提高重型載貨汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋齒輪性能及壽命的途徑

■ 金榮植

重型載貨汽車(chē)主動(dòng)、從動(dòng)弧齒錐齒輪（見(jiàn)圖1、圖2）是安裝在驅(qū)動(dòng)橋上的一對(duì)齒輪副，是汽車(chē)齒輪中受力最復(fù)雜及工作條件最?lèi)毫拥囊粚?duì)傳動(dòng)齒輪，加上汽車(chē)行駛過(guò)程中經(jīng)常遇到道路不平及超載情況等，常發(fā)生早期失效情況，使用壽命偏低，已成為當(dāng)前汽車(chē)制造的瓶頸之一。實(shí)踐表明，齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度及齒輪的精度三大要素決定了齒輪的使用壽命。對(duì)此，可從齒輪的材料選擇、原材料質(zhì)量控制、鍛造質(zhì)量控制、滲碳淬火控制，以及采用先進(jìn)熱處理設(shè)備與工藝等入手，提高齒輪的使用性能及壽命。

一、齒輪材料的選擇

1. 選高淬透性22CrMoH鋼

（1）選用淬透性能高的Cr-Mo鋼，如國(guó)產(chǎn)22CrMoH鋼（SCM822H），其淬透性能指標(biāo)為J15＝36～42HRC，可滿足重型汽車(chē)齒輪使用性能要求。

（2）為滿足重型汽車(chē)齒輪的更高要求，一汽集團(tuán)公司與國(guó)內(nèi)鋼廠開(kāi)發(fā)了FAS系列齒輪材料，即FAS3225H鋼、FAS3226H鋼，其淬透性帶寬5HRC，保證了滲碳層強(qiáng)度，穩(wěn)定了齒輪熱處理畸變，晶粒度優(yōu)于7級(jí)，以提高滲碳層的疲勞強(qiáng)度，獲得了較好的使用效果。

2. 選用高韌性鎳鋼

目前，主動(dòng)齒輪廣泛采用Cr-Ni或Cr-Ni-Mo系列含Ni的保證淬透性滲碳鋼種。

（1）17CrNiMo6H鋼。該鋼屬于Cr-Ni-Mo系列齒輪鋼，為強(qiáng)度＞1400MPa的高強(qiáng)度滲碳鋼。其材料的淬透性能指標(biāo)為J10＝42HRC，J15＝41HRC。晶粒度7～8級(jí)。力學(xué)性能分別為Rm＝1290MPa，ReL＝945MPa，A＝15%，Z＝60%，KV2＝112J。其沖擊吸收能量?jī)?yōu)于22CrMoH鋼。

圖 1

（2）20CrNiMoH鋼（SAE8620H）。一汽集團(tuán)公司生產(chǎn)的重型載貨汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋主動(dòng)弧齒錐齒輪廣泛采用20CrNiMoH鋼。在熱處理金相組織控制方面，碳化物0～1級(jí)，馬氏體、殘留奧氏體1～3級(jí)，齒輪滲碳淬火有效硬化層深度要求1.70～2.10mm，保證了主動(dòng)弧齒錐齒輪較高彎曲疲勞和接觸疲勞性能的要求。

3. 選用17Cr2Mn2TiH鋼

由國(guó)內(nèi)研制成功的價(jià)格低廉的17Cr2Mn2TiH鋼。通過(guò)一系列齒輪的臺(tái)架試驗(yàn)，并部分產(chǎn)品投入裝車(chē)使用（如153、457等弧齒錐齒輪）。其淬透性能要求如表1所示。

4. 驅(qū)動(dòng)橋弧齒錐齒輪用鋼材料淬透性要求

重型載貨汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋弧齒錐齒輪用鋼的材料淬透性能要求，如表2所示。

5. 大載重主動(dòng)弧齒錐齒輪用鋼

對(duì)于13t及以上承載質(zhì)量的主動(dòng)弧齒錐齒輪（模數(shù)m＞11）用鋼，可根據(jù)齒輪產(chǎn)品技術(shù)要求選擇含Ni滲碳鋼，如20CrNiMoH、17CrNiMo6H、20CrNi2MoH、21NiCrMo5H及20CrNi3H等。東風(fēng)汽車(chē)公司采用17CrNiMo6H鋼制造的重型驅(qū)動(dòng)橋齒輪臺(tái)架試驗(yàn)平均壽命為40萬(wàn)次（產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的疲勞壽命不低于30萬(wàn)次）。表3為一汽集團(tuán)公司用3種鋼制造的同一齒輪的彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果。從表3可以看出，含Ni鋼齒輪具有較高的疲勞壽命。

二、原材料質(zhì)量控制

1. 純凈度

（1）氧含量。選用滲碳鋼氧含量最好控制在wO＜2× 10-3%。表4為某齒輪廠生產(chǎn)的載貨汽車(chē)弧齒錐齒輪選用不同氧含量的鋼材進(jìn)行臺(tái)架壽命試驗(yàn)結(jié)果。從表4可以看出，鋼材原材料氧含量wO從（4～5）× 10-3%降低到1.6×10-4%以后，齒輪臺(tái)架疲勞壽命明顯提高。

