 , 求 出 R 一 S 一 N 线 簇 方 程 参数及 N0 二 5 x 10 7次 时 的齿面接 触疲 劳强 度 ( 极限应力 ) 值 , 如表 1 所 列 . 5 . 2 轮 齿弯曲脉动 加载试验 根据 试验 所得 的 4 个应 力级 的轮齿 弯曲疲劳 寿命样本 (从 略 ) 的检验结 果 , 各应力级 的轮 齿 弯曲疲 劳 寿命均服 从 对数正态 分 布 . 经 过线性 拟合 , 求 出轮齿弯曲疲 劳的 R 一 S 一 N 线族方 程参数及 N0 = 3 x l 护 次 时疲劳极 限强度值 如表 2 所 列 . 表 1 l h b阮 1 齿面接触 疲劳 的 R 一 S 一 N 方程 参数 表 2 轮齿弯曲疲劳的 R 一 S 一 N 方程参数 R 一 S 一 N 闰口位刃 详困川袱e 巧 for 加。 山 怪阴k “ 价at ct 台飞碑 aT 比 Z R 一 S 一 N 侧l旧筑 ” l 碑伽犯 et 招 for 奴旧山 卜犯山飞 血甸 脸 R m ; in 吼 S * (N0 = 5 x 10 ’次 ) / M aP 髻 尺 m · in 二 “ · `价最苗 `0 6 序号 次) 脱抢7938259 3023654156 住卯 09 5 0 . 卯 0名0 0 . 印 237 98 8 24 2 56 5 24 3 96 1 24 . 68 8 7 24 . 8如 3 194 . 0 16 197 . 〔又醉落 198名55 20 1 . 2% 20 3 4 1 1 1〔训旧 . 2 3 l 砧5名8 1 67 6 . 63 1 694 . 85 1 7 37 . 1 7 0 . 9 5 . 3 67 8 0 . 95 6 4 78 2 0 . 卯 9 3 6 3 4 0名0 12 . 857 0 住50 19 . 孙〕O 4 名9 8 5 1 . 924 9 70 . 18 1 1 92 . 284 9 134 . 57 10 1 ` ,一,、 注: 凡 _ 0 , 相当于 G B期目 )一 舒 中的接触极限 应 力 a H il . 注 : 凡 _ 。 , 应 力 相 当于 G B引目 )一 那 中的弯曲疲劳极限

Vol.16 No.3 谈嘉桢等：2SC2MoV离子渗氮齿轮疲劳强度的试验 .269, 6分析 (1)由表1可知，25Cr2MoV离子渗氮齿轮的齿面接触疲劳极限应力cHm=1648.23MPa, 与GB3480-83提供的资料相比，远高于调质钢液体渗氮和气体渗氨齿轮的极限应力值，并 接近合金钢渗碳淬火齿轮接触疲劳极限应力值的上限， (2)由表2可知，25Cr2MoV离子渗氮氯齿轮的轮齿弯曲疲劳极限应力om=266.7MPa, 与调质钢液体渗氨或气体渗氮齿轮的轮齿弯曲疲劳极限应力值相当·但经过实测发现，弯曲 疲劳试验齿轮齿根30°切线点处的曲率半径实测值(p,=1.05mm)比用标准刀具加工出来的 正常值(p=2.745mm)要小得多，说明加工刀具修磨不合标准，我们仍按实测值经过修正 计算，求得cFLm=483MPa,它与合金钢渗碳淬火齿轮的轮齿弯曲疲劳极限应力的平均值相 当· (3)25C2MoV离子渗氮齿轮的接触疲劳曲线的斜率较气体渗氨齿轮的小，这说明，随 着接触应力的提高，接触疲劳寿命下降较快·因此，在进行这种齿轮的设计时，要特别注意 接触疲劳极限应力取值怡当·相反的是，这种齿轮的轮齿弯曲疲劳曲线的斜率远比液体和气 体渗氮齿轮的大，并随着弯曲应力的提高，轮齿弯曲疲劳寿命下降不快.