D0I:10.13374/i.issn1001053x.1992.05.007 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 2 0CrMnMo渗碳淬火齿轮 的接触疲劳强度① 易秉钺* 陈键 周建梁· 滴要：对齿面硬度HRC62的20 CrMnMo渗碳淬火齿轮，进行了接触疲劳运转试验，获得33 个试验数据。经过数据处理，绘制出R一8一W曲线，可靠度0.99，循环基数5×10？，其齿面 接触疲劳极限应力为1571.6N/mm2.通过电镜等，对齿面损伤特性进行了宏观和微观的分析， 获得一些有益的观点，提出一些有效的技术措施。 关键词：渗碳淬火齿轮，接触疲劳强度，齿面损伤 Contact Fatigue Strength of 20CrMnMo Carburized and Quenched Gears Yi Bingyue'Chen Jian' Zhou Jianliang ABSTRACT:Using power circulating type gear tester 33 pairs 20CrMnMo carburized and quenched gears,having tooth surface hardness HRC62,were tested to investigate the contact fatigue life.The test results were treated by statistical methods and plotted as R-S-N curve.The contact strength limits oim were 1 571.6 N/mm2 with reliability 0.99 at 5X 107 cystes.By using scanning electron microscope etc.,the texture of tooth surface damage were described and the mechanism of failures was investigated. KEY WORDS:carburized and quenched gear,contact fatigue strength,tooth surface damage .我国制订的《渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法》标准(GB3480一83)中，极限应力区 域图，是沿用了S0标准。而且，硬齿面齿轮的计算方法，都基本上采用软齿面齿轮的计算方 ①1991一10-11收稿 ,机械工程系(Department of Mechanical Engincering) ·530·
北 京 科 技 大 学 学 报 第 41 卷第 5期 1 9 92 年 9 月 V o l 。 14 N o . 5 J o u r n a l o f Uni v e r s ti y o f S e i e n e e an d T e e h n o l o g y Be ij i n g S ep t . 1 9 92 2 0 C r M n M o 渗碳淬火齿轮 的接触疲劳强度 ① 易秉钱 ’ 陈 键 ’ 周 建梁 ` 摘 要 : 对齿面 硬度 H R C 62 的 Z Orc M n M。 渗碳淬火齿轮 , 进行了接 触疲劳运转试验 , 获得 3 个试验数据 。 经过数据处理 , 绘制 出 R 一 习 一 N 曲线 , 可靠度 0 . 9 , 循环 基数 5 x l 丁 , 其 齿面 接触疲 劳极限应力为 1 57 1 . 6 N / m m Z 。 通过 电镜等 , 对 齿面损伤特性进行了宏观和 微观 的分析 , 获得一些有益 的观点 , 提出一些有效 的技术措施 。 关链词 : 渗碳 淬火齿轮 , 接触疲劳强 度 , 齿面 损伤 C o n t a e t F a ti g u e S tr e n g t h o f 2 OC r M n M o C a r b u r iZ e d a n d Q u e n e h e d G e a r s Yi B i n g 护记 苦 口瓜抓 了必筋 . 