读GE减速器关于热处理工艺的笔记

苍狼大地

看零侠热处理系列，对一些原理性的东西有了一些认识了。结合看过的分析案例看，慢慢找到一点感觉了，很过瘾。也把自己看的，还有想的一点东西贴出来，期待和大家一起讨论，共同进步。

最近在读分析GE轮边减速机的资料，针对GE的齿轮的热处理，有下面的论述，很有意思。琢磨这些大公司的设计，一个感觉，很深，里面的料太足了，每一个设计细节都可能有门道，值得细细品味。现在理解不够深，不过读了点东西后，随着认识加深，理解还能不断加深。还好受八爷熏陶久了，对某些方向有敏感性，以前读的时候读过就过了。

这个是早期的GE788减速轮的设计，1996年以后基于788又推出了GE240AC（针对不同载荷有产品系列化发展，GE775 → GE150AC。。。），寿命和可靠性上应该又有了进一步提升，有了解的大侠（@2266998，）在不泄密的前提下能不能给讲讲，学习学习。

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太阳轮、大行星轮、小行星轮的热处理：

材料：低碳合金钢。因为美国富镍国家，为满足最佳强度和韧性要求，GE采用的是高强度的高Cr-Ni低碳合金钢，4820H/4620H，类似于20Cr2Ni4A等。国内最常用的渗碳钢应该就是20CrMnTi了。
          ※ 加深了感觉，渗碳一般适用于低碳钢或低碳合金钢。不知道对于合金元素如Cr, Ni，Mo这些合金元素对渗碳工艺的影响有没有什么认识？
          ※ 看有资料上说，Cr,Mo,Mn高的合金钢，气体渗碳时，容易发生晶界氧化而不完全淬火，疲劳强度降低或渗碳层剥离。对于晶界氧化理解不到位，不知道大伙有没有什么见解？是否发生晶界氧化和内氧化，是否取决于合金元素与O结合的难易程度？而这个难易程度有没有什么规律？

工艺：渗碳淬火、渗碳前调质预备热处理，表面硬度要求58~62HRC，心部硬度38~41HRC。
          ※ 渗碳淬火和感应淬火对于满足表面硬度要求的角度来说，是否存在差异？比如对于同一个硬度要求，选择渗碳淬火还是感应淬火，是否就主要考虑材料、生产设备要求等，对两者应用上的区别不是很清晰，希望一起探讨。

关键控制项目：
1. 渗碳浓度：
          — 碳浓度推荐值0.8%~0.95%。
          — 对于承载平稳、要求耐磨和抗麻点剥落的齿轮，碳浓度选上限。
          — 承受冲击载荷的齿轮，碳浓度走下限。
2. 渗碳层深度：
          — 深度浅或过渡层硬度不足 → 接触疲劳破坏，早期失效。
          — 表面碳浓度和深层组织完全相同的情况下，增加渗碳层深度可提高齿轮疲劳强度。
          — 渗碳层太厚，影响抗冲击能力。
          ※ 渗碳层深度多少应该如何确定？通过使用性能、外力造成的应力分布来确定，然后通过控制渗碳温度和渗碳时间来得到要求的渗碳深度？
3. 心部硬度：
          — 偏高 → 心部韧性不足，冲击载荷下容易断齿。
          — 偏低 → 心部强度不足，对硬脆的渗碳层缺乏足够支撑 → 早期疲劳点蚀、深层碎裂或剥落
4. 碳浓度梯度：
          — 应该下降越平缓越好 → 渗层与心部的结合越牢固。
          — 下降太陡 → 相邻组织间的碳含量差距大，应力变化不均 → 使用过程中，渗层大块剥落，早期失效。
          ※ 碳浓度梯度用什么来衡量？以前见过是衡量产品的硬度梯度，沿零件的渗碳方向切开，渗碳深度方向打显微硬度，然后作图，看硬度梯度的过渡。
总结：控制热处理工艺参数，使齿轮齿角碳化物级别、表面硬度、齿轮表面金相组织及渗碳层、心部硬度等在最佳组合状态。

zerowing

关于齿面的一点个人观点。
齿面是不是可以软，这点上我一直持否定态度。也就是，不应软。齿面的软硬不单是一个负载问题。并非说负载低了，或者为了保证抗冲击能力就把齿面做软。这种表面性的理解是不合适的。
抗冲击本质上要求的是缺口韧性和断裂韧性。而不是硬还是软。硬度高，但韧性依旧很高，就没有降低硬度的需求。只有当增高硬度会带来降低韧性提高脆性时，才应考虑降低硬度。以透镜马为主的耐磨组织，因为存在脆性，所以可以考虑降低硬度提高韧性保证耐冲击性。但，不能含混地理解为降低硬度。

zerowing

看8爷的回复甚是痛快,一下子又能串起来很多东西。包括回复侯侠的化学键和能量脆性的问题，顿时想起了关于晶格和键能之间的部分。离子键呈高脆性，共价无塑性，金属呈韧性。配合晶格类型导致的不同致密度，约摸着能体会理解一些材料的性能差异成因。
另随手查了查，富镍国家靠前的，是澳大利亚（怪不得8爷总提澳矿。。）新喀里多尼亚，巴西，俄罗斯，古巴，印尼，南非，加拿大，中国。老米还真算不上富镍。按照很多老人的说法，国内因为镍的价格较高，一直以来的传统是使用铬、锰等材料代替镍，这大概是8爷说得“凑合”吧。
至于晶界氧化，主要是铬，锰材料在加热中的扩散效应。也就是氧原子沿晶界扩散时，铬锰会主动扩散到晶界位置与氧结合，形成氧化物。这点上看，最终还需要理解扩散的那个梯度问题。也应考虑其他元素导致的原子化学为升高问题。
渗碳和表面淬火本质上有差别，这个已经说了。表面淬火主要对已经有一定含碳量的材料应用，使得表面形成马氏体强化，但这个过程中，时间短，扩散效应低，最终强度只取决于原始组织中的碳含量。对于，含碳量不足的钢来说，表面淬火硬度就会不足。另外，一般中碳钢的表面淬火难以形成硬度和耐磨性更高的渗碳体。而渗碳不同，他可以认为控制产生一个碳浓度梯度，从而使表面处于高碳状态，再淬火后便能得到更高硬度和耐磨性的表面。
至于齿轮上的应对不同载荷的要求，就是强度和韧性的处理问题。冲击对应的是脆性，因此需要能吸收更多能量的韧性键。而强度则要求有更高键能的离子和共价键。最终要将这些协调搭配起来。个人理解，这个协调就需要考虑软态粘接和硬态支撑的配比。

