張學(xué)誠

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰214429）

1 前 言

齒輪是機(jī)械設(shè)備中最重要的傳動(dòng)部件，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、工程機(jī)械等領(lǐng)域。伴隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國的齒輪年產(chǎn)銷量已躍居世界第一。中國雖已成為齒輪大國，但與歐美、日韓等齒輪強(qiáng)國相比，整體質(zhì)量上還存在一定的差距。最主要的差距是中國制造的高疲勞壽命齒輪占比較低。

齒輪疲勞失效最主要是由齒面的接觸疲勞引起的，齒輪在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，局部累積產(chǎn)生疲勞損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后，接觸表面產(chǎn)生麻點(diǎn)、淺層或深層產(chǎn)生剝落的過程，稱之為齒輪的接觸疲勞。齒輪試樣接觸表面在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下直至疲勞失效時(shí)所經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，稱之為接觸疲勞壽命。影響齒輪接觸疲勞的因素為齒輪鋼原材料、熱處理、機(jī)加工與齒輪裝配精度等。本文主要研究了齒輪鋼與齒輪接觸疲勞壽命的因果關(guān)系，通過試驗(yàn)證實(shí)了齒輪鋼的純凈度與晶粒度對(duì)齒輪接觸疲勞壽命有較大的影響。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用興澄公司生產(chǎn)的SCM420H齒輪鋼與國外某知名鋼廠生產(chǎn)的SCM420H齒輪鋼。試驗(yàn)鋼材化學(xué)成分相近，具體化學(xué)成分見表1。兩者的淬透性實(shí)測(cè)值也幾乎相同。

表1 試驗(yàn)鋼材化學(xué)成分 %

首先將試驗(yàn)用的興澄SCM420H 與國外SCM420H 熱軋圓鋼，從Φ60 mm 熱鍛成Φ32 mm。鍛造后的圓鋼經(jīng)等溫正火后，機(jī)加工成直齒圓柱齒輪，然后滲碳淬火以及低溫回火。毛坯齒輪的熱處理工藝見圖1。

圖1 毛坯齒輪熱處理過程

齒輪試樣最終精加工成標(biāo)準(zhǔn)的直齒圓柱齒輪，試驗(yàn)齒輪模數(shù)為6 mm，齒數(shù)為32，齒寬為25 mm，分度圓壓力角為20°，徑向間隙系數(shù)為0.25，齒頂高系數(shù)為1。試驗(yàn)采用德國進(jìn)口齒輪接觸疲勞試驗(yàn)機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為3 000 r/min，中心距離為300 mm，加載方式為杠桿加載，電機(jī)輸出扭矩、轉(zhuǎn)數(shù)、振動(dòng)噪聲、溫度等都裝有相應(yīng)的傳感器來監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)采用10 W/40CD柴油機(jī)油作為潤滑劑［1］。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 興澄材與國外材接觸疲勞性能

在相同的試驗(yàn)條件下，興澄材與國外材均進(jìn)行了10 組接觸疲勞試驗(yàn)。興澄SCM420H 與國外SCM420H 制造的齒輪其接觸疲勞試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 10組齒輪接觸疲勞試驗(yàn)結(jié)果 ×107次

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用興澄SCM420H 制造的齒輪，接觸疲勞循環(huán)周期全部達(dá)到9.0×107次以上；而使用國外SCM420H制造的齒輪，接觸疲勞循環(huán)周期普遍在8.0×107次左右，并且其中第③組、第⑦組疲勞循環(huán)周期明顯低于正常值，屬于較為異常數(shù)據(jù)。重點(diǎn)研究分析這兩組異常數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)的齒輪，齒輪疲勞失效處發(fā)現(xiàn)混晶現(xiàn)象（國外材第③組試驗(yàn)），齒輪疲勞失效處發(fā)現(xiàn)大尺寸的非金屬夾雜物（國外材第⑦組試驗(yàn)）。因此，有必要深入研究晶粒度與非金屬夾雜物對(duì)齒輪接觸疲勞壽命影響的機(jī)理。