2 切u J 砧 n l她叩 . 咐 A BS T R A C T : U s i n g P o w e r e i r e u l a it n g ty pe g e a r t e s te r , 3 3 琳ir s 2 0C r M n M o ca r b u ir z ed a n d q u e n e h e d g ea r s , ha v i n g t o t h su r fa e e h a r d n e s H R C 6 2 , w e r e t e s t ed t o i n V e s t i g a t e t h e e o n at c t fa igt u e l if e . T he et st r esu lst w e r e t r e a et d by s at t is it ca l m e t h od s a n d P l o t t e d as R 一 S 一 N e u r v e . T h e e o n at e t s t r e n g t h l im i st a H I j二 we r e 1 5 7 1 . 6 N / m m Z iw t h r e il a bil i t y 0 . 9 9 a t S X I O 7 e y st e s . yB u s in g sca n n i n s e l e e t r o n m i e r osc o ep e t e . , ht e et x ut r e o f t o o t h s u r fa e e d a m a g e w e r e d e sc r i b e d a n d t h e m e e h a n is m o f fa il u r e s w a s i n v e st i g a et d . K E Y W O R D S : e a r b u r止 e d a dn q u e n hc e d g e a r , e o n at e t fa t i g u e s t r e n g t h , t o t h s u r f a e e 血 m 昭e 我 国制订的 《 渐开 线圆柱 齿轮承载 能力计算方法》 标准 ( G B 3 4 8 O一 83 ) 中 , 极限应力区 域图 , 是沿用 了 15 0 标准 。 而且 , 硬齿面齿轮的计算方法 , 都基本上采用软齿面齿轮的计算方 ① 19 9 1一 1 0一 2 2 收稿 辛 机械 工程 系 ( eD 两t m e n t 吐 M e c h a n i司 E n咖 e e r加s ) · 5 3 0 · DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1992. 05. 007
法，国内外有些学者认为二者的损伤特性有较大的不同，在计算方法上应有所区别。1986年 由郑州机械研究所和北京科技大学承担的上述齿轮疲劳寿命及其损伤特性的研究，被列入机 械工业科学技术发展基金项目中，并规定20 CrMnMo等6种硬齿面材料，在齿轮设计、材料冶 炼及热处理等，应充分反映我国实际水平。 由于20 CrMnMo钢材料普遍、价格低廉、具有良好的机械性能和工艺性能，在我国应用甚 为广泛，如最新制订的普通减速器系列和重载低速减速器系列的齿轮，都选用了这种材料。因 此，本研究具有一定的实际意义。 本研究完成了33对齿轮试件的运转试验，相应进行齿面损伤形貌观察、金相、电镜分析 等，获得了大量有关硬齿面的信息，这对今后设计、制造、使用这种齿轮是十分有用的。 1 试验方法.c2 1.1齿轮试件 齿轮材质的化学成分：C-0.2%;Si-0.23%;Mn-1%:P一0.025%；S-0.014%;Cr 一1.22%；Mo-0.24%。 