凯发国际首页 不同熱處理工藝對齒輪傳動失效的影響及對策

摘要：齒輪失效是機械設備較為常見的故障，往往導致整體設備不能正常工作。文中著重論述了不同的熱處理工藝對齒輪傳動幾種主要失效形式的影響，剖析了產生的原因，并提出了切實可行的解決辦法，為齒輪設計提供了理論上的參考。

關鍵詞：齒輪傳動；失效；熱處理工藝中圖分類號：ＴＨ１３２．４１文獻標識碼：Ｂ
文章編號：１００２－２３３３（２００６）１１－００４２－

１前言
  齒輪傳動是機械傳動中一種重要的傳動方式，在機械設備運轉過程中齒輪失效是較為常見的故障，它往往導致整體設備不能正常工作，因此，采取不同的熱處理工藝及應對措施是在齒輪傳動工作過程中盡量減少或避免齒輪失效的重要途徑之一。下面就不同熱處理工藝對齒輪失效形式的影響及采取的措施作一簡述。

２調質與正火

軟齒面齒輪調質與正火工藝多用于制造負荷較輕的齒輪。如某些機床掛輪、農機具齒輪等。一些大模數齒輪也常采用這種工藝，如礦山機械齒輪等，因齒輪齒面硬度低，在傳動過程中常出現齒面磨損、劃傷和膠合損傷等情況，大模數齒輪還出現麻點剝落。剝落坑與硬齒面相比較，面積較小，深度較淺。對于調質鋼，壓縮彎曲疲勞高于拉伸疲勞強度，因此當齒輪拉伸側的裂縫擴展速度過快時，易造成疲勞折斷。
措施：可采取適當提高齒面硬度的滲碳淬火熱處理工藝，以增加齒面抗點蝕能力，同時這類齒輪一般選用較大的安全系數，盡量避免斷齒情況的出現。
３
滲碳與碳氮共滲淬火硬化處理

圖１齒輪軸工作位置示意圖
１．車輪２．變速箱３．齒輪軸

  此工藝由于可獲得高的齒面硬度和高的殘余壓應力，因此具有高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，并可承受高的傳動扭矩和高速度。如汽車、拖拉機、坦克等重要傳動齒輪都采用此工藝。硬化齒面的接觸疲勞損傷與軟齒面不同，易出現發展型麻點，麻點剝落坑較大，剝落坑進一步發展，在原剝落基礎上繼續裂紋擴展，穿通另外的剝落坑，進而造成大面積剝落。
      以滲碳正火后作淬火硬化處理齒輪失效為例，原始工作情況如下：某工廠制造７３５ｋＷ內燃機車上的螺旋錐齒輪，該齒輪直接驅動機車的車輪（如圖１所示），機車載重８００ｔ，啟動和運行過程中，該齒輪軸的齒部承受較大的轉矩，初步計算，運行時的轉矩為１３４００Ｎ・ｍ，運行１００００ｋｍ后拆檢時發現齒輪表面發生磨損、壓陷和剝落。齒輪材料為２０ＣｒＭｎＴｉ，熱處理工藝９３０℃氣體滲碳，爐內預冷到８６０℃（空冷），再加熱淬火，較后回火，要求滲碳淬火后表面硬度達到ＨＲＣ５６～６２，深度為１．５ｍｍ～２．０ｍｍ，心部硬度達到ＨＲＣ３０～４８。
   此外，在高接觸應力情況下，由于較大切應力的作用，常在滲碳層過渡區的薄弱部位產生平行于表面的裂紋，而該裂紋往往就是傳動齒輪產生微裂縫開始的發源地，如果硬化深度不夠，裂縫就有可能從內部產生，進而發展成硬化層剝落。接觸疲勞剝落發展到一定程度，接觸面積小，接觸應力增大，應力／強度比值增大，或產生偏載，進而發展到齒頂崩裂或斷齒而失效。措施：對表面壓碎的剝落失效，較有效的方法是適當增加輪齒硬化層的有效深度，同時適當增加輪齒心部材料的硬度，而對表面裂紋發展而成的剝落，說明齒面承載能力不足，因此往往需要對齒輪進行重新設計。

