齿轮设计材料热处理讲义.pptx

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1、齿轮设计材料热处理讲义齿轮设计材料热处理讲义图1磨损失效概率（百分比）提高齿轮耐磨性的方法视磨损类型而有所不同，大致有两种，分述如下。（1）减少非热影响引起的磨损，诸如氧化磨损、磨粒磨损及冷胶合磨损，这需提高轮齿表面的塑变抗力，即提高齿面硬度的方法。工业中常以中硬齿面（280HBW）代替软齿面（220280HBW），最好是采用表面硬化处理。其中渗碳、碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗等处理可使齿面具有良好的耐磨性。第1页/共184页（2）为了防止胶合磨损，关键是要降低摩擦副之间的结合力，根据Bowden和Tabor等的研究，摩擦系数f可用如下公式表示：式中：S表示胶合处的抗剪强度，P表示金属的屈服强度。

2、从此公式说明，要减小摩擦系数，一是减小值，二是增大值，按此思路，可采用提高基体屈服强度，通常即提高硬度，并在其表面覆上一层易于剪切滑移的涂镀层的方法，所以，在高速齿轮渗碳淬火或渗氮之后，再在表面镀铜或镍铟合金便是这一道理。第2页/共184页（1）接触疲劳的受力分析根据赫兹应力计算公式，两个弹性受压圆柱体在其接触表面上的接触压应力按椭圆规律分布，其中心达最大值，如图2所示。假设圆柱体单位接触长度上的载荷为Pn，即：Pn=P/L（1）式中：P法向力；L圆柱体接触线长度，可视为齿宽。则由弹性力学推出，接触带宽度之半b为：第3页/共184页图2赫兹应力与表层深度变化关系(2)式中：1和2两个圆柱体1和

3、2的材料泊桑系数；E1和E2两个圆柱体1和 2的材料弹性模数；当量曲率半径，外接触取正号，内接触取负号。当量曲率半径，外接触取正号，内接触取负号。对于钢，1=2=0.3，E1=E2=E=2.1104，kg/mm2，则得式：(3)第4页/共184页当表面最大接触应力（4）将（3）式代（4）得：（5）由（4）式和（2）式得：（6）第5页/共184页式中：k1和k2分别为：则：（7）当渐开线齿轮压力角当渐开线齿轮压力角=20，则接触点处的曲率半径则接触点处的曲率半径1和和2分别为：分别为：（8）式中：R1,2主、被动轮分度圆半径；M 齿轮模数；Z1,2主、被动轮齿数。将R1,2、M和Z1,2代入（6

4、）式，则得：第6页/共184页（9）两圆柱体接触沿z轴产生两种剪切应力：与中心线呈45角的主剪切应力45及与滚动方向平行的正交剪切应力0（图3），两种剪切应力沿z轴的深度分别为0.786b和0.5b，见图4。图3两圆柱体接触后因载荷引起的接触内部应力分布两种剪切应力沿y轴，即沿滚动方向的分布见图5。从图看到，两种剪切应力具有不同的变化特点：45是由0最大0作用期脉动变化，而0则是由（-最大）0（+最大）作对称性变化，即45在0.3j范围变化，0在0.25j范围变化，但其绝对幅值却为0.5j。第7页/共184页图4两种剪切应力在中心方向（z轴）的分布图5两种剪切应力在滚动方向（y轴）的分布（2）

5、齿轮接触疲劳破坏的主要形式齿轮的接触疲劳破坏是由于作用在齿面上的接触应力超过了材料的疲劳极限而产生的。其破坏形式和特征见表2。第8页/共184页表表2 齿面接触疲劳破坏特征齿面接触疲劳破坏特征特 征 点 蚀剥 落浅 层深 层疲劳坑深度浅较深深发生过程缓慢逐渐突然一般形貌V形V形U形分布情况多个齿较少齿少数齿裂纹方向与表面呈锐角与表面呈45角与表面垂直裂纹源表面硬化层内硬化层与心部交界处第9页/共184页图6点蚀起源根据smith等人的计算，在接触面间存在摩擦力时，接触应力的最大值将由层下向表面移动，当摩擦系数f0.1时，最大接触应力移至表面，此时的最大剪切应力t45可达0.43sj，比无摩擦力

6、作用时的应力值（0.3 sj）大40%以上。所以，如果齿面1）表面点蚀硬度偏低（特别对软齿面和中硬齿面调质齿轮）、表面脱碳、表面产生黑色组织等，则疲劳裂纹很容易在表面形成，而后在油楔挤压力的作用下扩展，最后产生表面点蚀坑（图6）。2）浅层剥落 浅层剥落或称皮下点蚀，其初始裂纹产生在表面以下一定距离，然后在剪切应力反复作用下逐渐向表面扩展，最后剥落形成较大的疲劳坑。从前面的应力分析已经知道，在摩擦系数不大的情况下，最大的接触应力分布于层下一定距离，如果在这区域内存在非金属夹杂物或不良的块状碳化物，则由于这些夹杂物边缘产生的微区应力集中很容易形成裂纹。之后在反复切应力作用下裂纹不断扩展而造成剥落，