齿轮试件主要几何参数：标准直齿轮，模数m=6mm;小、大齿轮齿数Z:=20,Z2=30; 齿宽b=30mm。 齿轮试件进行渗碳淬火热处理和制造。经各种检测，齿轮试件的锻造和热处理均符合MQ 质量要求；齿轮制造精度为6级；材料的机械性能：os=1270N/mm2,a=1360N/mm2, =12%,p=53%,x=95J/cm2,Ke=424,齿面硬度HRC62。 1.2试验机 试验机采用JG150型封闭流机械杠杆加载齿轮试验机。试验前，按文献〔1)要求和方 法对试验机进行性能测定。测定结果表明，性能稳定，两台试验机具有相似性。 1.3试验 按文献〔2)推荐，作4个应力水平的R一8一N曲线。又按文献〔3)，每个应力水平至少 有5个试验点，并满足其相关系数的要求。为了节省试件，采用齿轮搭接进行试验，实际接 触宽度b=7~10mm。按文献〔2〕推荐的失效判据作为本试验的失效判据。 2试验结果及分析 2.1疲劳寿命试验结果 试验应力均按GB3480一83的一般方法用计算机算出。接触应力和疲劳寿命列入表1。 ·531·
法 , 国内外有些学者认为二 者的 损伤特性有较大的不 同 , 在计算方法 上应 有所 区 功 。 19 86 年 由郑州机械研究所和北 京科技 大学承担的上述齿轮疲劳寿命及其损伤特性 的研 究 , 被列入机 械工业科学技 术发展 基金项 目中 , 并规定 2 0c rM n M O 等 6 种硬齿面材 料 , 在 齿轮设计 、 材料 冶 炼及热处理等 , 应充分反映 我国实际 水平 。 由于 2 0cr M n oM 钢材料普遍 、 价格低廉 、 具有 良好的机械性能和工艺性能 , 在 我 国应用 甚 为 广泛 , 如最新制订的普通减速器 系列和 重载低速减速器系 列的齿轮 , 都选用 了这种材料 。 因 此 , 本研究具有一定 的实际 意义 。 本研究完成 了 3 对齿轮试件的运转试验 , 相应进行齿面损伤形貌观察 、 金相 、 电镜分析 等 , 获得 了大量有关硬 齿面 的信息 , 这为今后设计 、 制造 、 使用这种齿轮是十分有用的 。 1 试验方法 〔 ,〕 、 〔2〕 1 . 1 一 1 。 齿轮试 件 齿轮材质的化学成分 : e 一 。 , ’ 2 % ; iS 一 0 . 2 3 % ; M n 一 1 % ; p 一 0 · 02 5 % ; S 一 o · 0 1 4 % ; C r 2 2 % ; M o 一 0 . 2 4 % 。 齿轮试件主要几何参数 : 标准直齿轮 , 模数 。 一 6 m m ; 小 、 大齿轮齿数 Z , 二 20 , 2 2 一 30 ; 齿宽 b = 3 0m m 。 齿轮试件进行渗碳 淬火热处理和制造 。 经各种检测 , 齿轮试 件的锻造和 热 处理均符 合 M Q 质量要求 ; 齿轮制造 精度为 6 级 ; 材料的机械性能 : 几一 1 2 70 N /m m Z , 几 一 1 3 60 N / m m , , 久 = 1 2 % , 甲 = 5 3 % , 贩 = 9 5 ) / e m Z , K : C = 4 2 4 , 齿面硬度 H R C 6 2 。 1 . 2 试验机 试验机采用 J G 1 5 0 型 封 闭流 机械杠杆加载齿轮试验机 〔 , , 。 试验前 , 按文献 〔1〕 要求和方 法对试验机进行性能测 定 。 测定 结果表明 , 性 能稳定 , 两 台试验机具有相似性 。 1 . 3 试验 按 文献 〔幻 推 荐 , 作 4 个应力水平的 R一 S 一 N 曲线 。 又按文 献 〔3〕 , 每个应力水平至 少 有 5 个试验点 , 并满足其相 关系数的要求 。 为 了节省试件 , 采 用齿轮搭接进行试验 , 实际接 触宽度 b一 7 一 1 om m 。 按文献 〔2〕 推荐的 失效判 据作 为本试 验的失效判据 。 勺 2 试验结果及分析 .2 1 疲劳寿命试验结果 试验应力均按 G B 3 4 8O一 83 的一般方法用计算机算出 。 接触应力和疲劳寿命列 入表 1 。 · 5 3 1 ·