3.2 晶粒度影響接觸疲勞的機(jī)理

晶粒度是齒輪鋼的重要理化性能指標(biāo)，均勻細(xì)小的晶粒有利于提高齒輪的強(qiáng)度與韌性。隨著滲碳溫度的提高，齒輪的晶粒變得更容易長大［2］。國內(nèi)目前主流的齒輪鋼滲碳溫度一般在930 ℃以下；齒輪滲碳溫度≥950 ℃屬于高溫滲碳，高溫滲碳的優(yōu)勢(shì)在于可以節(jié)約齒輪的滲碳時(shí)間，提高齒輪的生產(chǎn)效率。

通過分析國外SCM420H 第③組失效齒輪，發(fā)現(xiàn)該組齒輪失效處存在較為嚴(yán)重的混晶現(xiàn)象，齒輪失效處的金相組織見圖2；而興澄SCM420H制造的齒輪晶粒均勻且細(xì)小，金相組織見圖3。齒輪的晶粒越均勻細(xì)小，意味著在同樣體積內(nèi)晶粒數(shù)量越多，晶界接觸面積也越大，障礙也就越大，需要更大的力才能使晶粒產(chǎn)生滑移［3］。晶界處的晶體排列是無規(guī)律的，并且晶界犬牙交錯(cuò)，互相咬合，因而加強(qiáng)了金屬內(nèi)部的結(jié)合力，細(xì)晶粒齒輪相較粗晶粒齒輪擁有更高的強(qiáng)度與韌性，因而齒輪的接觸疲勞壽命也更長。因?yàn)榧?xì)晶粒受到外力發(fā)生塑性變形時(shí)可以分散到更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，塑性變形更為均勻，應(yīng)力集中發(fā)生的概率減??；此外，齒輪晶粒越均勻細(xì)小，晶界互相接觸的面積也越大，晶界能夠承受更大的外力，齒輪的接觸疲勞壽命也越長。

圖2 國外SCM420H晶粒

圖3 興澄SCM420H晶粒

3.3 夾雜物影響接觸疲勞的機(jī)理

非金屬夾雜物的控制一直是高疲勞壽命齒輪鋼生產(chǎn)的難點(diǎn)，普通純凈度的齒輪鋼已難以滿足高疲勞壽命齒輪的要求。興澄公司通過對(duì)冶煉技術(shù)的改進(jìn)與創(chuàng)新，有效地減少了鋼中非金屬夾雜物的含量，并且優(yōu)化了鋼中非金屬夾雜物的形貌與分布。

通過分析國外SCM420H 第⑦組失效齒輪，發(fā)現(xiàn)該組齒輪失效處存在大型單顆粒球狀非金屬夾雜物，直徑約為300 μm，使用掃描電鏡的能譜分析，發(fā)現(xiàn)夾雜物是由Al、Mg、Ca等元素組成，非金屬夾雜物的大小及形貌見圖4。在齒輪接觸疲勞試驗(yàn)過程中，鋼材基體在變形的同時(shí)，大型單顆粒球狀?yuàn)A雜物難以形變。大型單顆粒球狀?yuàn)A雜物受到周圍基體的擠壓，在大型單顆粒球狀?yuàn)A雜物與鋼材基體交界處會(huì)形成許多微裂紋，這些微裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致齒輪零件疲勞失效［4］。研究表明鋼中的單顆粒球狀類（DS類）非金屬夾雜物尺寸超過38 μm 時(shí)，齒輪的接觸疲勞壽命呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，單顆粒球狀類夾雜物尺寸與接觸疲勞壽命的關(guān)系見圖5。

圖4 單顆粒球狀?yuàn)A雜物

圖5 單顆粒球狀?yuàn)A雜物尺寸與接觸疲勞壽命的關(guān)系

4 結(jié) 論

4.1 根據(jù)齒輪接觸疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析，興澄SCM420H 制造的齒輪接觸疲勞壽命長于國外SCM420H制造的齒輪，穩(wěn)定性較高。

4.2 均勻細(xì)小的晶粒有利于提高齒輪的接觸疲勞壽命；而粗大的晶粒容易導(dǎo)致齒輪疲勞失效，其接觸壽命明顯降低。

4.3 鋼材的純凈度與齒輪的接觸疲勞壽命有著密切的相關(guān)性。通過減少鋼中非金屬夾雜物的含量，控制鋼中非金屬夾雜物的形貌與分布，可以有效地提高齒輪的接觸疲勞壽命。