7、图7的金相照片可以清楚地显示这种剥落的形成原因。第10页/共184页图7非金属夹杂引起疲劳裂纹离齿表面深度AB应力强度图8 剪切应力与强度分布示意图硬化曲线（硬度变化）过渡区3）深层剥落 深层剥落主要产生在硬齿面齿轮，如渗碳淬火、感应（火 焰）表面淬火及渗氮齿轮，其最大特点就是疲劳裂纹产生在硬化层与心部的过渡区，形成的剥落坑深，面积大。这种剥落的力学分析见图8，从图中强度曲线A和应力曲线B看到，在硬化层的高硬度区内，强度曲线远远高于应力曲线，很安全，这种情况不会产生疲劳裂纹；但是到了过渡区，应力曲线B接近甚至高于强度曲线A，因而疲劳裂纹便于此处产生，之后在反复应力的作用下逐渐扩展而形成大的深层

8、片状剥落。根据R.Pederson和的试验，在硬化层和心部的过渡区当剪切应力/剪切强度之比大于0.55时便容易引起剥落，图9是他们的试验结果。第11页/共184页因此，特别对于重载大模数齿轮，由于齿的曲率半径较大，剪切应力的峰因此，特别对于重载大模数齿轮，由于齿的曲率半径较大，剪切应力的峰值较深，而且应力降低缓慢，即在较深值较深，而且应力降低缓慢，即在较深 的区域，比如过渡区，其剪切应力的区域，比如过渡区，其剪切应力还保持较高的值，剪切应力还保持较高的值，剪切应力/剪切强度容易超过剪切强度容易超过0.550.55，因此，适当提高心，因此，适当提高心部硬度，增加硬化层深度便成为防止深层剥落的主要

9、措施。正因为此，齿部硬度，增加硬化层深度便成为防止深层剥落的主要措施。正因为此，齿轮的热处理便出现了深层渗碳，深层渗氮及深层感应淬火工艺，其力学依轮的热处理便出现了深层渗碳，深层渗氮及深层感应淬火工艺，其力学依据就在于此，而且工艺应用效果明显。据就在于此，而且工艺应用效果明显。试验标号剪切应力/剪切强度1区2区3区深层剥落点蚀和深层剥落磨损和点蚀图9 齿轮剥落试验第12页/共184页危险截面节圆图10由载荷P在危险截面引起的标称应力 齿轮的弯曲疲劳破坏是齿根部受到的最大振幅脉动或交变弯曲应力超过了齿轮的弯曲疲劳极限而产生。（1）弯曲疲劳的受力分析 齿轮轮齿受载荷P后齿根危险截面的应力分布见图1

10、0，其应力计算如下：式中：a载荷方向与中心轴的夹角；L1+L2由最大载荷作用点到齿根危险截面位置的距离；S危险断面的厚度；b齿宽。第13页/共184页 从图从图1010和应力计算式看到，齿根所受弯曲应力为线性分和应力计算式看到，齿根所受弯曲应力为线性分布，而且最大应力在表面，根据这一受力特点，在通常情况布，而且最大应力在表面，根据这一受力特点，在通常情况下主要考虑齿根表面的强度是否足够高即可。下主要考虑齿根表面的强度是否足够高即可。（2 2）轮齿的弯曲疲劳断裂及影响因素）轮齿的弯曲疲劳断裂及影响因素 从轮齿的受力分析看到，齿轮的弯曲疲劳断裂是在受载从轮齿的受力分析看到，齿轮的弯曲疲劳断裂是在受

11、载啮合时齿根表面受到最大反复周期变化拉应力引起，因此，啮合时齿根表面受到最大反复周期变化拉应力引起，因此，齿根部对拉应力十分敏感，根据这一力学特点，在材料热处齿根部对拉应力十分敏感，根据这一力学特点，在材料热处理方面影响齿轮弯曲疲劳强度的因素就容易确定。理方面影响齿轮弯曲疲劳强度的因素就容易确定。非金属夹杂物非金属夹杂物 非金属夹杂物作为微形缺口引起应力非金属夹杂物作为微形缺口引起应力集中而使弯曲疲劳强度降低。集中而使弯曲疲劳强度降低。表面脱碳表面脱碳 表面脱碳将使弯曲疲劳极限降低，特别对表面脱碳将使弯曲疲劳极限降低，特别对于表面硬度高的齿轮，可使弯曲疲劳极限降低于表面硬度高的齿轮，可使弯曲疲

12、劳极限降低1/21/22/32/3。表。表3 3是三种合金结构钢表面脱碳对弯曲疲劳的影响。是三种合金结构钢表面脱碳对弯曲疲劳的影响。第14页/共184页表表3 表面脱碳对钢弯曲疲劳极限的影响表面脱碳对钢弯曲疲劳极限的影响表表 面面 状状 况况40CrNi340CrNi340CrMo40CrMo40Cr40Cr-1-1-1K-1K-1-1-1K-1K-1-1-1K-1K28HRC28HRC未脱碳未脱碳570570295295501501275275535535288288脱碳脱碳30230217217222022013013024024015815848HRC48HRC未脱碳未脱碳8378374