表1接触应力和疲劳寿命 Table1 Contact stress and fatigue life 接触应力(N/mm2) 疲劳寿命 (×105) 2156 1.03 1.03 1.22 2.32 2.73 0.59 0.65 1.62 1.83 2.55 2057 2.84 4.60 4.68 30.00 3.38 3.55 5.77 5.88 6.00 1964 6.34 7.12 4.610 5.251 6.251 7.644 .8.255 1865 8.711 9.072 11.155 26.100 按文献〔3)编程用计算机对每个应力水平进行各种分布的参数估计，以及S一分布检 验和概率纸相关检验。4个应力水平的寿命分布均为3参数威布尔分布。 根据S一V疲劳曲线的性质，在不同应力水平上取相同可靠度R的寿命点，在双对数坐标 系呈线性关系。作者选定6个R值(0.99、0.95、0.9、0.8、0.5、0.1)，从4个寿命分布分别可得各 R下相应的4个点，再进行线性回归，在计算机上显示出6条线组成的R一S一N曲线族，见图 1。图中每条线都进行了F检验（当显著性水平a=0.1,临界值F。.11,2)=8.52631),运算结 果都满足线性要求。 按图1R一S一N曲线和各条线的方程，取N。=5X10?,可求出不同R下的齿面接触疲劳 极限应力值；见表2。 将表2进行应力分布检验，为对数正态分布（特征值0=7.3954，V=0.0153,线性相 关系数r=0.98)。 当R=0.99,N。=5X107,0wm=1571.6N/mm2。 表2不同R下齿面接触疲劳极限应力值.(N/mm) 4 Table 2 At different R,contact limiting stress of tooth surface (N/mm2) R 0.99 0.95 0.9 0.8 0.5 0.1 Hltm 1579.474 1593.244 1598.900 1605.488 1623.271 ‘1670.535 2.2损伤特性 在全部试验过程中，当采用o=57.4mm/s的机械油，齿面易出现破坏性胶合；当采用 50号极压工业齿轮油，轮齿端部齿廓不倒缘，从动轮轮齿端部易出现掉块；若进行足够倒缘， 齿面出现的损伤是点蚀坑，个别也出现严重磨损。对于硬齿面齿轮来说，出现破坏性胶合和 端部掉块现象是不正常的。 2.2.1点蚀坑 在约占90%的试件和约占90%的主动件上，齿面上先产生霜状微点蚀，然后逐渐发展成 ·532·
表 1 接触应力和疲劳寿命 T a bl e 1 C o n ta e t s t r e s a n d fa t ig u e li f e 接触应 力 ( N / m m Z ) 疲劳寿命 ( X 1 0 ` ) 2 1 5 6 4 . 6 1 0 5 . 2 5 1 6 . 25 1 7 . 6 4 4 8 . 2 5 5 8 . 7 1 1 9 . 0 7 2 1 1 . 1 5 5 2 6 . 1 0 0 申 按文 献 〔3 〕 编 程用 计算机对每 个应力 水平进行 各种 分布 的参数估计 , 以及 s 一 N 分布检 验和概率纸相 关检验 。 4 个应力水平的寿 命分 布均为 3 参数威布 尔分布 。 根据 s 一 N 疲劳曲线的性质 , 在不同应力水平 上取相同可 靠度 R 的寿 命点 , 在双 对数 坐 林 系呈 线性关 系 。 作者选定 6 个 R 值(0 . 9 、 0 . 9 5 、 0 . 9 、 0 . 8 、 0 . 5 、 0 . 1) , 从 4 个寿命分布分别可得各 R 下相 应的 4 个 点 , 再进行线性 回归 , 在计算机上 显示 出 6 条线组成的 R 一 S 一 N 曲线族 , 见 图 1 。 图 中每条 线都进行了 F 检验 ( 当显著性水平 a 一 0 . 1 , 临界值 OF . l ( l , 2 ) 一 8 . 5 26 31 ) , 运 算结 果都满足线性要 求 。 按图 I R一 s 一 N 曲线和 各条线的方程 , 取 N 。 