齿轮淬火的“最佳”硬化层深与“适当”硬化层深

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齿轮淬火的“最佳”硬化层深与“适当”硬化层深

众所周知，齿轮的淬硬层深“过浅”，对接触和弯曲承载能力都不利。但淬硬层也不是越深越好，最佳或适当的硬化层深度，可使齿面和齿根都具有较高的强度（承载能力）。另外，不同的热处理方法，其“最佳”值也不是一样的。
二十世纪七、八十年代，随着齿轮强度计算方法ISO标准的公布，以及国内GB/3480“圆柱齿轮承载能力计算方法”标准的实施，特别是工业硬齿面齿轮的广泛采用，国内外齿轮工作者（专家、学者），就热处理硬化层深问题，进行了大量的试验研究和理论分析。其实质都是基于接触（弯曲）疲劳强度，其核心问题是：疲劳裂纹发生（萌生）在何处？破坏后的形状是点蚀（pitting贝壳状），还是片蚀（剥落spalling）？研究表明，一般软齿面大多是点蚀，而硬齿面大齿轮大多是剥落（片蚀）。疲劳裂纹的萌生，有可能在表面，也有可能在表层。
至今，有关硬齿面齿轮接触疲劳强度（剥落）计算的理论和方法，主要有：最大剪切应力τmax（τ45°）；正交剪切应力（τyz）；当量剪切应力（τeffa）；深部接触应力；最大剪切应力/剪切强度的峰值；正交剪切应力/强度（硬度）（τyz/HV）max；当量剪切应力/强度的峰值等，通过理论计算可以确定接触疲劳强度（安全系数）；或者确定最佳淬硬层深度。这些理论和方法一直都有争议，因此至今也没有一个权威的理论和方法被大家所能完全接受。
所谓“最佳硬化层深”，其说法也是较含糊的，而且众说不一，以渗碳淬火齿轮为例，
德国DIN3990，硬化（渗碳）层深度，给出一个经验公式：（推荐）Eht= 0.15mn（mn——法面模数）(1)。该经验公式，有一个突出的问题，就是未考虑实际载荷的情况。所以，对于轻载齿轮，允许比经验公式稍浅的硬化层深度。Thomas Tobie近年来提出在用ISO/DIN进行标准化承载能力计算时，考虑硬化层深度对承载能力的影响，引入了影响系数ZEht（接触承载能力影响系数）；УEht（弯曲承载能力影响系数）。其目的是对于某一结构的齿轮，确定要求的硬化层深度，或者计算已给定硬化层的齿轮承载能力（安全系数）。
美国AGMA（基于最大剪切应力），最小硬化层深度（最佳层深）：
Ehtmin= [ (σH?d1?sinαt ) / ( UH?cosβb) ] ? [ Z2 /（Z1+Z2）]
= 2?ρc?σH / UH = 2.2?δTH
式中：σH —— 接触应力；
d1  —— 小齿轮节圆直径；
αt  —— 端面压力角；
βb  —— 基圆螺旋角；
ρc  —— 相对曲率半径；
δTH  —— 最大剪切应力的深度；
UH  —— 硬化工艺系数（对于MQ，ME级渗碳淬火工艺，UH＝66000N/mm2）
Ehtmin与齿轮的几何参数、齿面上的实际载荷、硬化工艺、以及最大剪切应力的深度等有关。
例如：某一对工作齿轮，已知模数mn＝20mm，Z1＝20，Z2＝105，螺旋角β＝10°，以及传递的载荷等。按德国DIN：Ehtmin ＝0.15mn＝3.0mm；
而按AGMA：Ehtmin＝1.47~2.14mm，（1.0~1.47mm——按2.2 δTH）。就硬化层深度而言，两者相差较大。
日本的藤田公明，基于A(τyz / HV）max，提出“最佳硬化层深度”是：
当满足 A（τyz / HV）Ⅱ ＜ 0.6A（τyz / HV）Ⅰ 时的最浅硬化层深度即为最佳硬化层深度。式中（A（τyz / HV）Ⅱ——硬化层过渡区内极大值；A（τyz  / HV）Ⅰ——硬化层内的极大值）。(2)
所以，对于“最佳硬化层深度”，众说不一，其结果也出入较大，国内某研究所曾针对不同硬化层（渗碳层）深度齿轮的接触疲劳强度进行了试验研究，其结果如下：（材料：20CrMnTi）(3)
结果表明，当渗碳层为1.0mm时，接触疲劳极限最高；0.5mm渗碳层疲劳极限值与1.0mm的疲劳极限值相差不多，较接近；当渗碳层深度为1.5mm，接触疲劳极限值有较大的下降。这说明，渗碳层（硬化层深）不是愈深愈好。综合考虑，渗碳层深为0.5mm即是“适当层深”。
温特尔教授（H?Winter）二十世纪八十年代初，来华讲学时，针对齿轮表面接触疲劳强度，有关渗碳淬火齿轮，特别指出，其渗碳（硬化）层深，不一定要追求最佳层深。从带来的资料看（见图）
当层深达到0.2mm时，抗点蚀能力增大；大于0.5mm时，就不再增大（增大的很慢）。最佳抗点蚀能力是渗碳层深度为0.8～0.9mm（即最佳层深）。
若渗层深度为0.4mm，则齿轮表面的耐久限（即疲劳极限），从1500N/mm2,下降为1400N/mm2,(下降了6.7%)；而层深从0.8～0.9mm(最佳层深)，下降为0.4mm（下降了50%～55.6%）。采用0.4mm层深，疲劳极限下降并不大，但热处理时间、变形，均可以大大缩短和减少，磨齿费用也可以大减少，其经济性特别显著。所以，硬化（渗碳）层深的选择，应综合考虑，不必追求所谓“最佳层深”，应追求的是“适当”的硬化层深。这里0.4mm就是“适当”的层深。笔者认为，何谓适当的硬化层深，既满足了强度的基本要求（具有所必须的疲劳极限），又具有良好的经济性，这样的硬化层深，就是“适当”的硬化层深。
在新的ISO（GB/T3480）“齿轮承载能力计算方法”标准所提供的齿轮疲劳极限应力  （σHlim+,σFlim）图表中，有关渗碳淬火齿轮，图表中特别指明“保证（保持）适当的有效层深”。这些齿轮承载能力计算用的疲劳极限应力图，首次被齿轮热处理标准收录采用（GB/T8539-2000，“齿轮材料及热处理质量检验的一般规定”）。值得注意的是，对硬化（渗碳）层深有了一个“定性的要求”，（以前的标准中，并没有这样明确），但是提的是“适当的有效层深”，而不是“最佳有效层深”。何谓“适当”？具体的“值”是多少？并没有明确的规定。这给出齿轮设计硬化层深度，留下一个可根据实际情况，综合全面考虑问题的宽松空间。笔者认为，何谓“适当”，应综合考虑。只要能保证齿轮的疲劳强度（承载能力）基本要求，更应着重考虑具有较显著的经济性，根据不同的热处理方法，和热处理质量（包括材质），选定一个较为“合适”的有效硬化层深度。不必刻意追求“最佳”层深，甚至盲目的追求更深的硬化层深度。

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机械设计工作者必须了解的知识点

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多谢大虾指教