13、74474714714453453760760489489脱碳脱碳240240172172213213151151199199130130注：注：-1光滑试样的弯曲疲劳强度（光滑试样的弯曲疲劳强度（MPa）-1K缺口试样的弯曲疲劳强度（缺口试样的弯曲疲劳强度（MPa）第15页/共184页 金相组织金相组织 淬火钢表层含有淬火钢表层含有5%5%的非马氏体（体积分数）组织时，的非马氏体（体积分数）组织时，弯曲疲劳极限将降低弯曲疲劳极限将降低10%10%。图。图1111是非马氏体组织对弯曲疲劳极限的影响。是非马氏体组织对弯曲疲劳极限的影响。对于马氏体组织，只有经过适当回火后才有良好的疲劳性能。对于马

14、氏体组织，只有经过适当回火后才有良好的疲劳性能。图图11 非马氏体组织对疲劳极限的影响非马氏体组织对疲劳极限的影响 残余应力残余应力 试验表明，当材料中已存在微细裂纹时，残余压应力可抑制裂纹的试验表明，当材料中已存在微细裂纹时，残余压应力可抑制裂纹的扩展；而当残余压应力层深约为裂纹深扩展；而当残余压应力层深约为裂纹深 度的度的5 5倍时即可消除裂纹的影倍时即可消除裂纹的影响，见图响，见图1212。40Mn242MnMo40CrNiMo40Cr40B疲疲劳劳极极限限-1/MPa体积含量体积含量%第16页/共184页残余应力对齿轮弯曲疲劳强度的影响很大，齿面的残余压应残余应力对齿轮弯曲疲劳强度的影

15、响很大，齿面的残余压应力可降低弯曲拉应力峰值，图力可降低弯曲拉应力峰值，图1313是渗碳淬火齿轮的轮齿断面是渗碳淬火齿轮的轮齿断面的应力分布示意图，从图示不难看出，由于残余压应力的迭的应力分布示意图，从图示不难看出，由于残余压应力的迭加面降低了表面的作用力，因而便可提高弯曲疲劳性能。加面降低了表面的作用力，因而便可提高弯曲疲劳性能。硬度硬度=42HRC-1/MPa压应力层深度压应力层深度/裂纹深度裂纹深度图12残余压应力对弯曲疲劳极限的影响第17页/共184页压缩拉伸压缩拉伸图图13 13 渗碳淬火齿轮危险截面上的应力分布渗碳淬火齿轮危险截面上的应力分布第18页/共184页齿根喷丸强化可以有效

16、地提高弯曲疲劳强度，见表齿根喷丸强化可以有效地提高弯曲疲劳强度，见表4，这与表层形成有，这与表层形成有利的残余压应力有密切关系。利的残余压应力有密切关系。喷丸喷丸工艺工艺弯曲疲劳试验弯曲疲劳试验接触疲劳试验接触疲劳试验寿命范围周寿命范围周次（次（106）平均寿命周平均寿命周次（次（106）寿命寿命比比寿命范围周寿命范围周次（次（106）平均寿命周平均寿命周次（次（106）寿命寿命比比不喷丸不喷丸0.1671.830.751.003.154.413.851.00一般一般喷丸喷丸2.162.762.463.281.882.212.080.54强化强化喷丸喷丸2.194.413.244.324.89

17、5.205.061.31注：注：1.喷丸工艺：喷丸在转台喷丸机上进行，铁丸尺寸为喷丸工艺：喷丸在转台喷丸机上进行，铁丸尺寸为0.61.0mm，喷射，喷射速度为速度为58.3m/s，转台每转一圈将零件转，转台每转一圈将零件转90,一般喷丸共喷四圈，强化喷丸喷八圈。一般喷丸共喷四圈，强化喷丸喷八圈。2.齿轮用齿轮用20Mn2TiB钢制造，经气体渗碳（层深钢制造，经气体渗碳（层深1.01.3mm），淬火及回火。），淬火及回火。3.试验在封闭式变速箱试验台上进行，中间轴挂一档作运转试验，以中轴一档试验在封闭式变速箱试验台上进行，中间轴挂一档作运转试验，以中轴一档齿轮的损伤为寿命的标准。第一轴转速齿轮的

18、损伤为寿命的标准。第一轴转速1450r/min，第一轴转矩：作弯曲疲劳试验，第一轴转矩：作弯曲疲劳试验时为时为441Nm，作接触疲劳试验时为，作接触疲劳试验时为362.6Nm。表4喷丸工艺对汽车变速箱渗碳齿轮弯曲疲劳及接触疲劳性能的影响第19页/共184页1.2齿轮疲劳强度与材料热处理（1）接触疲劳强度的计算接触疲劳强度计算中是把赫兹应力作为齿面接触应力的计算基础，但未考虑滑动及摩擦系数等影响因素。1）接触疲劳的强度条件sHsHP或SHSHmin式中：sH齿轮的计算接触应力 sHP齿轮的许用接触应力 SH接触强度的计算安全系数 SHmin接触强度的最小安全系数2）齿轮的计算接触应力第20页/共