一 5 x l 『 , 可求出不 同 R 下的 齿面接触疲 劳 极限应力值 , 见 表 o2 将表 2 进行应力 分布检验 , 为对数正态 分布 (特征值 U ~ 7 . 39 5 4 , V 一 0 . 01 5 3 , 线性相 关系数 r 一 0 . 98 o) 当 R = 0 . 9 9 , N 。 = 5 X 1 0 7 , 阮, = 1 5 7 1 . 6 N /m m Z 。 表 2 不同 五 下齿面 接触疲劳极限应力值 ( N / m m , ) aT b l e 2 A t d i f e r e n t 尺 , e o n at c t l i m i草n g s t r es of t o o t h s u fr a e e (N / m m , ) R 0 9 9 0 。 95 0 . 9 0 。 8 0 . 5 0 。 1 仰 一,二 1 5 79 . 4 7 4 1 5 9 3 . 2 4 4 1 5 9 8 . 9 0 0 1 6 0 5 . 48 8 1 6 2 3 . 2 7 1 1 6 7 0 . 5 3 5 .2 2 损伤特性 在 全部试验过程 中 , 当采用 挑 。一 57 . 4 m m Z s/ 的 机械 油 , 齿 面 易 出现 破坏性胶合 ; 当采用 50 号极压工业齿轮油 , 轮齿端部齿廓不倒缘 , 从动轮轮齿端部易 出现掉块 ; 若进行足够倒缘 , 齿面出现的损伤是 点蚀坑 , 个别也 出现严重磨损 。 对于硬齿 面齿轮来说 , 出现破坏性胶合和 端部掉块现象是不 正常的 。 .2 .2 1 点蚀坑 在约 占 90 % 的试件和约 占 90 % 的 主动件上 , 齿面上先 产生 霜状微点蚀 , 然后逐渐发展成 · 5 3 2 ·
大，点蚀坑，其发展速度是随齿面接触应力 的增大而加快。大点蚀坑多产生在节线附 2300 近偏向齿根处。 2200 (1)霜状微点蚀。当试件经过一定运转 2100 后，正常的话，在轮齿节线附近偏齿根处， 2000 开始产生霜状点蚀带。文献〔4、5)认为这 1900 种霜状微点蚀多产生于渗碳淬火齿轮，所 1900 以，本试验也不例外。 1700 图2为电镜下的霜状点蚀。作者分析， 它的产生，除和轮齿磨痕有关外，还和齿面 1600 出现鳞皱有关。在高接触应力不断地碾压 1500 105 106 10 10 和碾击下，将磨痕或鳞皱的蜂尖碾碎（图 3)或碾平，出现了霜状微点蚀。随之产生 图1R一8-N曲线 的第二次微裂纹，在接触应力不断地作用 Fig.I R-8-N curve 下，逐渐发展成大点蚀坑，这和尼曼的分析 是一致的。 4M 图3二次微裂纹 图2霜状微点蚀 图4内部疲劳裂纹 Fig.3 Aspect of secondary Fig.2 Frosting Fig.4 Internal fatigue carck micro-crack 由于轮齿根部滑动速度大，产生的霜状微点蚀会很快地被磨掉，所以，在轮齿根部不易 出现大点蚀坑。 (2)疲劳裂纹。在大多数情况、疲劳裂纹产生在齿面上，偶尔也有发生在齿面下内部 (图4)。由电镜拍摄的照片可见，疲劳裂纹遍布轮齿工作面上；对主动轮，齿高和齿根部分的 疲劳裂纹尖端其方向相反，都指向节线，它与齿面磨擦力方向相反。这和文献〔6们描述是一 致的。 ·533·
又 斗夔 、 、 \ {{…{!} 鬓 一入刘}…}…} 1!拜 \ 戳 } {1川 蓄 k }{川 — , 队 . }}川 {{!济魄交 \ 1}川 }{…} l{ 、 龟匆 …}川 ……; 一。E三 . 2\匕工 大点蚀 坑 , 其发展 速度是 随 齿 面接触 应力 的 增大 而 加快 。 大点 蚀坑 多 产 生在 节 线 附 近偏 向齿根处 。 ( l) 霜状微点 蚀 。 当试件经过一 定运转 后 , 正常的话 , 在轮齿 节线 附近偏齿根 处 , 开 始 产生霜状点 蚀带 。 文 献 〔4 、 5〕 认为这 种霜状微点 蚀 多产生 于渗碳 淬火齿 轮 , 所 以 , 本试验 也 不例外 。 图 2 为 电镜下 的霜状点蚀 。 