（2）非金屬夾雜物。按GB/T 10561—2005標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)，A≤2.0級(jí)，B≤1.5級(jí)，C≤1.0級(jí)，D≤1.0級(jí)。

2. 帶狀組織

帶狀組織控制在＜3級(jí)，更高級(jí)控制在≤2級(jí)。

3. 淬透性

淬透性包括淬透性能和淬透性帶寬。

（1）淬透性能可參考中國(guó)齒輪專(zhuān)業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CGMA001-1《車(chē)輛滲碳齒輪用鋼技術(shù)條件》進(jìn)行選擇。如20CrMnTiH鋼淬透性能由高向低分為4種，即20CrMnTiH1～20CrMnTiH4；20CrNiMoH鋼分為兩種，即20CrNiMoH1及20CrNiMoH2?；騾⒄找黄?、東風(fēng)汽車(chē)公司等大廠相關(guān)鋼材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品技術(shù)要求進(jìn)行選擇。

表1 17Cr2Mn2TiH鋼淬透性能要求

表2 弧齒錐齒輪用鋼的材料淬透性能要求

表3 齒輪的彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

表4 齒輪臺(tái)架疲勞壽命試驗(yàn)

（2）淬透性帶寬。較高要求淬透性帶≤7HRC，更高要求≤5HRC。保證同一批鋼材的淬透性能最大離散度不大于4HRC。

4. 晶粒度

晶粒度優(yōu)于或等于6級(jí)。

三、鍛造質(zhì)量的控制

齒輪鍛件棒料采用中頻感應(yīng)加熱均勻；嚴(yán)格控制始鍛、終鍛溫度，可采用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀監(jiān)控；齒輪鍛造比一般選擇3～5。

1. 鍛件預(yù)備熱處理的控制

齒輪鍛坯優(yōu)先采用等溫正火生產(chǎn)線，所確定的奧氏體化溫度應(yīng)高于后續(xù)進(jìn)行的滲碳溫度。

2. 等溫正火技術(shù)要求

（1）硬度。鍛件正火硬度控制在160～190HBW；硬度散差，一批次≤15HBW，單件≤5HBW。

（2）金相組織。均勻塊狀先共析鐵素體+均勻片狀珠光體；魏氏體組織0級(jí)；無(wú)粒狀貝氏體組織；帶狀組織＜3級(jí)；晶粒度優(yōu)于或等于6級(jí)，控制混晶現(xiàn)象。

四、滲碳淬火的控制

重型載貨汽車(chē)弧齒錐齒輪熱處理采用滲碳淬火、回火工藝。主動(dòng)、從動(dòng)弧齒錐齒輪滲碳淬火有效硬化層深度要求：1.70～2.10mm。表面與心部硬度分別為58～63HRC和35～45HRC；碳化物、馬氏體及殘留奧氏體級(jí)別均≤5級(jí)。

（1）滲碳熱處理設(shè)備的選用 優(yōu)先采用連續(xù)式滲碳自動(dòng)生產(chǎn)線和密封箱式滲碳爐及其自動(dòng)生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)滲碳過(guò)程自動(dòng)化控制，從而保證齒輪熱處理質(zhì)量。

（2）熱處理指標(biāo) 齒輪代表性（工作）表面硬度60～63HRC；輪齒心部硬度35～45HRC（一汽公司進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果，心部硬度為41HRC時(shí)彎曲疲勞壽命最高）；滲碳淬火有效硬化層深度1.8～2.2mm；金相組織為碳化物2～3級(jí)，馬氏體2～3級(jí)，殘留奧氏體10%～25%（體積分?jǐn)?shù)），表面非馬氏體層深度＜20μm，心部組織為低碳馬氏體組織、無(wú)塊狀鐵素體組織。

五、增強(qiáng)齒輪滲層接觸疲勞強(qiáng)度

齒輪滲碳件在服役過(guò)程中承受接觸壓應(yīng)力時(shí)，易出現(xiàn)滲碳層剝落形式的接觸疲勞破壞。相關(guān)分析表明，這種裂紋往往起源于滲層的過(guò)渡區(qū)，其形成原因是相嚙合的齒輪所產(chǎn)生的最大切應(yīng)力作用于表層下一定的深處，如果滲碳層過(guò)薄、心部硬度不足，就容易引起接觸疲勞破壞。對(duì)此，可通過(guò)增加滲層深度或提高心部強(qiáng)度（硬度）的方法，以及采用以上兩種方法同時(shí)并舉的方式，可以達(dá)到增強(qiáng)齒輪滲層接觸疲勞強(qiáng)度的目的。

