齒輪滲氮處理R-S-N彎曲疲勞性能研究
倪佳俊、李濤，國家鋼鐵材料測試中心上海實驗室
滲氮處理是指一種在一定溫度下一定介質中使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。經滲氮處理的製品具有優異的耐磨性、耐疲勞性、耐蝕性及耐高溫的特性，增加鋼件的耐磨性、表面硬度、疲勞極限和抗蝕能力。依據ISO6336-5標準，在允許的滲氮層深度範圍內，疲勞極限為一定值，具體影響程度不詳。齒輪的彎曲疲勞強度是評價齒輪承載能力的一個重要指標，也是齒輪設計的基礎數據，對不同滲氮層深度齒輪彎曲疲勞壽命以及影響因素開展研究，以達到提高齒輪彎曲疲勞強度的目的，進而提高齒輪的承載能力。
1.試驗齒輪
（1）齒輪材料及參數
齒輪材料為42CrMo（滲氮）。試驗齒輪的參數和精度：模數 m=5mm，螺旋角 β=0o，齒寬 b=20mm，壓力角 α=20o，應力修正係數 Yst=2.0，齒根圓角參數 qsz≤10μm，精度為ISO1328-1：1995的5級。
（2）齒輪加工工序及相關指標
滲氮齒輪的工藝流程為：下料→鍛造→正火→粗加工→調質→半精加工→滾齒→精加工→磨齒→滲氮→裝配。調質硬度要求290～330HBW。為了獲得兩種不同滲氮層深度的齒輪，齒輪分兩批次滲氮，其餘工序相同。滲氮採用氣體滲氮，滲氮工藝溫度520～530℃。
滲氮後相關指標及試樣1/2齒高處檢測結果如下：
表1 淺層、深層滲氮後試樣1/2齒高處檢測結果
| 檢測項目 | 層深/mm | 表面硬度/HV | 白亮層深度/mm（≤0.025mm） | 滲層氮化級別/級（≤3級） | 晶粒度級別/級 |
| 淺層深 | 0.35 | 692 | 0.0096 | 2 | 7.0 |
| 深層深 | 0.63 | 628 | 0.0175 | 3 | 7.5 |
2.試驗方案
根據GB/T3480中規定：「齒輪輪齒彎曲疲勞可由（齒輪）脈動（彎曲受載）試驗或齒輪符合運轉試驗，或由使用經驗的統計數據得出」。
根據GB/T 14230中的相關規定，試驗齒輪隨機抽取，目的是為了提高試驗結果的可信度，並使試驗結果能夠反映該種齒輪的承載能力。按照GB/T 14230中B試驗法，採用了齒輪彎曲試驗設備對輪齒進行單齒脈動載入試驗，載入至輪齒出現裂紋或失效後停止試驗，得出在此應力下的循環應力次數即壽命數據。為了充分利用有限的試件，應安排儘可能多的試驗齒對，同時保證同一應力水平的被試齒來自各個齒輪，但所選取的輪齒與進行過試驗的輪齒（包括用以支承的輪齒）間隔不少於一個齒。
採用升降試驗法和成組試驗法相結合的試驗方法，短壽命區採用了恆定應力水平成組試驗法確定疲勞曲線的傾斜段方程，長壽命區採用了升降試驗法確定疲勞試驗水平段方程。根據GB/T 14230要求，試驗中，若出現下列情況之一時，都應判為彎曲失效：①輪齒齒根出現可見疲勞裂紋。②載荷或頻率下降了5％～10％。③沿齒根斷齒。
齒輪在各種可靠度時的極限應力值是根據齒輪疲勞試驗所得的應力壽命樣本，經過分析處理得到的，本試驗的數據處理原則上是按GB/T14230和GB/T24176所給的方法進行的。為了更精確計算，短壽命區採用了三參數威布爾分布來描述齒輪壽命的離散性，長壽命區的疲勞極限強度分布按正態分布處理，齒輪彎曲疲勞曲線傾斜段方程（在對數坐標中為直線方程）的形式為 mlog σFlim＋log N＝logC，式中 N為應力循環次數（即壽命）， σFlim對應於 N的疲勞極限， m為方程指數，C為方程常數。3.疲勞測試數據
淺層滲氮在長壽命區的升降法測試數據及升降圖如表2、圖1所示。
表2 淺層滲氮齒輪的升降法測試數據
| 試樣序號 | 應力/MPa | 壽命/次 | 試樣序號 | 應力/MPa | 壽命/次 |
