齒輪齒面強化方法概述

張禹 閆巍

沈陽機床股份有限公司齒輪分公司 遼寧沈陽 110142

齒輪齒面強化方法概述

張禹 閆巍

沈陽機床股份有限公司齒輪分公司 遼寧沈陽 110142

汽車工業(yè)設(shè)計工程師們已普遍利用噴丸強化工藝來提高傳動零部件的使用壽命。通常，零件在熱處理后進行噴丸強化，對于一些關(guān)鍵零件，如齒圈和行星齒輪等，強化是生產(chǎn)的最后一道工序。文章重點就齒輪齒面強化方法進行了研究和分析。

齒輪齒面；齒面磨損；強化方法

強化就是高速噴射的鋼丸顆粒撞擊金屬零件表面，使工件表面材料發(fā)生彈塑性變形并呈現(xiàn)較高的殘余壓應(yīng)力。如果只想找一臺強化設(shè)備，并不難。但由于設(shè)備選擇不當，造成產(chǎn)品的早期傳動失效和必須全部回收的巨大損失，讓很多齒輪制造商們痛定思痛后，不得不重新審視這個聽上去并不復(fù)雜的工藝技術(shù)，并希望找到最合適的設(shè)備能滿足他們特定的強化應(yīng)用和要求。

1、齒面磨損失效的形式與原因

齒輪的磨損劃分為四個基本類型：磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。磨粒磨損主要是梨溝和微觀切削作用；粘著磨損與表面分子作用力和摩擦熱密切相關(guān)；疲勞磨損是在循環(huán)應(yīng)力作用下表面疲勞裂紋萌生和擴展的結(jié)果；而腐蝕磨損則是由環(huán)境介質(zhì)的化學作用產(chǎn)生。在實際的磨損現(xiàn)象中，通常是幾種形式的磨損同時存在，而且一種磨損發(fā)生后往往誘發(fā)其他形式的磨損。齒面磨損主要是由接觸的兩齒面的相對滑動引起的齒面耗損現(xiàn)象；擦傷是由于梨溝作用而在摩擦齒面上產(chǎn)生沿摩擦方向的溝痕和磨粒的現(xiàn)象；點蝕是在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，由于金屬疲勞破壞而形成齒面凹坑的現(xiàn)象；剝落是齒面由于變形強化而變脆，在載荷作用下產(chǎn)生微觀裂紋隨后脫落的現(xiàn)象；裂紋主要是由于交變應(yīng)力的反復(fù)作用或局部應(yīng)力過高而造成的材料局部破裂的現(xiàn)象。膠合是當粘著效應(yīng)使表面粘結(jié)點具有較高的連接強度時，剪切破壞發(fā)生在層內(nèi)一定深度，而導致兩齒面咬死的嚴重磨損的現(xiàn)象。由于齒輪工作工程中，多種影響因素共同作用，因而也可能同時存在幾種的磨損損傷現(xiàn)象。

2、齒輪表面改性方法

齒輪表面強化技術(shù)利用陶瓷、合金涂層或超硬膜本身的高硬度、高粘著強度、低摩擦系數(shù)、良好耐腐蝕性等特點，采用電阻加熱、離子束、激光束等能源作為蒸發(fā)源或濺射源，在齒輪表面涂敷一層或多層涂層，以提高齒輪表面硬度，降低摩擦系數(shù)，增加耐磨性，延長齒輪使用壽命。利用涂層的這些特性，有望用水基代替油基潤滑，不僅節(jié)約了成本，還對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展有著十分重要的意義。

2.1 化學氣相沉積法

筆者對涂層在齒輪上的應(yīng)用做了開創(chuàng)性的探索研究工作，用CVD法沉積TiC或TiN陶瓷膜，通過在有潤滑油和干摩擦的條件下，分別研究其摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)鍍覆陶瓷涂層后，齒輪副的抗咬合性和抗劃傷能力都得到大幅強化。受條件所限，當時使用的CVD技術(shù)缺點也十分明顯，即處理溫度過高，通常保持在900-1100℃范圍，超過了絕大多數(shù)齒輪材料的熱處理溫度，導致金相組織發(fā)生改變，整體硬度下降，需在表面改性處理后對齒輪重新淬火，增加了成本，尺寸精度也難以控制；且在高溫下，基體材料晶粒長大，滲碳層形成氧化脫碳層，導致零件耐摩抗磨性能下降；還存在著滲碳時間長，能量消耗大，污染環(huán)境等問題。上述原因限制了CVD法制備表面涂層齒輪的應(yīng)用，對其研究也基本停止。

2.2 物理氣相沉積法

PVD技術(shù)作為一種新型的表面改性技術(shù)已有多年的實踐，其工藝處理溫度可控制在5000C以下，解決了CVD法無法克服的高溫軟化問題。在PVD技術(shù)中，真空蒸鍍技術(shù)出現(xiàn)較早，但由于膜與基體的結(jié)合力不強，多用于裝飾和半導體元件。目前，真空離子鍍技術(shù)獲得極大的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用在刀具、模具、活塞環(huán)等部件的處理上，與真空蒸鍍和濺射鍍等技術(shù)相比，離子鍍具有結(jié)合性能好、繞射性能好、便于使膜材粒子散射在整個工件表面上、可鍍材質(zhì)廣、沉積速率快等優(yōu)點，離子鍍還具有結(jié)合強度高、可多元成膜、可精確控制溫度和涂層厚等優(yōu)點。