六、先進(jìn)設(shè)備與工藝的應(yīng)用

1.中冷連續(xù)式滲碳自動(dòng)生產(chǎn)線的應(yīng)用

（1）當(dāng)主動(dòng)齒輪采用含Ni量較高材料進(jìn)行滲碳淬火時(shí)，可采用中冷連續(xù)式滲碳爐，通過(guò)二次加熱淬火減少滲碳層組織中的殘留奧氏體含量，并使奧氏體晶粒得到細(xì)化，獲得更加細(xì)小的晶粒度和顯微組織。東風(fēng)汽車(chē)公司試驗(yàn)證明，20CrNi2MoH鋼經(jīng)二次加熱淬火處理后，晶粒度由7～9級(jí)提高至9級(jí)，彎曲疲勞強(qiáng)度由560MPa提高至800MPa，馬氏體為2級(jí)，殘留奧氏體為1～2級(jí)，心部硬度為45HRC。

（2）當(dāng)材料出現(xiàn)混晶時(shí)，可采用中冷連續(xù)式滲碳爐，通過(guò)二次加熱淬火工藝細(xì)化晶粒，消除混晶現(xiàn)象，最終得到合格的馬氏體組織。

2. 稀土滲碳技術(shù)的應(yīng)用

采用稀土滲碳技術(shù)，在高碳勢(shì)（1.25%～1.4%）下滲碳，表面碳濃度既使達(dá)到很高，但表層的碳化物形態(tài)和分布十分良好——細(xì)小而均勻分布，并且減少齒輪表面非馬氏體層，增加滲碳齒輪表面殘余壓應(yīng)力。稀土滲碳齒輪疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，稀土滲碳可以大幅提高齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度及接觸疲勞強(qiáng)度，具體見(jiàn)表5。

例如，材料為20CrMnTiH3鋼的CA-457型“解放”牌重載汽車(chē)后橋從動(dòng)弧齒錐齒輪，滲碳淬火及回火采用雙排連續(xù)式滲碳自動(dòng)生產(chǎn)線。齒輪原滲碳工藝（未加稀土）與稀土滲碳工藝參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表6。通過(guò)表6可以看出，采用稀土滲碳工藝后，推料周期由原工藝38min縮短至30min，每一盤(pán)齒輪在爐內(nèi)加熱時(shí)間減少了6h，不僅減小了齒輪畸變，而且提高了滲碳質(zhì)量。

3.采用噴丸強(qiáng)化技術(shù)

噴丸強(qiáng)化不同于噴丸清理，是一種受控噴丸技術(shù)。

噴丸強(qiáng)化使?jié)B碳齒輪表面加工硬化，并改善了非馬氏體組織的不良影響，顯著提高了齒輪表面的殘余壓應(yīng)力，從而提高了齒輪的疲勞壽命。

采用噴丸強(qiáng)化來(lái)提高齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度，尤其是齒根附近的強(qiáng)化處理。應(yīng)確保彈丸直徑小于齒根圓弧半徑的一半。某一試驗(yàn)SCM420鋼齒輪的滲碳檢驗(yàn)結(jié)果及噴丸處理參數(shù)見(jiàn)表7。

試驗(yàn)證明，當(dāng)采用硬度為53～55HRC、噴射速度為90～100m/s的鋼丸進(jìn)行強(qiáng)化噴丸時(shí)，殘余應(yīng)力峰值達(dá)到1080MPa。與滲碳淬火后不進(jìn)行噴丸的齒輪相比，實(shí)施強(qiáng)化噴丸的齒輪在破壞概率為10%時(shí)的彎曲疲勞強(qiáng)度提高48%。

例如，一汽公司采用德國(guó)產(chǎn)TR5SVR-1型應(yīng)力噴丸設(shè)備，對(duì)滲碳淬火、回火后的載貨汽車(chē)后橋主動(dòng)、從動(dòng)弧齒錐齒輪（材料為22CrMoH鋼）進(jìn)行噴丸處理，獲得了較好的強(qiáng)化效果。其噴丸工藝為：采用直徑為0.80mm鋼丸，噴丸時(shí)間為9min，噴丸速度為2800r/min。

噴丸強(qiáng)化處理后齒輪表層組織得到了細(xì)化，表層的殘留奧氏體含量比未經(jīng)噴丸處理工件的殘留奧氏體含量要低10%左右，在距離表面0.15mm范圍內(nèi)，變化量比較明顯；經(jīng)強(qiáng)化噴丸處理后的齒輪表面硬度提高了0.5～2HRC，顯著提高了齒輪的疲勞強(qiáng)度與使用壽命。

表5 稀土滲碳齒輪的彎曲疲勞與接觸疲勞壽命試驗(yàn)

表6 齒輪原滲碳工藝（未加稀土）與稀土滲碳工藝參數(shù)對(duì)比

表7 SCM420鋼齒輪的滲碳檢驗(yàn)結(jié)果及噴丸處理參數(shù)