设计时，弯曲极限 应力取值稍高或稍低不会导致弯曲疲劳寿命的大幅度变化· 7结论 (1)25Cr2MoV齿轮采用离子渗氮工艺进行表面强化，其接触疲劳强度和弯曲疲劳强 度均可达到合金钢渗碳淬火的强度水平，并可省去化学热处理后的磨齿工序，有较好的经济 效益， (2)为提高齿轮轮齿的弯曲疲劳强度，加工刀具的修磨必须严格按照规定要求进行， 注意防止刀具齿顶圆角半径偏小， 参考文献 1GB3480-83,渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法，北京：中国标准出版社，1984.1 2高镇同.疲劳应用统计学，北京：国防工业出版社，1986.82 3 Kapur K C.Lamberson Reliability in Engineering Design.New York:John Wiley and Sons Inc.1977.291

V 0 1 . 16 N 0 . 3 谈嘉祯等: 2父 rZM O V 离子 渗氮齿轮疲劳强 度的试验 6 分 析 ( )l 由表 1可知 , 25 C rZ M O V 离 子渗 氮齿 轮 的齿 面 接 触疲 劳 极限 应力 6 H L而= 1 64 8 . 23 M P a , 与 G B 34 8 0 一 83 提供 的资料相 比 , 远高 于调质 钢液体 渗氮和气 体渗氮 齿轮 的极 限应 力 值 , 并 接近合 金钢渗 碳淬火齿 轮接 触疲 劳极 限应力 值的上 限 . ( 2) 由表 2 可知 , 25 C rZ M o V 离子 渗氮齿 轮的 轮齿 弯曲疲 劳 极 限应 力 6 FL im = 2 6 . 7 M P a, 与调 质钢液体 渗氮或气 体 渗氮齿 轮 的轮齿弯曲疲 劳极限应 力值相 当 . 但 经过实 测发 现 , 弯 曲 疲劳 试验齿轮 齿根 30 。切 线点 处的 曲率半 径 实测值 ( p f 二 1 . 05 ~ ) 比用标 准刀 具 加工 出来 的 正常值 ( p f 二 2 . 7 45 ~ ) 要小 得多 , 说明加工 刀 具修磨 不合 标准 . 我们仍按 实 测 值 经 过修 正 计算 , 求得 a 「L l m = 4 83 M P a , 它 与合金 钢渗碳 淬火齿 轮 的轮 齿弯曲疲 劳极 限应力 的 平 均 值相 当 . ( 3) 25 C rZ M O V 离 子渗 氮齿 轮的接 触疲 劳曲线 的斜率 较气体 渗氮齿 轮 的小 . 这说明 , 随 着接 触应力 的提 高 , 接触 疲劳 寿命下 降较快 . 因此 , 在 进行这 种齿 轮 的设计 时 , 要特别 注意 接 触疲劳极 限应 力取 值恰 当 . 相 反 的是 , 这种齿 轮的轮 齿弯 曲疲劳 曲线 的斜率远 比液体和气 体渗氮齿 轮的大 , 并 随着 弯曲应力 的提高 , 轮齿 弯曲疲 劳寿命下降 不快 . 设计 时 , 弯曲极限 应力取值稍高 或稍低 不会 导致 弯曲疲 劳 寿命的大 幅度变 化 . 7 结 论 ( 1) 2 5 C rZ M o V 齿 轮采用 离子 渗氮工 艺进行 表面强 化 , 其 接 触 疲 劳 强 度 和 弯 曲疲 劳 强 度 均可达到 合金 钢 渗碳淬 火 的强度水 平 , 并 可省 去化学 热处理 后 的磨 齿工 序 , 有较 好的经济 效益 . ( 2) 为提 高齿 轮轮 齿 的弯 曲疲 劳 强 度 , 加 工 刀 具 的修 磨 必 须 严格 按 照 规定 要 求 进 行 , 注意防止 刀 具齿 顶 圆角半径偏 小 . 参 考 文 献 1 G B 驯段)一 83 , 渐开 线圆 柱齿轮承载能力计算方法 , 北京: 中国标准出 版社 , 19 84 . 1 2 高镇同 . 疲劳应用 统计学 . 北京 : 国防工 业 出 版社 , 19 86 . 82 3 aK p ur K C . L a in be OIS n R e ial ibl ty in E 理卿e n n g l 冶gln . Ne w oy rk : oJ hn w il e y a dn s o ns ln c , 197 7 . 29 1