| 1 | 499 | 80300 | 9 | 499 | 37800 |
| 2 | 452 | 3000000 | 10 | 452 | 3000000 |
| 3 | 499 | 55000 | 11 | 499 | 32700 |
| 4 | 452 | 3000000 | 12 | 452 | 3000000 |
| 5 | 499 | 61600 | 13 | 499 | 43700 |
| 6 | 452 | 3000000 | 14 | 452 | 43800 |
| 7 | 499 | 25700 | 15 | 406 | 3000000 |
| 8 | 452 | 3000000 | 16 | 452 | 3000000 |
圖1 淺層滲氮齒輪的升降圖
淺層滲氮齒輪在短壽命區的成組法測試數據如表3所示。
表3 淺層滲氮齒輪的成組法測試數據
| 應力級 | I | II | III | IV |
| 應力/MPa | 641 | 593 | 546 | 499 |
| 1 | 9000 | 15000 | 17100 | 80300 |
| 2 | 8300 | 12400 | 14800 | 55000 |
| 3 | 8900 | 12800 | 19600 | 61600 |
| 4 | 8800 | 12100 | 16900 | 25700 |
| 5 | 9000 | 13000 | 15600 | 37800 |
| 6 | — | — | — | 32700 |
| 7 | — | — | — | 43700 |
淺層滲氮齒輪彎曲疲勞方程參數及彎曲疲勞極限數據及S-N曲線如表4、圖2所示。
表4 淺層滲氮齒輪彎曲疲勞方程參數及彎曲疲勞極限（95%置信度）
| 可靠度（%） | 方程底數logm | 方程常數logC | 相關係數R2 | 彎曲持久疲勞極限/MPa | 疲勞曲線拐點的應力循環次數Nc |
| 90 | 6.409 | 21.656 | 1.0 | 437 | 54095 |
| 95 | 6.409 | 21.600 | 1.0 | 430 | 52735 |
| 99 | 6.409 | 21.491 | 1.0 | 415 | 51515 |
| 99.9 | 6.409 | 21.368 | 1.0 | 398 | 50740 |
圖2 淺層滲氮齒輪彎曲疲勞S-N曲線
深層滲氮齒輪在長壽命區的升降法測試數據及升降圖如表5、圖3所示。
表5 深層滲氮齒輪的升降法測試數據
| 1 | 499 | 3000000 | 10 | 546 | 11400 |
| 2 | 546 | 3000000 | 11 | 499 | 3000000 |
| 3 | 593 | 15100 | 12 | 546 | 12000 |
| 4 | 546 | 14100 | 13 | 499 | 3000000 |
| 5 | 499 | 3000000 | 14 | 546 | 3000000 |
| 6 | 546 | 31300 | 15 | 593 | 9100 |
| 7 | 499 | 3000000 | 16 | 546 | 10300 |
| 8 | 546 | 11500 | 17 | 499 | 13500 |
| 9 | 499 | 3000000 | 18 | 452 | 3000000 |
圖3 深層滲氮齒輪的升降圖
深層滲氮齒輪在短壽命區的成組法測試數據如表6所示。
表6 深層滲氮齒輪的成組法測試數據
| 應力級 | I | II | III |
| 應力/MPa | 737 | 689 | 641 |
| 1 | 4900 | 5700 | 8800 |