19、184页式中：KA使用系数 KV动载系数 KHb齿向载荷分布系数 KHa齿间载荷分布系数 Z单对齿啮合系数 sHO节点处计算接触应力的基本值3）许用接触应力sHP的计算第21页/共184页式中：sHG计算齿轮的接触极限应力 sHLim试验齿轮的接触疲劳极限 ZNT接触强度计算的寿命系数 ZL润滑剂系数 ZV速度系数 ZR粗糙度系数 ZW工作硬化系数 ZX接触强度计算的尺寸系数 SHlim接触强度的最小安全系数4）安全系数SH的计算sH和sHG的计算方法见2）、3）。第22页/共184页（2）弯曲疲劳强度的计算弯曲疲劳强度计算中是以载荷作用侧的齿廓根部的最大拉应力作为名义弯曲应力，并经相应的系数

20、修正后作为计算齿根应力。1）弯曲疲劳的强度条件 sFsFP或SFSFmin式中：sF齿轮的计算弯曲应力 sFP齿轮的许用齿根应力 SF弯曲强度的计算安全系数 SFmin弯曲强度的最小安全系数2）齿轮的计算齿根应力第23页/共184页式中：sFO齿根应力的基本值。KA、KV、KFb、KFa见接触应力计算的说明。3）许用接触应力sFP的计算式中：sFG计算齿轮的弯曲极限应力 sFLim试验齿轮的齿根弯曲疲劳极限 YST试验齿轮的应力修正系数 YNT弯曲强度计算的寿命系数 YdrelT相对齿根圆角敏感系数 YRrelT相对齿根表面状况系数 YX弯曲强度计算的尺寸系数 SFmin弯曲强度的最小安全系数

21、第24页/共184页4）安全系数SF的计算sF和sFG的计算方法见2）、3）。从以上强度设计计算式中可以看出有两方面与材料热处理密切相关。（1）试验齿轮的疲劳强度极限sHlim、sFlim从接触疲劳的许用应力计算中第25页/共184页从计算表明，齿轮的接触疲劳许用应力是建立在疲劳强度极限sHlim之上的，而sHlim则完全由材料冶金质量和热处理工艺质量来决定。弯曲疲劳强度的许用应力亦具上述关系。这可用以下几例图表来说明：图14是材料冶金质量对接触疲劳性能的影响654321059876543211045 10 15 20 25钢中含氧量，钢中含氧量，ppm高净化钢高净化钢试样损坏为10%，接触疲

22、劳寿命图图14 14 含氧量对接触疲劳性能影响含氧量对接触疲劳性能影响第26页/共184页非马氏体网非马氏体网13m非马氏体网非马氏体网 13m表面碳含量，表面碳含量，%图图15是热处理质量对弯曲疲劳性能的影响。是热处理质量对弯曲疲劳性能的影响。旋转弯曲疲劳极限旋转弯曲疲劳极限 图图15 15 非马氏体组织对非马氏体组织对25CrMnTi25CrMnTi渗碳钢疲劳强度的影响渗碳钢疲劳强度的影响第27页/共184页图图1616是热处理质量对接触疲劳强度的影响。是热处理质量对接触疲劳强度的影响。图图16 16 铬锰钛钢不同碳化物对接触疲劳的影响铬锰钛钢不同碳化物对接触疲劳的影响1 1号号表面含碳量

23、表面含碳量0.93%0.93%，马氏体，马氏体+细点状碳化物；细点状碳化物；2 2号号表面含碳量表面含碳量0.83%0.83%，单纯马氏体；，单纯马氏体；3 3号号表面含碳量表面含碳量1.07%1.07%，块状碳化物；，块状碳化物；4 4号号表面含碳量表面含碳量1.07%1.07%，粗大碳化物。，粗大碳化物。第28页/共184页（2）各种计算修正系数在计算应力和许用应力的计算中出现了许多修正系数，一类是修正载荷的系数，如KA、KV等，另一类是修正许用应力的系数，如ZNT、YNT等。采用这些系数是为了保证齿轮运行的安全和可靠，其中不少修正系数都与材料热处理有关。如使用系数KA主要是考虑载荷特性，

24、KA的取值见表5。从表看到，使用系数考虑载荷的冲击程度大小，而齿轮承受冲击载荷的能力就直接与材料热处理有关。以下举几例试验数据。表表5 使用系数使用系数KA原动机工作特性原动机工作特性工作机工作特性工作机工作特性均匀平稳均匀平稳轻微冲击轻微冲击中等冲击中等冲击严重冲击严重冲击均匀平稳均匀平稳1.001.001.251.251.501.501.751.75轻微冲击轻微冲击1.101.101.351.351.601.601.851.85中等冲击中等冲击1.251.251.501.501.751.752.002.00严重冲击严重冲击1.501.501.751.752.002.002.252.25或更

