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齒輪淬火的“最佳”硬化層深與“適當(dāng)”硬化層深

眾所周知，齒輪的淬硬層深“過(guò)淺”，對(duì)接觸和彎曲承載能力都不利。但淬硬層也不是越深越好，最佳或適當(dāng)?shù)挠不瘜由疃�,，可使齒面和齒根都具有較高的強(qiáng)度（承載能力）。另外，不同的熱處理方法,，其“最佳”值也不是一樣的。

二十世紀(jì)七,、八十年代,，隨著齒輪強(qiáng)度計(jì)算方法ISO標(biāo)準(zhǔn)的公布，以及國(guó)內(nèi)GB/3480“圓柱齒輪承載能力計(jì)算方法”標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施,，特別是工業(yè)硬齒面齒輪的廣泛采用,，國(guó)內(nèi)外齒輪工作者（專(zhuān)家、學(xué)者）,，就熱處理硬化層深問(wèn)題,，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析,。其實(shí)質(zhì)都是基于接觸（彎曲）疲勞強(qiáng)度，其核心問(wèn)題是：疲勞裂紋發(fā)生（萌生）在何處,？破壞后的形狀是點(diǎn)蝕（pitting貝殼狀）,，還是片蝕（剝落spalling）？研究表明,，一般軟齒面大多是點(diǎn)蝕,，而硬齒面大齒輪大多是剝落（片蝕）。疲勞裂紋的萌生,，有可能在表面,，也有可能在表層。

至今,，有關(guān)硬齒面齒輪接觸疲勞強(qiáng)度（剝落）計(jì)算的理論和方法,，主要有：最大剪切應(yīng)力τ_max（τ_45°）；正交剪切應(yīng)力（τ_yz）,；當(dāng)量剪切應(yīng)力（τ_effa）,；深部接觸應(yīng)力；最大剪切應(yīng)力/剪切強(qiáng)度的峰值,；正交剪切應(yīng)力/強(qiáng)度（硬度）（τ_yz/HV）_max,；當(dāng)量剪切應(yīng)力/強(qiáng)度的峰值等，通過(guò)理論計(jì)算可以確定接觸疲勞強(qiáng)度（安全系數(shù)）,；或者確定最佳淬硬層深度,。這些理論和方法一直都有爭(zhēng)議，因此至今也沒(méi)有一個(gè)權(quán)威的理論和方法被大家所能完全接受,。

所謂“最佳硬化層深”,，其說(shuō)法也是較含糊的，而且眾說(shuō)不一,，以滲碳淬火齒輪為例,，

德國(guó)DIN3990，硬化（滲碳）層深度,，給出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：（推薦）Eht= 0.15m_n（m_n——法面模數(shù)）⁽¹⁾,。該經(jīng)驗(yàn)公式，有一個(gè)突出的問(wèn)題,，就是未考慮實(shí)際載荷的情況,。所以，對(duì)于輕載齒輪,，允許比經(jīng)驗(yàn)公式稍淺的硬化層深度,。Thomas Tobie近年來(lái)提出在用ISO/DIN進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化承載能力計(jì)算時(shí)，考慮硬化層深度對(duì)承載能力的影響，引入了影響系數(shù)Z_Eht（接觸承載能力影響系數(shù)）,；У_Eht（彎曲承載能力影響系數(shù)）,。其目的是對(duì)于某一結(jié)構(gòu)的齒輪，確定要求的硬化層深度,，或者計(jì)算已給定硬化層的齒輪承載能力（安全系數(shù)）,。

美國(guó)AGMA（基于最大剪切應(yīng)力），最小硬化層深度（最佳層深）：

Eht_min= [ (σ_H·d₁·sinα_t ) / ( U_H·cosβ_b) ] · [ Z₂ /（Z₁+Z₂）]

= 2·ρ_c·σ_H / U_H = 2.2·δ_TH

式中：σ_H —— 接觸應(yīng)力,；

d₁   —— 小齒輪節(jié)圓直徑,；

α_t  —— 端面壓力角,；

β_b  —— 基圓螺旋角,；

ρ_c  —— 相對(duì)曲率半徑；

δ_TH  —— 最大剪切應(yīng)力的深度,；

U_H  —— 硬化工藝系數(shù)（對(duì)于MQ,，ME級(jí)滲碳淬火工藝，U_H＝66000N/mm²）

Eht_min與齒輪的幾何參數(shù),、齒面上的實(shí)際載荷,、硬化工藝、以及最大剪切應(yīng)力的深度等有關(guān),。

例如：某一對(duì)工作齒輪,，已知模數(shù)m_n＝20mm，Z₁＝20,，Z₂＝105,，螺旋角β＝10°，以及傳遞的載荷等,。按德國(guó)DIN：Eht_min ＝0.15m_n＝3.0mm,；

