1 前言
16Cr2Ni2A是我国研制的高速重载大功率机车渗碳齿轮钢，广泛应用于制作8K、6GF、SS5、SS6B、SS7等机车的牵引齿轮。经铁道部8年 多的实际运用表明，其性能远比20CrMnMo、50CrMoA钢制作的齿轮优良。为了扩大该材料的应用范围，为其产品的安全应用提供科学依据，鉴于一般 齿轮材料在服役中的主要失效形式为齿面磨损、剥落以及齿根折断等，有必要对16Cr2Ni2A钢经渗碳并最终热处理后的磨损、疲劳性能进行系统研究。
2 试样制备与试验条件
2.1 试样制备
试样均取自马钢车轮轮箍厂生产的齿轮坯，将坯料经900℃×0.5h正火＋680℃×2h高温回火后加工成各种试样，然后进行渗碳热处理，最后精磨至所 要求的试样尺寸。试样在渗碳时，非工作面涂有防渗保护层，以保证仅工作面渗碳，渗碳设备为从美国进口的W-29-60气体渗碳炉和硝盐淬火炉。试样的化学 成分及常规力学性能见表1，用显微硬度法测得试样的渗层深度为2mm左右。试样渗碳后的显微组织表层为回火针状马氏体，心部为回火板条马氏体。
表1 试样的化学成分（质量分数％）及常规力学性能
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C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | σs／
MPa | σb／
MPa | δ5（％） | ψ（％） | AK／J |
0.15 | 0.23 | 0.41 | 0.019 | 0.018 | 1.51 | 1.56 | ≥650 | 1072 | 16 | 56 | 96 |
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2.2 试验条件
磨损试验在MM-200型磨损试验机上进行，单齿弯曲疲劳在PW3-10型高频疲劳试验机上进行，接触疲劳在JPM-1型接触疲劳试验机上进行。
磨损试验条件为室温大气环境及干摩擦状态。上下试样的转速分别为180r／min和200r／min，相对滑差δ＝10％。试验中采用50kg砝码的载荷运转1h进行初始磨合，评定方法采用TG128型一级精密天平称重。
单齿弯曲疲劳试验采用单齿加载，加载位置距齿顶4mm处，频率为110Hz，循环特性系数≈0.02，在室温下进行。试验齿轮参数为：齿数Z＝21，模数m＝9.1，齿宽b＝7mm，压力角α＝25°，表面粗糙度Ra0.8，表面硬度61～62HRC。
接触疲劳试验条件为滑差δ＝10％，N32机油润滑，油温在50℃以下，试验环境为室温，上下试样线接触宽度分别为5mm和20mm。
3 试验结果与分析
3.1 磨损试验
3.1.1 定载试验 定载试验的载荷砝码采用80kg，每运转1h称量试样的磨损量一次。每个试样共称量5次，采用同样条件重复几次试验，有效点不少于3个。试验 结果见图1。从图1可以看出在一定载荷下，材料的磨损量随时间的增加而逐渐增大，呈直线变化规律，且磨损率保持不变。
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图1 80kg砝码定载试验试样磨损量随时间变化曲线
3.1.2 变载试验 试样分别在70kg、90kg、110kg、130kg、150kg、170kg砝码的载荷下做磨损试验，每个载荷下运转时间为1h，并在此 条件下进行重复试验，试验结果见图2。从图2可以看出，随着载荷的增大磨损量逐步增加，但增幅较小，其磨损率在90kg砝码载荷后基本保持不变。
综上所述，16Cr2Ni2A钢经渗碳和最终热处理后其耐磨性良好。
图2 变载条件下试样磨损量随载荷的变化曲线
3.2 单齿弯曲疲劳
图3为单齿弯曲最大载荷—疲劳寿命曲线。从图中可以看出16Cr2Ni2A钢单齿弯曲疲劳的疲劳极限为292MPa，明显高于20CrMnMo钢的疲劳极限（200MPa），这也就解释了以往采用20CrMnMo钢制作大功率机车用齿轮不能适应其要求的原因。
图3 单齿弯曲疲劳S—N曲线
3.3 接触疲劳
接触疲劳极限的测定采用Locati快速测定疲劳极限法［1］。根据Miner理论，疲劳破坏是由变形功累积所致，即存在／N＝1的关系。按照这个关系便可用一个（对）试样由某一应力开始，采取等量阶梯加载，并在每一应力水平下运转同样的周次，直至破坏；另外选用3条参考曲线，将阶梯加载的每级应力分别代入3个曲线方程，求出相应的／N值，然后在／N～a坐标系中进行描点作图，最后用内插法找出对应于／N＝1的那个σ值，该值即为待测材料的疲劳极限。
按此法求得在／N＝1处所对应的疲劳极限为σlim＝2550MPa。也就是说在106＜N＜107次寿命范围内，16Cr2Ni2A钢的接触疲劳极限σlim为 2550MPa。图4是采用常规方法测得的16Cr2Ni2A和50CrMoA钢的接触疲劳S—N曲线。50CrMoA钢曾被铁道部戚墅堰工艺研究所用来 制作8K等大功率机车齿轮，但在使用过程中出现齿面剥落等问题。造成这种结果的原因显然是由于50CrMoA钢的疲劳强度仅为2130MPa，远低于 16Cr2Ni2A钢的疲劳强度（2550MPa）的缘故。
图4 接触疲劳S—N曲线
4 结论
（1） 16Cr2Ni2A钢经渗碳并热处理后，其磨损性能优良，无论是在定载还是在变载作用下，其磨损性能都相当稳定，不仅磨损量小，而且磨损率基本保持不变。
（2） 16Cr2Ni2A钢经渗碳并热处理后，具有优良疲劳性能，单齿弯曲疲劳极限为292MPa，接触疲劳极限为2550MPa。这从铁道部8年多的实际使用中未出现疲劳失效的结果也有力地证实了这一点。