25、大或更大第29页/共184页图图1717是钢材晶粒度冲击性能的影响，表是钢材晶粒度冲击性能的影响，表6 6是钢中非金属夹杂物对冲击性是钢中非金属夹杂物对冲击性能的影响。图能的影响。图1818和图和图1919是热处理冶金因素对冲击性能的影响。是热处理冶金因素对冲击性能的影响。表表6 6 非金属夹杂物对冲击韧性的影响非金属夹杂物对冲击韧性的影响冶炼方法冶炼方法含氧量含氧量（ppmppm）非金属夹杂含量（非金属夹杂含量（%）k k（J/cmJ/cm2 2）AlAl2 2O O3 3SiOSiO2 2TiOTiO2 2总量总量普通冶炼普通冶炼真空脱气真空脱气4545202040.2940.2910.4

26、010.403.753.752.302.300.450.45-54.1254.1216.7016.7085.385.3151.9*151.9*此此k值对应的含氧量为值对应的含氧量为16ppm 图17奥氏体晶粒度对3.5%NiCrMoV钢冲击韧性的影响第30页/共184页图18表面含碳量和冲击值的关系第31页/共184页第1组第2组4104310421041045103410331032103103图19表面含碳量、交变冲击次数平均值分散图和回归曲线第32页/共184页103 104 105 106 107 108 109应力循环次数许用接触应力HP（10g）又如寿命系数ZNT和YNT。寿命系数

27、是齿轮小于或大于持久寿命循环次数NC时可承受接触应力或弯曲应力值与其相应条件循环次数NC时疲劳极限应力的比例系数。可借用图20来理解此系数的含义。图20确定有限寿命时的许用接触应力第33页/共184页 图21、22是接触和弯曲疲劳强度计算中寿命系数ZNT和YNT的选用图。从接触强度图中曲线可以看到，不同材料和热处理工艺的接触疲劳极限周次NC不同，说明疲劳抗力不同；从弯曲强度图中曲线看到，不同材料和热处理工艺曲线的斜率不同，不同斜率表示齿轮的过载能力不同，尤其低温N-C共渗（即软氮化）齿轮曲线斜率相当小，所以具有很低的过载能力，这也是在齿轮工程应用中应特别注意的问题。10410510610710

28、810910101.71.61.51.41.31.21.11.00.80.7NL图21接触强度的寿命系数第34页/共184页图22弯曲强度的寿命系数YNT第35页/共184页从以上的分析表明，在齿轮的强度计算中选用修正系数时，应考虑材料热处理质量；而从事材料热处理的工作者应了解各类齿轮的使用工况条件，提供可靠的材料热处理质量。以上清楚地表明，齿轮承载能力计算是建立在试验齿轮强度的基础之上的，而试验齿轮的强度显然和材料热处理质量密切相关。通常，齿轮材料热处理标准仅在于本身的质量控制和检验，而齿轮的承载能力则主要根据经热处理后齿轮的硬度这单一的参数来计算，显然忽略了材料和热处理质量对强度的影响。G

29、B/T8539-2000齿轮材料及热处理质量检验的一般规定这一标准将齿轮疲劳强度与材料热处理质量等级密切地结合了起来.。该标准的基本结构是将齿轮承载能力分为三个档（级别），即高、中、低，不同档次对应不同的材料热处理质量。高、中、低档分别以ME、MQ、ML来表示。ML表示对齿轮加工过程中材料质量和热处理工艺的一般要求；MQ表示有经验的制造者在通常成本下可达到的质量等级；ME表示必须具有高可靠度的制造过程控制才能达到的等级。第36页/共184页标准以调质钢、渗碳钢、渗氮钢、表面淬火钢及铸铁分别列表，按不同强度等级提出检验项目与相应的指标。同时有对应的接触疲劳极限和弯曲疲劳极限曲线图，在图中，给出与

30、材料热处理质量等级对应的三条线（ME、MQ、ML）。以标准提供的质量等级表和相应的疲劳极限曲线图为基础进行齿轮承载能力的设计，既可保证其可靠性，又能照顾到经济合理性。若疲劳极限要求上限时，各项指标按ME检验，其中包括材料成分、冶金质量、性能指标、热处理参数等都有严格的要求；若疲劳极限要求低为ML时，则对材料热处理的质量检验要求也就比较低；MQ要求则介于以上两者之间。由此给齿轮强度设计提供了两个重要的参考依据：一是将齿轮的疲劳强度与材料热处理质量密切地联系在一起；二是不同的强度要求与不同的质量相对应，具有合理性。（1）调质及表面硬化钢材的质量等级这类钢材通过调质和各种表面硬化热处理可达到较高的性