４表面感應加熱

淬火齒輪的失效表面感應加熱淬火由于人為及其它因素影響，在生產中常出現工藝重現性差，表面硬度不均勻，硬化層深度過淺及裂紋等缺陷，由此在齒輪傳動過程中易出現剝落、齒頂崩落等現象。以中碳鋼齒輪為例，經表面感應加熱淬火后，可獲得沿齒廓分布的或呈凸肚狀表面硬化層，都有較高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度。與滲碳鋼相比，中碳鋼經表面感應淬火后，其接觸疲勞抗力稍低于滲碳鋼，而彎曲疲勞抗力則優于滲碳鋼。這是由于表面淬火后得到較多的位錯馬氏體組織，但表面硬度相對較低，有利于提高齒根的彎曲疲勞強度而不利于表面耐磨性和接觸疲勞強度。其損傷特征與滲碳淬火齒輪不同，感應淬火齒輪接觸疲勞損傷多出現麻點剝落而較少發生硬化層壓碎現象。如感應淬火工藝不當，則出現齒頂“戴帽”現象，齒根圓角未能得到淬火馬氏體組織，或者輪齒被淬透，因而易出現齒頂崩落或在齒根處發生疲勞折斷現象。
措施：對于表面感應加熱淬火中出現的輪齒表面硬度不均勻、過高、過低及過淺等缺陷而帶來的傳動齒輪失效，一般要檢查鋼材質量，合理選擇冷卻介質以及工藝參數等。

圖2：噴丸強化時間與多沖壽命的關系

５噴丸強化對齒輪失效的影響

   利用拋丸機 拋丸器 或噴嘴將鋼丸高速射向齒輪表面，用以清除齒輪表面的氧化皮和粘附物，同時因變形和冷作硬化層的影響，可在齒輪表面形成一層殘余壓應力。由于殘余壓應力的作用，抵消了由交變載荷所引起的拉應力，從而能顯著地提高彎曲疲勞強度，并能抑制和減緩應力腐蝕，從而有效避免了齒輪傳動過程中的失效。
圖２所示曲線為４０Ｃｒ鋼經碳氮共滲處理（共滲層０．４～０．５ｍｍ），淬、回火后表面硬度ＨＲＣ５９的試樣，多沖彎曲疲勞壽命和噴丸時間的關系曲線。從曲線可以看出，試樣經３０ｓ的噴丸強化后，明顯地提高其彎曲疲勞壽命。隨后，Ｎ－ｔ曲線趨于水平。再增加噴丸時間，對彎曲疲勞抗力的提高已不明顯，出現一種飽和狀態。圖３表示噴丸與未噴丸試樣的接觸疲勞壽命。由圖可知，在高接觸應力下，噴丸處理試樣的壽命低于未噴丸試樣，

圖3：３２０ＣｒＭｎＴｉ噴丸與未噴丸的試樣!ｍａｘ－ｌｇＮ曲線

   隨著接觸應力的降低，二者之間的差別逐漸減小，當接觸應力降到某值（圖中兩線交點）以下時，噴丸試樣的壽命高于未噴丸試樣。在高接觸應力作用下，噴丸強化層下的次表層上易萌生裂紋并迅速擴展，靠近表層的殘余壓應力因而被局部松弛，亞晶粒逐漸長大，并產生淺層剝落。在齒輪正常的使用條件下，即接觸應力低于圖中兩線交點值時，由于表層強化和表層殘余壓應力的存在而延緩了表面裂紋的萌生和發展，難以產生淺層剝落，因此接觸疲勞壽命提高。
措施：
（１）因噴丸強化層內的壓應力和組織結構并不是固定不變的，零件在室溫和高溫下長期承受交變應力的過程中，殘余壓應力會慢慢松弛，逐漸消失，亞晶粒也會逐漸長大。因此噴丸的齒輪使用過一段時間后，如欲恢復其使用效果，需要再噴丸強化。
（２）可采用激光噴丸等新技術，能更有效改善齒輪的強度、耐磨性和耐腐蝕性以及更有效提高齒輪的彎曲和接觸疲勞強度，進而減少齒輪失效。
（３）選用合適的噴丸參數。
６結語

  造成齒輪傳動失效的原因往往并不是單一條件而是多方面因素造成的，通過采取不同的熱處理工藝是減少或避免齒輪失效的重要手段之一，因此今后進一步改進、提高和研發熱處理工藝的流程及標準，對防止齒輪失效具有重大的現實意義。

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