而按AGMA：Eht_min＝1.47~2.14mm，（1.0~1.47mm——按2.2 δ_TH）,。就硬化層深度而言,，兩者相差較大。

日本的藤田公明,，基于A(τ_yz / HV）_max,，提出“最佳硬化層深度”是：

當(dāng)滿(mǎn)足 A（τ_yz / HV）_Ⅱ ＜ 0.6A（τ_yz / HV）_Ⅰ 時(shí)的最淺硬化層深度即為最佳硬化層深度。式中（A（τ_yz / HV）_Ⅱ——硬化層過(guò)渡區(qū)內(nèi)極大值,；A（τ_yz  / HV）_Ⅰ——硬化層內(nèi)的極大值）,。⁽²⁾

所以，對(duì)于“最佳硬化層深度”,，眾說(shuō)不一,，其結(jié)果也出入較大，國(guó)內(nèi)某研究所曾針對(duì)不同硬化層（滲碳層）深度齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其結(jié)果如下：（材料：20CrMnTi）⁽³⁾

結(jié)果表明,，當(dāng)滲碳層為1.0mm時(shí),，接觸疲勞極限最高；0.5mm滲碳層疲勞極限值與1.0mm的疲勞極限值相差不多,，較接近,；當(dāng)滲碳層深度為1.5mm，接觸疲勞極限值有較大的下降,。這說(shuō)明,，滲碳層（硬化層深）不是愈深愈好。綜合考慮,，滲碳層深為0.5mm即是“適當(dāng)層深”,。

溫特爾教授（H·Winter）二十世紀(jì)八十年代初，來(lái)華講學(xué)時(shí),，針對(duì)齒輪表面接觸疲勞強(qiáng)度,，有關(guān)滲碳淬火齒輪，特別指出,，其滲碳（硬化）層深,，不一定要追求最佳層深。從帶來(lái)的資料看（見(jiàn)圖）

當(dāng)層深達(dá)到0.2mm時(shí),，抗點(diǎn)蝕能力增大,；大于0.5mm時(shí)，就不再增大（增大的很慢）,。最佳抗點(diǎn)蝕能力是滲碳層深度為0.8～0.9mm（即最佳層深）,。

若滲層深度為0.4mm，則齒輪表面的耐久限（即疲勞極限）,，從1500N/mm²,下降為1400N/mm²,(下降了6.7%),；而層深從0.8～0.9mm(最佳層深)，下降為0.4mm（下降了50%～55.6%）,。采用0.4mm層深,，疲勞極限下降并不大，但熱處理時(shí)間,、變形,，均可以大大縮短和減少，磨齒費(fèi)用也可以大減少,，其經(jīng)濟(jì)性特別顯著,。所以，硬化（滲碳）層深的選擇,，應(yīng)綜合考慮,，不必追求所謂“最佳層深”,，應(yīng)追求的是“適當(dāng)”的硬化層深。這里0.4mm就是“適當(dāng)”的層深,。筆者認(rèn)為,，何謂適當(dāng)?shù)挠不瘜由睿�既滿(mǎn)足了強(qiáng)度的基本要求（具有所必須的疲勞極限）,，又具有良好的經(jīng)濟(jì)性,，這樣的硬化層深，就是“適當(dāng)”的硬化層深,。

在新的ISO（GB/T3480）“齒輪承載能力計(jì)算方法”標(biāo)準(zhǔn)所提供的齒輪疲勞極限應(yīng)力   （σ_Hlim+,σ_Flim）圖表中,，有關(guān)滲碳淬火齒輪，圖表中特別指明“保證（保持）適當(dāng)的有效層深”,。這些齒輪承載能力計(jì)算用的疲勞極限應(yīng)力圖,，首次被齒輪熱處理標(biāo)準(zhǔn)收錄采用（GB/T8539-2000，“齒輪材料及熱處理質(zhì)量檢驗(yàn)的一般規(guī)定”）,。值得注意的是,，對(duì)硬化（滲碳）層深有了一個(gè)“定性的要求”,，（以前的標(biāo)準(zhǔn)中,，并沒(méi)有這樣明確），但是提的是“適當(dāng)?shù)挠行�層�?/U>”,，而不是“最佳有效層深”,。何謂“適當(dāng)”？具體的“值”是多少,？并沒(méi)有明確的規(guī)定,。這給出齒輪設(shè)計(jì)硬化層深度，留下一個(gè)可根據(jù)實(shí)際情況,，綜合全面考慮問(wèn)題的寬松空間,。筆者認(rèn)為，何謂“適當(dāng)”,，應(yīng)綜合考慮,。只要能保證齒輪的疲勞強(qiáng)度（承載能力）基本要求，更應(yīng)著重考慮具有較顯著的經(jīng)濟(jì)性,，根據(jù)不同的熱處理方法,，和熱處理質(zhì)量（包括材質(zhì)），選定一個(gè)較為“合適”的有效硬化層深度,。不必刻意追求“最佳”層深,，甚至盲目的追求更深的硬化層深度。