31、能，用于各类参数要求的齿轮。各类材料的质量等级及相应的技术要求列于表7表10。第37页/共184页第38页/共184页第39页/共184页第40页/共184页第41页/共184页第42页/共184页（2）调质及表面硬度化钢的疲劳极限不同材料、不同热处理工艺，按表7表10不同等级的要求和质量控制相对应的接触疲劳极限sHLim和弯曲疲劳极限sFLim见图2332。11031000900800700600500400300250MXMEMQMEMQMLME碳钢合金钢100 200 300 400HV10（=HB）注：额定碳含量0.20%图23 调质处理的碳钢、合金钢的Hlim第43页/共184页90

32、0800700600500400Hlim/（N/mm2）100200300400MEMQ=MLMEMQ=ML碳钢合金钢HV10（=HB）图24 调质处理的铸钢的Hlim第44页/共184页50040030020010010008006004000100200300400MQMQMEMLME=MXML合金钢碳钢Flim/（N/mm2）FE/（N/mm2）HV10(=HB)注：额定碳含量0.20%；FE=FlimYST图25调质处理的碳钢、合金钢的Flim和FE第45页/共184页500400300200100100 200 300 400HV10(=HB)MEMQ=MLMQ=MLME合金钢Fli

33、m/（N/mm2）FlE/（N/mm2）碳钢注：FE=FlimYST图26调质处理的铸钢的Flim和FE第46页/共184页保持适当的有效层深保持适当的有效层深MEMQMLHRC17001600150014001300120050 55 60 65 500 600 700 800Hlim/（N/mm2）图27渗碳淬火钢的Hlim第47页/共184页MEMQMLHRC14001300120011001000900Hlim/（N/mm2）50 55 60 65 500 600 700 800HV1 图28表面硬化（火焰或感应淬火）钢的Hlim第48页/共184页心部硬度心部硬度30HRC心部硬度心

34、部硬度25HRC淬透性淬透性J=12mm时时28 HRC心部硬度心部硬度25HRC淬透性淬透性J=12mm时时28 HRC60050040030020010012001000800600400200MEMQMLHRC450 500 600 700 80050 55 60 65Flim/(N/mm2)FE/(N/mm2)保证适当的有效层深保证适当的有效层深HV1注：FE=FlimYST图29渗碳淬火钢的Flim和FE第49页/共184页450 500 600 700 8006005004003002001001200100080060040020050 55 60 65HV1 MEMQML全齿廓

35、淬火全齿廓淬火HRCFlim/(N/mm2)FE/(N/mm2)注：FE=FlimYST图30表面硬化（火焰或感应淬火）钢的Flim和FE第50页/共184页第51页/共184页第52页/共184页图31渗氮和氮碳共渗钢的Hlim第53页/共184页第54页/共184页第55页/共184页图32渗氮及氮碳共渗钢的Flim和FE第56页/共184页（3）硬齿面齿轮的应用从钢材的疲劳极限图看到，齿轮的许用接触应力和许用弯曲应力都随齿轮的表面硬度提高而提高，因此，随着齿轮传动参数的提高及加工制造技术的进展，国内外已普遍地采用硬齿面齿轮。硬齿面齿轮的应用不仅大大提高齿轮的承载能力，同时还可取得良好的经

36、济效益（表11）。表11转矩2100Nm、其他条件相同情况下软硬齿面齿轮性能参数及经济效益的对比钢 材C4542CrMo20CrMo35CrMoV35CrMo20CrMo42CrMo热处理正火调质渗碳淬火渗氮感应淬火渗碳淬火调 质加工方法滚滚磨/滚剃磨磨中心距/mm830650585490470390重量/kg850548603465262023901581安全系数抗点蚀1.31.31.31.31.41.6价格比（%）6.15.73.9786663第57页/共184页2齿轮材料材料是齿轮承载能力的基础。齿轮用材料以钢为主，其次是铸铁、铜合金及其它各种特殊材料。2.1齿轮钢材的选择因为齿轮形状及

37、受力都比较复杂，所以钢材选用十分讲究。生产中，齿轮多用合金钢，少量不太重要的齿轮及某些小齿轮采用碳钢。这是由于大多数齿轮不仅需要强度高、韧性好、耐磨性佳，同时还要求能保证在截面上获得必要的淬透深度，以便在较厚的受力面内保持较均匀的综合力学性能。另外，从热处理工艺的角度看，为了减少热处理变形，应尽量减缓淬火冷却速度，这就需要奥氏体中含有各种能减小临界冷却速度的合金元素。齿轮钢材中常用的合金元素及其在钢中的作用列于表12，可供选择齿轮材料、制订热处理工艺及进行质量分析时参考。齿轮钢材的热处理特性齿轮钢材的热处理特性是设计者的重要参考资料，列于表13。第58页/共184页第59页/共184页第60页

38、/共184页表14是齿轮钢材冶金因素对齿轮性能的影响。第61页/共184页齿轮钢材的冶金因素中以钢材的纯净度、淬透性及原始组织尤为重要。（1）钢材的纯净度影响钢材纯净度的主要因素是含氧量。真空脱气冶炼对净化钢材有明显的效果。表15(1,2)和图33是真空脱气冶炼的效果。表16是含氧量对钢材冲击韧性的影响。精炼钢对提高齿轮接触疲劳强度和弯曲强度都有明显的效果。表表15-1 15-1 真空脱气炼冶的效果真空脱气炼冶的效果 钢材状况含氧量(ppm)Al2O3（%）SiO2（%）TiO2（%）氧化物总量（%）普通冶炼4540.293.750.4554.12真空脱气2010.402.3016.70第62

