重载齿轮真空热处理工艺

齿轮是制造业大量使用的传动件,应具有优良的耐磨性、接触疲劳和弯曲疲劳强度等性能。齿轮的种类很多,对于大型齿轮,可分为软齿面齿轮﹑中硬齿面齿轮和硬齿面齿轮三种。20世纪50 年代,大型低速重载齿轮大多是经正火或调质处理的软齿面齿轮。随着切削加工技术的进步,60年代初开始采用中硬齿面齿轮。根据强度计算,合金结构钢调质到300 HBW ,许用接触应力为850 MPa,许用弯曲应力为300 MPa,而渗碳、淬火硬度达到60 HRC的许用接触应力和弯曲应力分别为1 600 MPa和500 MPa。因此,60年代以后第三代重载齿轮,即经渗碳或碳氮共渗、淬火的硬齿面齿轮得到了广泛应用。总体上看,硬齿面齿轮具有承载性能好﹑使用寿命长等优点,飞机齿轮、汽车齿轮、拖拉机齿轮和工程机械齿轮等都属于硬齿面齿轮,渗碳、淬火已经成为齿轮的热处理工艺。

齿轮的抗弯曲疲劳性能、抗接触疲劳性能和啮合精度是决定齿轮使用寿命的三大要素。为了使齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度达到要求,首先要使其具有足够的硬度,以保证有足够的接触疲劳强度。高的接触疲劳强度、表面硬度和耐磨性可使齿面难以损伤。齿轮表面存在残余压应力将有利于提高弯曲疲劳强度。齿根必须有足够的强度,以免齿轮运行中产生的弯曲应力导致其疲劳失效。为了提高齿轮的使用寿命,防止疲劳破坏,齿轮硬化层的强度分布应该高于应力分布。为此,可采取增加硬化层深度和提高齿轮的基体强度等措施。为了使齿轮具有耐冲击,耐振动、噪声小,强度高﹑耐磨性好以及良好的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能,要求齿轮表面硬度高、心部强韧性好、硬化层分布合理,提高齿轮的承载和抗冲击断裂性能。齿轮应易于切削加工,以获得低的粗糙度和高的加工精度。此外,还要求齿轮具有高的原材料质量。

制造齿轮的材料有多种,如铸铁、钢和粉末冶金材料等。对于汽车、拖拉机、工程机械用重载齿轮,一般选择渗碳或渗氮钢。2OCrMo、20CrMnTi、20CrMnMo钢等是常用的渗碳钢。常用的渗氮钢为38CrMoAlA ,35CrMo ,42CrMo钢等,渗氮后具有优异的耐磨﹑耐蚀性。对于飞机,坦克和内燃机车等服役条件更苛刻的齿轮,一般选用20Cr2Ni4A和18Cr2Ni4WA钢等。采用中碳钢齿轮并经高或中频感应淬火可以降低成本,适用于工作接触应力和弯曲应力不太大的齿轮。

对于推土机齿轮,调研发现,其主要的失效形式是断齿,因此,提高齿轮弯曲疲劳性能是提高齿轮寿命的关键。

(1)齿轮疲劳断口形貌可分为裂纹源、裂纹稳态扩展区和瞬断区3部分,裂纹稳态扩展区有明显的疲劳辉纹;疲劳裂纹源主要是次表层的微孔洞和微裂纹,齿轮表面的机加工缺陷也是裂纹源之一。

(2)渗碳、淬火的齿轮疲劳寿命总体上高于离子渗氮的中碳结构钢齿轮,这与离子渗氮化较浅有关。

(3)试验的渗碳钢齿轮中,22CrNi2MoNb钢齿轮的疲劳寿命最佳,其次是22CrMoH钢和20CrMnTi钢齿轮,2OCrMnMo钢齿轮最差。这与22CrNi2MoNb钢齿轮晶粒细、强韧性高有关,20CrMnTi钢齿轮优于20CrMnMo钢齿轮的原因与晶粒更细有关。

(4)对于工作应力不太大的齿轮,选用成本低廉的中碳S48C钢进行中频感应淬火是一种可行的方案。