2266998

读书还是好，初期，都是按人家思路走，首先知道人家怎么玩，之后才有自己想法，

材料含不含镍，是个很大问题，尤其齿轮材料，特别是小齿轮，含镍与不含镍寿命也许差几倍，镍不仅提高强度，在提高强度的前提下，抗冲击，耐表面磨损，耐表面压力性能都好，尤其发生表面剥离的倾向大幅减小，国内对这个认识不足，

齿轮的损坏，轮齿强度不足的，直接可能就呜呼了，能用到2000小时损坏的，都不是齿弯曲强度问题，都是根部疲劳与表面剥离导致的破坏，最终折断，这个要加强学习，

锰钛系，怎么折腾都比不得镍系，米国早有结论，米国也不是多镍国家，小鼻子根本没有镍，但其都用镍系，就是‘不凑合’，

渗碳这个东西，学问特别深，几乎无法讲透，要说的话太多了，核心问题就是我多次讲到的‘梯度’，这是核心的核心，GE为什么玩的好，就是这个理解的好，但为什么GE有这个深刻认识，我也没有确切资料，反正比西门子协作齿轮厂家要厉害，事实是米国齿轮比德国齿轮寿命长，我读过这俩国家的理论，不完全一样，早年谢尔曼的传动系统可以跑5000公里，德国望尘莫及，就跟梅赛发动机从来没有玩过RR一样，差距吧，

国内这些齿轮，好好玩，大概跑5000没大问题，上7000就要特认真玩，到10000的可能性比较小，现阶段跑12000-15000几乎没有可能，

读热处理，要非常深的读，有闲暇了读一些，慢慢理解，我体会就是这个，读到扩散，就理解梯度，理解了梯度，就懂了‘支撑层’，懂支撑层，就能谈‘表面疲劳’，这是个逻辑关系，这个环节可以描述一遍，大概就懂50%的热处理，那另外的50%, 哈哈，我都不敢说多了，哈哈

2266998

我都是教人家学基础，基础学到一个程度，能系统性谈一个问题，谈连贯了，你谈到一个程度的时候，对方那家伙就会说‘把资料拿上来’，

哈哈，我遇到许多次这个情况，包括玩水下的东西，说到一个程度，人家就把东西拿上来了，比你想要得到的‘细节’还要多，

我玩东西，历来不关心什么详图，零件图，不考虑这个，要画图的时候，人有的是，都没有问题，许多特详细的技术数据，到你真需要的时候，他们都有，

国内，其实很多特详细的数据都有，我原来认为没有的东西，其实都有，哈哈，

你看运十是怎么来的，我们与老熊手里都有SR71的发动机，就是到了最关键细节的时候，大家不知道那数据怎么用，这才是中、熊的问题，你知道那数据是干吗的，许多人家都肯给你，

野马

关于渗碳钢表面渗碳与调质钢表面淬火，我也一直很有疑问，

zerowing

2266998 发表于 2016-8-8 16:50
我都是教人家学基础，基础学到一个程度，能系统性谈一个问题，谈连贯了，你谈到一个程度的时候，对方那家伙 ...

感谢8爷指点。
之前看书的时候有一个理解，但不知对不对。正好这里请教下8爷。
以齿轮表面来说，整个啮合过程可以视为一种连续的线接触的滚动（以直齿为例）。而在这个滚动的过程中，如果只考虑一个无相对滑动的状态，那么存在一种情况，即两齿啮合线位置先挤压传递力，随后挤压力撤去，线接触脱离。而在这个脱离的过程中，也一定存在一个因分子或原子间距离过近产生的拉应力，这个拉应力会协同之前的压应力形成疲劳循环应力，久而久之，会在齿面形成疲劳破损。因此，为了缓解这个情况，既需要有一层油膜隔开两齿面金属材料的结合力，又需要齿面本身有足够的强度，以提高疲劳极限。
而支撑，就是要强化这个足够的疲劳极限的同时，强化累积低能量冲击产生的微观断裂。所以，一个强度，一个支撑都十分重要。
不知道我这么理解是否正确。还请8爷斧正。

无知

这个帖子看的十分爽快，认识到了一些东西

aysuio

哈哈，俺倒是想插话，下不去嘴，下去了等于抽自己嘴巴子。

很是好帖。俺现在问题甚至还没有触及齿轮。公司玩压力容器，我要抓紧时间把传热设计搞定，结构设计搞定，ASME BPVC CODE 搞定。再进入材料方面。自己实在太菜了。

图图

zerowing 发表于 2016-8-8 22:39
看8爷的回复甚是痛快,一下子又能串起来很多东西。包括回复侯侠的化学键和能量脆性的问题，顿时想起了关于晶 ...

大侠，我看到做轴时要么用45钢要么用42CrMo，不用40Cr是因为晶界氧化吗？