39、页/共184页表表15-2 SCM420H钢实物含氧分析钢实物含氧分析钢厂含氧量（平均ppm）非 金 属 夹 杂A1 AB1 BC1 CD1 DA9162.0，1.02.0，00，01.0，0.5B491.0，01.5，00，01.0，0真空脱气精炼真空脱气精炼改善钢材改善钢材力学性能力学性能降低氧含量降低氧含量消除有害的氧化夹杂物消除有害的氧化夹杂物提高钢的清洁度提高钢的清洁度改善钢材改善钢材加工性能加工性能微调化学成份微调化学成份适应使用目的化学成分调整适应使用目的化学成分调整稳定热处理特性稳定热处理特性控制淬透性控制淬透性曲线形状曲线形状淬透性带变窄淬透性带变窄减小变形减小变形稳定渗碳性

40、能稳定渗碳性能提高疲劳强度提高疲劳强度改善冷加工性能改善冷加工性能图图33 真空脱气精炼的效果真空脱气精炼的效果第63页/共184页表表16 含氧量对冲击韧性的影响含氧量对冲击韧性的影响试 样 号 ABC普通冶炼 含氧量（ppm）354143K（J/cm2）117.6102.985.3真空脱气 含氧量（ppm）161514K（J/cm2）151.9161.7166.6（2）钢材的淬透性）钢材的淬透性钢钢材材的的淬淬透透性性包包含含两两方方面面内内容容。一一是是钢钢材材的的淬淬透透能能力力，它它主主要要是是保保证证不不同同大大小小齿齿轮轮的的心心部部硬硬度度以以满满足足接接触触疲疲劳劳强强度度和

41、和弯弯曲曲疲疲劳劳强强度度的的要要求求；另另一一个个便便是是淬淬透透性性带带宽宽度度，尽尽可可能能小小的的淬淬透透性性带带宽宽度度波波动动有有利利于于齿齿轮轮热热处理变形的控制，尤其对批量生产的车辆齿轮就显得更为重要。处理变形的控制，尤其对批量生产的车辆齿轮就显得更为重要。我国新修订的我国新修订的GB/T 5216标准规定的淬透性钢带宽已从原来的标准规定的淬透性钢带宽已从原来的12HRC缩小为缩小为8HRC，表表17是国外几个汽车生产企业对齿轮钢淬透性带宽的要求。是国外几个汽车生产企业对齿轮钢淬透性带宽的要求。第64页/共184页表表17 国外几大公司对齿轮钢淬透性带宽的要求国外几大公司对齿轮

42、钢淬透性带宽的要求公 司钢 系淬透性带宽（HRC）典型钢号德国大众ZFMnCr5CrMnB687816、28MnCr5ZF6、ZF7日本小松CrMoCrNiMo85SCM420SNCM420美国休斯通用CrNiMo8SAE8620（3）锻件组织 锻件存在两个对以后热处理影响较大的质量问题：一是内部缺陷造成淬火开裂，严重时出现劈裂现象；二是带状组织，带状组织是由于钢锭在凝固过程中形成枝晶偏析而后在轧制中辗成，这种带状组织特别容易造成严重的混晶（图34），同时，微区成分的偏析会形成不均匀的淬火马氏体、残余奥氏体以及渗碳层深度和硬度。(4)齿轮钢材的冶金质量要求 齿轮钢材的冶金质量不仅影响到产品的机

43、械性能，特别是疲劳性能，而且还影响到齿轮生产过程中的冷热加工性能。所以，对齿轮钢材的冶金质量有各种规定和要求（表18）。第65页/共184页图图34 带状组织造成严重的混晶带状组织造成严重的混晶第66页/共184页（1）调质及表面淬火齿轮用钢调质及表面淬火齿轮用钢见表19。（2）渗碳齿轮用钢渗碳齿轮用钢可以大致分成两大类进行选择，见表20。第67页/共184页（3）渗氮齿轮用钢 表21提供了不同工况条件使用的齿轮选择渗氮钢材的基本原则，可供参考。第68页/共184页第69页/共184页表22是常用齿轮钢材的化学成分。表23是常用齿轮钢材不同截面的力学性能。表24是我国汽车行业对引进的30多条汽

44、车生产线的各类齿轮钢材经过消化、试制、应用、考核后形成的车辆齿轮用钢新系列，同时还对国产20CrMnTi钢根据不同要求而形成了子系列。第70页/共184页第71页/共184页第72页/共184页第73页/共184页第74页/共184页第75页/共184页第76页/共184页国外常用的齿轮钢材分以下三类：（1）齿轮调质和表面淬火钢见表2528。（2）齿轮渗碳钢见表29和表30。（3）齿轮渗氮钢见表31。对照见表32。第77页/共184页第78页/共184页第79页/共184页第80页/共184页第81页/共184页第82页/共184页第83页/共184页第84页/共184页第85页/共184页第

