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16Cr2Ni2A高速重载机车齿轮钢磨损、疲劳性能的研究

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8K6GFSS5SS6BSS7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20CrMnMo50CrMoA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。

1 试样的化学成分(质量分数%)及常规力学性能

<DIV>

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

σs
MPa

σb
MPa

δ5(%)

ψ(%)

AKJ

0.15

0.23

0.41

0.019

0.018

1.51

1.56

≥650

1072

16

56

96

</DIV>


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180rmin200rmin,相对滑差δ10%。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Z21,模数m9.1,齿宽b7mm,压力角α25°,表面粗糙度Ra0.8,表面硬度6162HRC
  接触疲劳试验条件为滑差δ10%,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5mm20mm

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。

图片1.jpg

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70kg90kg110kg130kg150kg170kg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。

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。

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N1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Na坐标系中进行描点作图,最后用内插法找出对应于N1的那个σ值,该值即为待测材料的疲劳极限。
  按此法求得在N1处所对应的疲劳极限为σlim2550MPa。也就是说在106N107次寿命范围内,16Cr2Ni2A钢的接触疲劳极限σlim 2550MPa。图4是采用常规方法测得的16Cr2Ni2A50CrMoA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。

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。

 


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