渗碳淬火齿轮件的硬化层深设计与控制

mm的圆柱齿轮，轴颈部直径约为64 mm，要求齿
部的硬化层深为0.84~1.34 mm，轴颈部的残余硬化
层深为0.62 mm；根据检测的经验数据，热处理后 其半齿高处的硬化层深比轴颈处的硬化层深要深0.2 mm左右。由于该零件热后轴颈部大约有0.20 mm的 磨削余量，要保证最终零件符合图纸要求，其齿部 硬化层深的下限控制值应为1.02 mm（轴颈部残余 硬化层深下限0.62 mm+0.20 mm磨削余量+差异层 深0.2 mm），而并非图纸标识的0.84 mm，所以对 于此类零件，其热处理硬化层深的控制值要偏向上 限值控制。对于有多项条件要求的零件，要认真分 析、多做试验、积累数据，不能想当然认为某一项 满足要求了，其余项也满足。
接触疲劳、弯曲疲劳两大失效方式都可以造成裂 纹的萌生与扩展，与有效硬化层深密切相关。接触疲 劳失效比较典型的有点蚀、表面剥落。弯曲疲劳失效 的方式有轮齿折断等。齿轮在工作过程中，要不断受 到交变的接触应力和剪切应力的作用，在齿轮的表层 会产生一个破坏应力场。而渗碳淬火后的齿轮，由于 表层和心部的碳浓度不同，淬火相变后在表层会产生 一个较大的、相对稳定的压应力场。硬化层深设计的 原则是：渗碳淬火后产生的压应力场能够抵消受到的 破坏应力场。依据国外的设计经验，硬化层深的原则 设计与齿轮的模数有较大的关系，表1给出了部分国 家的设计标准。
2 硬化层深的设计和控制原则
2.1 有效硬化层深的概念 齿轮渗碳层深最早的测量方法是用金相法测
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定零件的化学层深，这种方法比较真实地反映零件 的渗碳过程的状况，但对于淬火冷却过程无法真实 反映（即化学层深相同的零件其硬化层深不一定相 同），只有有效硬化层深才能真实地反映零件的渗 碳淬火质量。因此，为与国际标准接轨，我国的新 标准将有效硬化层深作为测量零件渗碳层深的指定 方法。有效硬化层深是指从零件表面到维氏硬度值 为550 HV处的垂直距离（测定硬度所需的试验力为 9.807 N）。 2.2 硬化层深的设计
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表1
国家
美国ANSI/ ACMA2004
美国ANSI/ ACMA2001
英国 BS公司
德国DIN3990
模数/mm 层深/mm
1.45～1.85 0.25～0.50
设计标准
1.85～2.45
2.45～3.00
0.38～0.64
2.3 热处理工艺过程对硬化层深的控制
针对热处理渗碳环节，其对硬化层深的控制要综
合考虑各种因素。对于一般的片状齿轮而言，齿轮的
硬化层深检测部位有两处，一处是齿面的半齿高处；
另一处在齿根圆角处，而且规定齿根圆角处的硬化层
深不得小于半齿高处硬化层深下限值的70%。因此对
于热处理后有磨齿工序的零件，热处理渗层的控制范
另据资料提供的经验公式也可作为齿轮硬化层深
设计的参考：
t≥(31a ·sinαt·δ max·u )/〔HV·cosβb·(u
±1)2〕
（1）
式中，t 为渗碳层的最小深度，mm；a 为相啮合齿
轮 副 的 公 称 中 心 距 ， m m ；α t 为 齿 轮 端 面 啮 合 角 ， （°）；δ max为最大接触应力，MPa；u 为相啮合 齿轮副齿数比（z 2/z 1）；HV为齿面渗碳层的维氏硬 度；βb为基圆螺旋角，（°）；小括号中的“+”用 于外啮合，“-”用于内啮合。
围需加大，即将磨削量考虑在内，否则最终零件的硬
化层深可能低于图纸要求。
对于热处理后齿部不需要磨削加工的轴齿类
零件，由于其轴颈部一般都有明确的硬化层深要求
（且轴颈部一般热后都要磨削加工），而且同一
个零件渗碳淬火热处理后，由于不同部位形状的不
同、冷却状况的差异，导致不同部位的硬化层深有
显著的差异。比如某一轴齿零件，齿部为模数4.0
一般的设计图纸表示的硬化层深是一个范围， 所体现的也是零件的最终成品的技术要求。由于 要考虑热处理后的工序、零件的几何形状、零件 的受力使用状况等因素，在实际生产过程中的层 深控制范围可能与图纸有偏差，控制好热处理 工序的硬化层深范围、满足图纸成品件的技术要 求、使零件获得最佳的力学性能，也是热处理工 作者的重要任务。
化、高效化做出贡献。
另外，在各项技术指标符合图纸要求的前提
下，可以尽量将硬化层深控制在中下限范围，一方
面是从节能方面考虑；另一方面考虑如果一次热处
理后零件不合格，可以为重新热处理预留一定的渗
层空间。
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渗碳淬火齿轮件的硬化层深设计与控制
齿轮件硬化层深太浅不能抵消破坏应力，太深将会增加零件脆性，将齿轮件的硬化层深设计在 一个合理的范围，可以更好地发挥其综合力学性能。在实际的齿轮热处理生产控制环节中，应结合 图纸要求、加工过程、经验数据等具体因素，考虑调整范围，将其硬化层深控制在合适的范围内。
0.50～0.70
3.00～3.40 0.64～1.0
到50
HRC处最小硬化层深h =0.264
693×P
-1.124 n
81×25.4
（mm），Pn为法向径节
t=（0.18～0.26）mn 式中，mn=1.27～6.35 mm；t为全硬化层深，mm t=0.25 mn 式中，t为全硬化层深，mm
3.90～4.90 0.76～1.27
对于有两种以上模数轮齿的齿轮，依据国外专业 公司的标准，应首先满足大模数齿轮的层深要求，因 为大模数轮齿承载较大。
3 结束语
随着国际标准化时代的来临，国外机械传动领
域的龙头公司，对各自行业的齿轮件的硬化层深设计
均有较为成熟的行业标准，国内企业可以参考学习这
些标准，为中国汽车行业零部件产品的标准化、国际
陕西法士特齿轮有限责任公司 李新斌 张晓田
1 问题的提出
通过对齿轮采用渗碳淬火的化学热处理方式 来提高齿轮件的综合力学性能工艺，在工程机械 领域得到了最广泛的应用。渗碳淬火后的齿轮， 表面具有较高的强度与硬度，而心部又有一定的 韧性，齿轮轮齿的抗失效能力大为提高。而齿轮 的硬化层深的设计与齿轮的疲劳极限密切相关， 选择合理的硬化层深可以提高齿轮的承载能力， 延长齿轮使用寿命。