作者分析 , 它 的产生 , 除和轮 齿磨痕 有关外 , 还 和齿面 出现鳞 皱有关 。 在 高接触应 力 不断 地碾压 和 碾击下 , 将 磨痕或 鳞皱 的峰尖碾 碎 ( 图 3) 或 碾平 , 出现 了霜状 微点蚀 。 随 之产 生 的第二 次微裂纹 , 在 接触应 力 不断 地 作用 下 , 逐渐 发展 成大点蚀坑 , 这和 尼曼 的分析 是 一致的 。 N 图 I R 一 s 一 N 曲 线 Fi g . I R 一 S 一 N cu r V e 晰 图 3 二次微裂纹 图 2 霜 状微点 蚀 F i g . 3 A s P e e t o f s e e o n d a r y F i g . 2 F r o s t i n g 图 4 内部疲 劳裂纹 F i g . 4 I n t e r n a l f a t i g u e e a r c k m i e r o 一 C r a e k 由于轮齿根 部滑 动速度 大 , 产生 的霜状微 点蚀会很快地 被磨掉 , 所 以 , 在轮 齿根 部不 易 出现大点蚀 坑 。 ( 2) 疲 劳 裂纹 。 在 大多数情况 , 疲 劳裂纹 产 生在 齿面上 , 偶尔 也有 发 生 在 齿面下 内部 ( 图 遵) 。 由电镜拍摄 的照 片可见 , 疲劳裂纹 遍布轮齿工 作面 上 ; 对主 动轮 , 齿高和齿根 部分的 疲 劳裂 纹尖端其方 向相反 , 都指 向节线 , 它与齿面 磨擦力方向相反 。 这 和文献 〔6〕 描 述是一 致 的 。 · 5 3 3 ·
图5齿面疲劳裂纹扩展 Fig.5 Fatigue crack propagation on the tooth surface 图6疲劳裂纹向深部扩展 图7大点蚀坑形貌 Fig.6 Fatigue carck propagation Fig.7 Aspect of large pitting from surface to deepness 齿面上疲劳裂纹在其上面扩展，见图5。其扩展方向不定，这取决于齿面磨痕和产生的擦 痕。齿面疲劳裂纹向轮齿深部扩展，见图6。当霜状徽点蚀产生二次微裂纹，随着接触应力不 断地作用，开始沿齿面呈45°方向向深处扩展，微裂纹尖端呈树叉状。当微裂纹扩展到一定深 度，变成宏观裂纹，沿着平行于齿面方向扩展。最后，垂直于齿面断裂，产生了大点蚀坑。 可见，疲劳裂纹的产生和发展，这与接触应力大小和作用次数、材料特性、齿面润滑状 ·534·
图 齿面疲劳裂纹扩展 5 F g i . F t a 5 l g u e Pe r a e k r o P a g t a i o o t hn n e t o o t h s ur f a e e 图 疲劳裂纹 向深部扩展 6 F g i . F 6 t a g i u ePe a o rPek r a g a t i o n 图 大点蚀坑形貌 7 F g i . A P s 7 e t o e l f a r g e P i t t i n g f r o m s u r f a e e t o d e e P n e s s 齿面 上疲 劳裂纹 在其上面扩 展 , 见 图 5 。 其 扩展 方向不定 , 这取决于齿面磨痕 和产 生的擦 痕 。 齿面 疲劳 裂纹 向轮齿深部扩展 , 见 图 6 。 当霜状微点蚀 产生二 次微裂纹 , 随着接触应 力不 断地 作用 , 开始沿齿面呈 4 50 方向向深处 扩展 , 微裂纹尖 端呈树叉 状 。 当微裂 纹扩展到一 定深 度 , 变成宏 观裂 纹 , 沿 着平行于 齿面方 向扩 展 。 最后 , 垂直 于齿 面断裂 , 产 生 了大 点蚀 坑 。 可见 , 疲 劳裂纹 的产 生和发展 , 这 与接触应 力大小和作用次数 、 材 料特性 、 齿面润 滑状 · 5 3 4 ·