| 2 | 5300 | 6400 | 9000 |
| 3 | 5000 | 5900 | 9200 |
| 4 | 4800 | 5800 | 8400 |
| 5 | 5500 | 6100 | 9900 |
深層滲氮齒輪彎曲疲勞方程參數及彎曲疲勞極限數據及S-N曲線圖如表7、圖4所示。
表7 深層滲氮齒輪彎曲疲勞方程參數及彎曲疲勞極限（95%置信度）
| 90 | 4.124 | 15.441 | 1.0 | 472 | 26055 |
| 95 | 4.124 | 15.424 | 1.0 | 458 | 28209 |
| 99 | 4.124 | 15.390 | 1.0 | 432 | 33189 |
| 99.9 | 4.124 | 15.352 | 1.0 | 403 | 40668 |
圖4 深層滲氮齒輪彎曲疲勞S-N曲線
（a）有效滲氮層深標準 （b）彎曲疲勞極限數據
圖5 國際標準ISO6336-5中滲氮層深及彎曲疲勞極限數據
根據上述數據可看出，滲氮層深度增加彎曲疲勞極限也增加，當滲氮層深度由下限0.3mm左右增加至0.6mm以上時， 99%可靠度下的彎曲疲勞極限由415MPa增加至432MPa，增幅僅為4.1%。淺層、深層滲氮齒輪均達到了ISO6336-5中調質鋼MQ級（約365MPa），深層滲氮齒輪已基本達到ME級（約435MPa）。
4.失效齒輪分析
由於疲勞壽命的離散性特徵，選擇多組輪齒進行檢測硬度、組織，檢測位置為齒根圓角處，選擇有代表性數據進行展示，具體數據如表8所示。
表8 失效輪齒齒根處的熱處理方面檢測數據
由上述檢測結果可看出，通過測試的齒硬度、組織較為均勻，未通過測試的齒表層和心部硬度、組織不均勻，較高的表面硬度、心部硬度，較好的硬度、組織均勻性有利於疲勞壽命提高。
分別取深層滲氮後通過和未通過疲勞測試的齒，檢測齒寬中部齒根處殘餘應力，測試位置如圖6所示，測試方法採用X射線衍射儀使用固定Ψ0法對試樣的（211）衍射晶面進行殘餘應力檢測，掃描角度為162o～148o，每個點測試三次，測試結果如表9所示。
圖6通過和未通過疲勞測試齒的殘餘應力測試位置示意
表9 深層滲氮失效齒輪上其他未失效輪齒齒根處的表面殘餘應力檢測結果
| 測試齒輪編號 | 疲勞測試是否通過 | 位置 | 殘餘應力測試結果 | |||
| 第一次 | 第二次 | 第三次 | 平均值 | |||
| N-22 | 是 | 1 | -305 | -351 | -340 | -332 |
| 2 | -327 | -376 | -370 | -358 | ||
| 3 | -401 | -374 | -362 | -379 | ||
| N-22 | 否 | 1 | -317 | -296 | -271 | -295 |
| 2 | -301 | -333 | -291 | -308 | ||
| 3 | -284 | -303 | -327 | -305 | ||
由上述檢測結果可以看出，通過疲勞測試齒附件的殘餘壓應力水平明顯高於未通過疲勞測試齒的殘餘壓應力水平，越靠近測試齒，表面殘餘應力受到測試影響越大，因此，提高殘餘壓應力有利於疲勞壽命提高。
5.結語
由上述彎曲疲勞檢測及失效分析數據可得到如下結論：
（1）當滲氮滿足ISO6336-5標準中層深要求時，調質鋼齒輪在淺層、深層滲氮後均達到了ISO6336-5中調質鋼MQ級水平，深層滲氮齒輪可達到ME級水平。
（2）當彎曲疲勞極限達到一定水平後，雖然隨著滲氮層深度增加彎曲疲勞極限也增加，但增加幅度不大；
（3）滲氮後較高的表面硬度、心部硬度以及較好的硬度、組織均勻性有利於滲氮齒輪疲勞壽命提高，較高的殘餘壓應力也有利於疲勞壽命提高。
商務合作：13501198334
