最佳渗碳硬化层深度的确定

摘要

每个齿轮失效模式的最佳渗碳硬化层深度是不同的，必须在齿高的不同位置确定。现行的齿轮等级评定标准并没有完全解释不同的失效模式，也没有明确规定必须考虑的不同部位。此外，它们使用不同的硬度值来确定有效的齿轮深度，并为推荐的齿轮深度提供不同的值。本文解释了为什么表面硬化是有益的;根据ISO 6336-5和ANSLA AGMA 2101-D04齿轮等级标准，以及MAAG齿轮手册中的指导原则，计算和指定渗碳深度的方法，并对所涉及的风险进行比较。这篇论文展示了箱深需要指定的三个位置分别给出了确定优化的计算方法。保持壳体深度，避免宏观点蚀、弯曲疲劳、齿面剥落分离等失效模式。每一种失效模式都有一个最小的失效深度，在此深度之下，承载能力会下降。另一方面，过深的失效深度会降低承载能力，增加成本，并有其他不利影响。

简介

本文针对齿轮的宏观点蚀、本体疲劳、弯曲疲劳和碳层脱落等失效模式，提出了渗碳齿轮的碳层深度的建议。有关故障模式的更多信息，请参见ANSI/AGMA 1010。然而，每一种失效模式的最佳失效深度必须在齿轮上的不同位置确定，且最佳失效深度随失效模式的不同而不同。因此，本文讨论了需要的渗碳深度，以避免每种失效模式分别考虑测量壳体深度的关键位置。

有效碳层深度的定义

有效碳层深度的欧洲定义是表面到内硬度为550 HV(约52.3 HRC)点的距离。该测量是用维氏显微硬度压头完成的。美国对有效表壳深度的定义是表面到内硬度为50 HRC(约513 HV)点的距离。这种测量是用Knoop或Vickers indenter完成的，硬度值可以使用诸如ASTM E140这样的转换图表转换成HRC。

磨削加工的最大去除率必须考虑到渗碳深度，确保成品深度足够。因此，针对有效碳层深度为550 HV或50 HRC后的最终加工过程，定义了一个典型的绘图规范。

请注意，美国的定义比欧洲的更深入。不幸的是，在这两种定义之间没有简单的转换方法，因为硬度梯度的斜率随特定齿轮的尺寸、材料的淬透性和热处理过程(包括淬火速率)的不同而变化。因此，为了比较这两种定义，必须在特定齿轮上测量实际的显微硬度梯度，以确定50 HRC表面深度与550 HV硬度深度的比较。一些实验室测量并报告这两个深度，以帮助解决这个问题。

有效深度的550 HV定义在本文中被使用，因为案例中深度的建议是基于MAAG和ISO指南。

总淬硬层深度的定义

根据550 HV的定义，总淬硬层深度约为有效淬硬层深度的1.5倍，最高可达有效淬硬层深度的两倍。总淬硬层深度有时定义为本体的碳梯度比钢合金的核心碳含量高0.04%的深度。

渗碳层深度测量的推荐位置

图1显示了作者推荐的渗碳深度测量位置，并基于Dudley推荐。增加了30°线来定义在根圆角处进行齿部深度测量的位置。

图1渗碳深度测量位置

位置A，大约在牙齿的中间高度，是测量齿侧深度的位置。

位置B是齿根处测量齿部深度的位置角。位置C是测量齿顶处深度的位置。位置D，在根圆上，是测量心部硬度的位置。

在指定淬硬深度时，除了故障模式之外，必须考虑的另一个方面是，淬硬深度在侧面、根和尖端位置可以不同。气体渗碳所产生的渗碳层深度取决于材料的淬透性、齿轮齿形、加热炉参数和淬火参数等多种因素，因此在侧面、根部和尖端渗碳层深度的变化范围很大;有时相同，有时完全不同。通常情况下，工件的深度在根部比在侧面要小，在侧面比在尖端位置要小。相比之下，真空渗碳可以在每个位置产生几乎一致的渗碳层深度。

渗碳层厚度对齿轮性能的影响

渗碳齿轮由于表面坚硬，具有最大的抗宏观点蚀和抗弯曲疲劳性能，渗碳在一定条件下可产生有益的压缩残余应力。残余压应力:是奥氏体向马氏体转变时材料膨胀的结果，有效地降低了载荷应力。然而，如图2所示，齿轮内的压缩残余应力与边界附近的有害拉伸残余应力相平衡。

图2齿轮的残余应力分布

优选碳层深度

通常，对于每种故障模式，都有一个最小的深度，在此深度之下承载能力会下降。另一方面，过深的碳层深度会降低负载能力。此外，深的情况下需要较长的渗碳时间，下面情况下式不可取的：

晶间氧化(IGO)增加(特别是含Mn、Cr和Si的合金)，降低弯曲疲劳阻力。

残余应力分布的改变，这是特别有害的，因为有益的压缩残余应力减少，而赫兹疲劳抗力和弯曲疲劳抗力都减少。

晶粒尺寸可能增大，降低了赫兹疲劳强度和弯曲疲劳强度。

过深的深度会使淬硬层和心部变形增大，变形增大，会导致需要较大的磨削余量。

制造成本可能会上升。

宏观点蚀

宏观点蚀可能在齿面或齿面以下较浅的深度发生，通常发生在非金属夹杂物等表面缺陷处。为了减小非金属夹杂物的影响，设计有效的碳层深度以获得表面和齿轮本体内部的高压残余应力是非常重要的。表1给出了一些最低有效深度的准则，以避免宏观点蚀。

表1 最低有效深度的准则

宏观点蚀建议。图3显示了作者基于MAAG推荐的有效渗碳层深度。图3的推导参见附件B，并与ISO 6336-5和ANSI/AGMA 2101指南进行了比较。

图3的描述。图3中较低的曲线“A”是图1所示位置A处测量到的最小有效表层深度，是所有加工完成后的表层深度，是从齿侧表面到硬度为550 HV的深度的距离。建议使用曲线“A”来获得最大的宏观点蚀阻力。但是，设计人员应该提供渗碳深度的公差，以适应制造的变化。公差带宽度通常取决于齿轮单元的类型、施加在齿轮单元上的条件、齿轮单元的宽度，热处理车间的设施，以及热处理结果的均匀性。曲线“B”和“C”是在曲线“A”所表示的最小有效渗碳深度上加一个公差，从而得到最大碳层深度的公差带。曲线“C”表示商用齿轮传动设计的最大公差范围。曲线“B”适用于精密齿轮传动设计的公差范围。

图3 碳层深度的选择曲线

图3的计算公式:

曲线A (he)min= 0.2835(m.)^0.7016(避免宏观麻点的最小值)

曲线B (hen)mid= 0.4730(m)^0.6198(最大精度公差)

曲线C (heH)max= 0.5899(m)^0.5829(最大商用公差)

文章转自：燕青谈齿轮