态、渗碳层深度、轮齿磨削工艺等有关。 (3)大点蚀坑。图7是电镜下拍摄的大点蚀坑形貌。坑底下部可明显看到沿齿高方向呈 波浪状的前沿线，具有疲劳特征。坑底上部，表面较光滑，隐约有纵向条纹，到坑的边缘，坑 最深，是疲劳裂纹垂直断裂的结果。 2.2.2轮齿端部掉块 从电镜下拍摄的图8可见，轮齿端部掉块的坑内， 也有明显的前沿线，具有疲劳特征。不过，坑内有一块 斜面，前沿线较大地向节线方向扭曲。 轮齿端部掉块，在其它材料硬齿面也有类似现象， 多产生在从动件上，这与轮齿搭接处产生边界效应有 关，从动件更为敏感。 实践证明，若在轮齿端部沿齿廓进行足够地倒缘， 可有效地避免出现端部掉块，这对硬齿面设计具有实际 图8端部掉块 意义。 Fig.8 Case cruching on the tooth end 2.2.3破坏性胶合 采用GB6413一86的齿轮胶合承载能力计算方法。计算结果表明：由于硬齿面抗点蚀能力 大大提高，工作接触应力和齿面积分温度同时增大，若采用普通的机械润滑油，不可避免地 出现破坏性胶合；若改用极压工业齿轮油，就可避免破坏性胶合。本试验和理论计算一致。 3结 论 (1)材料为20 CrMnMo渗碳淬火，表面硬度HRC62.材料冶炼、热处理、制造等反映我 国实际水平的齿轮，其齿面接触疲劳极限应力值为， 0Hmm=1571.6N/mm2(R=0.99,Ng=5×107)。 查得GB3480一83，对合金钢渗碳淬火，HRC62,cm=1300~1650N/mm2,本试验值在 上述范围稍偏上位置，可作为我国今后这种材料齿轮设计的可靠数据。 (2)本试验的各应力水平下的寿命分布为三参数威布尔分布；N。下极限应力分布为对数 正态分布。 (3)本试验表明，硬齿面齿轮可能出现的齿面损伤有：霜状微点蚀、大点蚀坑、破坏性 胶合、轮齿端面掉块、严重磨损等。 (4)霜状微点蚀，是渗碳淬火齿轮常见的一种齿面损伤，它将产生大点蚀坑，这取决于 接触应力大小和作用次数、润滑状态和表面粗糙度。 (5)大点蚀坑是渗碳淬火齿轮的主要失效形式。它是齿面霜状微点蚀坑产生的二次微裂 纹逐渐发展而成的。微裂纹尖端呈树叉状。微裂纹和宏观裂纹的发展具有一定的规律，这取 决于材料特性、接触应力、齿面润滑状态、齿面粗糙度和渗碳层深度等。 ·535
态 、 渗碳层深 度 、 轮齿磨削工 艺等有关 。 ( 3) 大 点蚀坑 。 图 7 是 电镜下 拍摄的大点 蚀坑形 貌 。 波 浪状 的前沿 线 , 具有 疲劳特 征 。 坑底 上部 , 表 面较 光滑 , 最深 , 是 疲劳裂纹垂 直断 裂 的结果 。 2 . 2 . 2 轮齿端部 掉块 从 电镜下拍摄 的 图 8 可 见 , 轮 齿端 部 掉块 的 坑 内 , 也有明显 的前 沿线 , 具 有疲劳 特征 。 不过 , 坑 内有一块 斜面 , 前沿线较 大地 向节 线方向扭 曲 。 轮齿 端部掉块 , 在 其它 材料硬 齿面 也有类似现 象 , 多 产 生在 从 动 件上 , 这 与轮齿 搭接处 产 生 边界 效应 有 关 , 从 动 件更为敏感 。 实践 证 明 , 若 在轮 齿端 部沿 齿廓进 行足 够地 倒 缘 , 可有效 地避免 出现 端部 掉块 , 这对硬 齿面 设计具有实际 意义 。 2 . 2 . 3 破坏性胶合 坑底 下部可 明 显看 到沿 齿高方 向呈 隐约有 纵 向条纹 , 到 坑的边缘 , 坑 图 8 端 部掉 块 F i g . 8 C a s e e r u e h i n g o n t h e t o o t h e n d 采 用 G B 6 4 1 3一 86 的齿轮胶 合承 载能 力计算方法 。 计算结果表明 : 由于硬 齿面抗点蚀 能力 大大提 高 , 工 作接触应力 和齿面积分温度 同时增 大 , 若采 用普通的机 械润 滑油 , 不可 避免 地 出现破坏 性胶合 ; 若改用 极压工 业齿轮油 , 就可避免破坏性 胶合 。 本试 验和 理论 计算一致 。 3 结 论 ( 1) 材料为 20 cr M n M O 渗碳 淬火 , 表面 硬度 H R C 62 , 材料冶炼 、 热 处理 、 制造 等反 映 我 国实 际水平 的齿轮 , 其齿面接触疲 劳极 限应力 值为 , 咖 , im 一 1 5 7 1 . 6 N / m m Z ( R 一 0 . 9 9 , N 。 = 5 只 1 0 7 ) 。 