2.3 離子注入法

PSII就是將幾萬至幾十萬電子伏特的高能離子注入到齒輪表面，使材料表面層的物理、化學和機械性能發(fā)生變化，具有注入離子能量高、注入層與基體結(jié)合牢固、處理溫度低等優(yōu)點，與CVD和PVD相比，PSII技術(shù)的處理溫度更低，可控制在1200C對20CrMo鋼齒輪進行表面強化處理，提高表面硬度和耐摩抗磨性。該技術(shù)處理溫度低，齒輪不變形，基體的組織也未發(fā)生變化。其缺點是注入層深度不足，厚度僅達0.35～1.5μn，這也限制了其在齒輪表面強化技術(shù)上的應(yīng)用。

3、噴丸強化原理和效果

金屬介質(zhì)（鋼丸或切絲丸）高速撞擊零件表面，造成表面塑性變形。這一影響延伸到材料表層，在表層下產(chǎn)生一個壓應(yīng)力，從而抵消不良的拉應(yīng)力。該殘余壓應(yīng)力延緩了疲勞斷裂的形成，從而延長零件的安全使用壽命。齒輪熱處理后，其表面接受連續(xù)丸粒撞擊、亦可將殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體。這回增加材料的硬度，形成壓應(yīng)力。就齒輪而言，最大的剪切應(yīng)力出現(xiàn)在齒根部和齒輪過渡區(qū)圓角半徑處。兩個齒面，主動面和從動面都承受不斷增加的負載。

3.1 工藝參數(shù)分析

無論哪種強化技術(shù)，目的都是要取得一個持續(xù)恒定、可重復(fù)的強化強度。因此，必須了解工藝過程中，哪些關(guān)鍵變量會影響到最后的強化結(jié)果，包括：離心力式拋丸強化、拋頭、拋頭轉(zhuǎn)速、拋射速度、拋射角度。以上這些工藝變量都會影響強化最終效果：拋頭直徑?jīng)Q定了鋼丸介質(zhì)被一定角度拋射出去時的速度。拋頭是由變頻機直接驅(qū)動的，通過改變電機的頻率可以改變拋頭的轉(zhuǎn)速，從而改變鋼丸拋出的初速度。拋頭通常都被永久地固定在拋丸室的特定位置，但可以通過調(diào)整定向套的位置，來改變拋射方向。定向套的位置最終決定了鋼丸被拋頭拋射出去的角度。

3.2 直接壓力式噴丸強化

噴丸強化中的噴射壓力類似于拋丸強化中的拋頭速度。壓力越大，強度越大。對于復(fù)雜的齒輪強化，通常在一個封閉環(huán)路，通過一個比例調(diào)節(jié)器監(jiān)控噴嘴壓力。任何偏離預(yù)先設(shè)定的壓力值，系統(tǒng)就會發(fā)出警報，指示關(guān)閉機器。噴嘴的尺寸大小決定了鋼丸介質(zhì)被噴射到零件表面的數(shù)量。對于噴丸強化工藝，最重要的因素就是要取得精確的方向性，目標準確，鋼丸被無誤差地打到零件表面指定點，且達到所需的強度。安裝在多軸機械手上的噴嘴可實現(xiàn)自由移動，該機械手在伺服驅(qū)動系統(tǒng)和動態(tài)控制器協(xié)助下，操縱噴嘴的移動，讓噴嘴走向沿零件的外緣和內(nèi)部路線。沿行星齒輪和齒輪圈的輪廓進行噴射，達到均勻一致、重復(fù)性高的強化效果。當同時對一組行星齒輪和齒圈進行強化，必須特別注意，它們齒根角度是不同的，因此，對于噴丸強化，各個噴嘴位置設(shè)定很關(guān)鍵，才能達到理想的齒輪、齒圈強化效果。

4、結(jié)束語

強化工藝在過去幾年里發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍也越來越廣。最早運用于飛機起落架齒輪強化的工藝現(xiàn)在也普遍應(yīng)用于處理過程同樣復(fù)雜且精確度要求高、可重復(fù)性強的汽車齒輪強化，目的是提高齒輪疲勞強度和壽命能力。利用精密的自動化控制系統(tǒng)，對工藝參數(shù)實施同步監(jiān)控，增強了系統(tǒng)的柔性程度，以獲得理想的零件強化效果。現(xiàn)在很多汽車工程師不再局限于單一的拋丸強化或噴丸強化，他們開始傾向混合式的系統(tǒng)，能將兩種技術(shù)優(yōu)勢進行結(jié)合，以滿足其特定的生產(chǎn)加工要求。

[1]陳國民.滲氮齒輪與滲碳齒輪的技術(shù)及經(jīng)濟性對比[J].金屬熱處理,2013