45、86页/共184页2.2齿轮用铸铁铸铁齿轮与钢齿轮相比，具有成本低、切削性能好、耐磨性高、噪声低等优点。灰铸铁强度低、塑性差，常用来制造对强度要求不高，但需耐磨的齿轮。球墨铸铁具有较高的强度和一定的塑性及韧性，是较好的齿轮铸铁材料。球墨铸铁最适合于制造开式齿轮，可提高抗磨性；用来制造大型齿轮时可提高切削刀具的使用寿命；利用其噪声低的特点，可以制造出特殊要求低噪声的齿轮，常用齿轮铸铁材料还有可锻铸铁。各种铸铁的性能对比见表33。第87页/共184页弯曲疲劳比，弯曲疲劳极限与抗拉强度之比，设计时推荐使用0.35的疲劳比。分别为珠光体灰铸铁范围：154-216，216-309，和大于309MPa的对

46、应值。按ISOR946标准，在20mm试棒上测得。无缺口试样。有缺口试样（45，V型），上贝氏体球墨铸铁。V型缺口（单铸试块），球墨铸铁QT400-18，括号外数据分别为试验温度235和-202时3个试样的平均值；括号内的数据则分别为前述2种试验温度下单个试样的值。第88页/共184页灰铸铁强度较低，脆性较大，但耐磨性较好，减振性好，有最小的缺口敏感性，还有良好的铸造性能及切削性能，生产工艺简单，价格低廉。（1）灰铸铁的分类灰铸铁根据30mm单铸试棒的抗拉强度规定了6级牌号，其化学成分和机械性能见表34AD。用作齿轮材料的主要是高牌号铸铁。第89页/共184页表34B按单铸试棒性能分数牌 号

47、抗拉强度 b/MPa HT100HT150HT200HT250HT300HT350 100150200250300350 注：1.验收时，n牌号的灰铸铁，其抗拉强度应在n至（n+100）MPa的范围内；2.上表的数值是按灰铸铁分类的国家标准（GB9439-88），我国灰铸铁的牌号按单铸30mm试棒的抗拉强度值划分为六级。第90页/共184页第91页/共184页表34D灰铸铁件硬度分级牌 号 铸件上的硬度范围 HBS HT145HT175HT195HT215HT235HT255 170150200170220190240210260230280 当铸件壁厚超过20mm，重量超过200kg时，对特

48、殊要求的铸件，经供需双方同意，也可采用两种附铸试棒之一的抗拉强度来验收。根据国标规定，灰铸铁也可在双方同意时，按铸件上规定部位的布氏硬度来分类和验收。国标也规定，硬度值也可按供需双方协商确定，但其波动范围必须在25HBS之内。（2）灰铸铁的性能表35给出了不同牌号灰铸铁的性能变化趋势。灰铸铁具有很小的缺口系数，表36给出了一些参考数据。第92页/共184页表35灰铸铁性能变化趋势牌 号HT100 HT150 HT200 HT250 HT300 HT350 性 能 强度性能-切削性能-加工后表面粗糙度-耐温度急变性-高温强度 减 振 性 弹性模量 缺口敏感性 耐 磨 性 第93页/共184页球墨

49、铸铁的性能介于钢和灰铸铁之间，铸造性能和切削性能近于灰铸铁，而强度和韧性则近于钢，并具一定的塑性。它是一种很有发展前途的齿轮材料。（1）球墨铸铁的分类国家标准GB1348-88规定8种球墨铸铁牌号，其基体组织和力学性能列于表37A及37B。第94页/共184页作为齿轮用材主要是珠光体和贝氏体球铁。各类球铁性能变化趋势列于表38。（2）球墨铸铁的金相组织及性能球墨铸铁中的石墨球化等级按球状石墨的圆整度及数量的多少共分为6级。生产中一般控制在24级。表39列出了各类球墨铸铁的组织状态及力学性能。表40列出了各类球墨铸铁的齿根弯曲疲劳强度。不同种类球墨铸铁的接触疲劳强度见表41。在齿面硬度低于250

50、HBS的情况下，球墨铸铁齿轮齿面的接触疲劳强度不低于钢。若将不同牌号的球墨铸铁与不同种类的钢相比较，则珠光体球墨铸铁的接触疲劳强度相当于调质钢，而贝氏体球墨铸铁的接触疲劳强度处于调质钢和渗碳钢之间，相当于渗氮钢的水平。不同基体球墨铸铁的断裂韧度KIC值列于表42。第95页/共184页第96页/共184页第97页/共184页第98页/共184页第99页/共184页20世纪50年代，美国对球墨铸铁进行了深一步的热处理工艺试验，发现等温淬火可获得强韧性较高的力学性能：b=1034MPa，0.2=760MPa，=8%，硬度340HBW，与普通热处理球墨铸铁相比，在塑性韧性相同情况下，强度成倍提高。等温