查 得 G B 3 4 8 O一 8 3 , 对 合金钢渗碳 淬火 , H R e 6 2 , 瀚 , ,。 = 一 3 0 0 ~ 一 6 5 0 N / m m , , 本试 验值在 上 述范围稍偏 上位 置 , 可 作为我 国今后这 种材料 齿轮 设计 的可 靠数据 。 ( 2) 本试验 的各应 力水平下 的寿命分布为三参数威布尔分布 ; N 。 下极 限应 力分布为对 数 正 态分布 。 ( 3) 本试验 表明 , 硬 齿面 齿轮可 能 出现的齿面损 伤有 : 霜状微点蚀 、 大点蚀 坑 、 破坏性 胶合 、 轮齿端面掉块 、 严重磨损等 。 ( 4) 霜状微点蚀 , 是渗碳淬火齿轮常见的一 种齿面 损伤 , 它将产生大点蚀坑 , 这取 决于 接触应 力大小和 作用 次数 、 润滑状态 和表面粗糙度 。 ( 5) 大点蚀坑 是渗碳淬 火齿轮的 主要失效形式 。 它是齿面霜状 微点 蚀坑 产生 的二次微裂 纹逐渐发展 而成 的 。 微 裂纹 尖端呈树叉 状 。 微裂纹 和宏观裂 纹的发展具有一 定的规 律 , 这取 决于材 料特性 、 接触应 力 、 齿面润 滑状态 、 齿 面粗糙 度 和渗碳层深 度等 。 · 5 3 5 ·
(6)轮齿端面掉块，对硬齿面齿轮寿命影响很大，在轮齿端部沿齿廓倒缘避免掉块是十 分有效的。 (7)设计硬齿面齿轮时，应慎重地选择润滑油，必要时要进行胶合承载能力计算，避免 过早出现破坏性胶合，严重影响齿轮寿命。 本研究的具体工作是在北京科技大学进行的。参如本研究的还有朱孝录、崔兴山、郭刚智、史铁军、孙业胜和李和。 参考文献 1朱孝录，易秉钺等.齿轮的试验技术与设备，北京：机械工业出版社，1988,12 2 EVA N.o/5 Recommendation on an Unification of Surface Load Capacity Tests for Through Handened and Hardened Cylinderical Gears 3高镇同.疲劳应力统计学.北京：国防工业出版杜，1986 4 Winter H,Weiss T.影响硬齿面点蚀、微观点蚀（霜状区）和低速磨损的一些因素， 译自ASME80-C/DEI一89 5崔希烈等.齿轮，1987,11(4)：26 6金子，神代，林子光译.国际齿轮装置与传动会议论文选.北京：机械工业出版社， 1977,150 、 ·536·
(6 ) 轮齿端面掉块 , 对硬齿面齿轮寿命影响很大 , 在轮齿端部沿齿廓倒缘避免 掉块是十 分有效的 。 (7 ) 设计硬齿面齿轮时 , 应慎 重 地选择润滑 油 , 必要 时 要进行胶合承载能力计算 , 避免 过早 出现破坏性胶合 , 严重影响齿轮寿命 。 本研究的具体工 作是 在北京科技大学进行的 。 参 加本研 究的还有 朱孝录 、 崔兴山 、 郭刚 智 、 史铁军 、 孙业 胜和 李和 。 参 考 文 献 朱 孝录 , 易秉铺等 . 齿轮的试验技术与设 备 · 北京 : 机械工业 出版社 , 19 8 8 , 12 EV A N . o / 5 R e e om m e n d at i o n o n a n U n if 如it o n 讨忿u山ce L O a d aC 洱e i yt eT st fo r T h r o u g h H a hd c ` ” d d n d H a r d e n ed C y il n d e r ica l G e a r s 高镇同 . 疲劳应 力统计学 . 北 京 : 国防 工业 出版社 , 19 8 6 w in et : H , w e is T . 影 响硬齿面点蚀 、 微观点蚀 ( 霜状区 ) 和低速磨损的一 些 因素 , 译 自 A S M E 80 一 C / D E T 一 89 崔希烈等 . 齿轮 , 19 8 7 , 1 1 ( 4 ) : 2 6 金子 , 神代 , 林子光 译 . 国际 齿轮装 置与传动会议论文选 . 北京 : 机械工业 出版社 , 1 9 7 7 , 15 0 · 5 3 6 ·
