18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪不同噴丸處理后的齒根表層應(yīng)力分布

陳永祥， 李 勇， 張金夢

(重慶齒輪箱有限責(zé)任公司， 重慶 402260)

18CrNiMo7-6鋼是制造滲碳淬火硬齒面齒輪等核心零部件的材料，該材料經(jīng)過鍛造、滲碳淬火、噴丸處理和精加工后，表面具有高耐磨性、高強(qiáng)度及高疲勞壽命，廣泛應(yīng)用于高速機(jī)車齒輪和風(fēng)電齒輪等領(lǐng)域[1-4]。18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪在制造過程中，熱處理和各種機(jī)械加工易引起不均勻塑性變形、溫度變化和相變等，都會使零件表層應(yīng)力狀態(tài)及分布情況發(fā)生變化。表面殘余應(yīng)力分為殘余壓應(yīng)力和殘余拉應(yīng)力，表面殘余拉應(yīng)力對齒輪齒根的彎曲疲勞性能是有害的，而表面殘余壓應(yīng)力對提高齒輪齒根的彎曲疲勞壽命十分有利。金屬材料在滲碳淬火后進(jìn)行噴丸處理，材料表面經(jīng)過高速鋼丸的撞擊，引起材料表層發(fā)生塑性變形，達(dá)到對金屬材料的組織強(qiáng)化和應(yīng)力強(qiáng)化，使金屬材料表層存在殘余壓應(yīng)力[5]。本文以18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪為研究對象，對18CrNiMo7-6鋼齒輪經(jīng)不同噴丸處理后的齒根表層進(jìn)行應(yīng)力測試及應(yīng)力分布研究。

1 試驗(yàn)參數(shù)與方法

1.1 零件參數(shù)

本試驗(yàn)對18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪零件進(jìn)行解剖取樣，如圖1所示。齒輪的模數(shù)20 mm，壓力角25°，齒寬500 mm，全齒高42 mm，化學(xué)成分如表1所示，滲碳淬火工藝曲線如圖2所示。對滲碳淬火后的組織進(jìn)行檢測，結(jié)果為硬化層深度≥4 mm，殘留奧氏體1級、碳化物3級、心部組織1級、馬氏體2級，晶粒度6級。

圖1 18CrNiMo7-6鋼齒輪尺寸(a)及解剖齒形試樣(b)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the 18CrNiMo7-6 steel gear size(a) and dissected tooth specimen(b)

表1 18CrNiMo7-6鋼的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖2 18CrNiMo7-6鋼齒輪的滲碳淬火工藝曲線Fig.2 Carburizing and quenching process for the 18CrNiMo7-6 steel gear

1.2 試驗(yàn)方案

為了研究18CrNiMo7-6滲碳淬火齒輪經(jīng)不同噴丸處理后的齒根表層應(yīng)力分布，對滲碳淬火后的齒輪進(jìn)行解剖，切割成如圖1(b)所示的齒形試樣，然后分別對齒形試樣齒根處按不噴丸、清理噴丸、3循環(huán)強(qiáng)力噴丸和6循環(huán)強(qiáng)力噴丸共4種方案進(jìn)行處理，具體如表2 所示。對處理后的齒形試樣齒根用XF-1電解拋光機(jī)進(jìn)行電化學(xué)剝層，然后利用X-350A型X射線應(yīng)力測試儀對齒形試樣齒根表面進(jìn)行應(yīng)力檢測，測量方法為同傾固定ψ0法，應(yīng)力檢測采用Cr靶Kα射線，衍射晶面(211)，管電壓 22 kV，管電流6 mA。

表2 18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪試樣的噴丸處理參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 未噴丸齒根的表層應(yīng)力

對未噴丸的18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪齒形試樣(ST1)齒根進(jìn)行表層應(yīng)力檢測，結(jié)果如表3和圖3所示?？梢钥闯?，齒根表層應(yīng)力狀態(tài)均為壓應(yīng)力，最表面殘余應(yīng)力σsrs=-75.9 MPa，隨著深度的增加，殘余應(yīng)力先呈上升趨勢，在距表面深度δm=110～120 μm處達(dá)到最大值σmrs=-256.5 MPa，而后呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。通常情況下，18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪在滲碳時(shí)齒根表層由于碳原子的滲入，表層碳含量大大高于心部碳含量，從而導(dǎo)致心部的Ms比表層高，淬火時(shí)心部首先發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，體積膨脹，而此時(shí)表層仍為塑性較好的奧氏體，受心部體積膨脹而產(chǎn)生塑性變形；隨著齒根進(jìn)一步冷卻，表層溫度達(dá)到表層對應(yīng)的Ms點(diǎn)時(shí)開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，表層體積膨脹，最終在齒根表層形成殘余壓應(yīng)力。

表3 未噴丸處理18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪齒根的殘余應(yīng)力

圖3 未噴丸處理18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪齒根的殘余應(yīng)力Fig.3 Residual stress of the carburized and quenched 18CrNiMo7-6 steel gear tooth root without shot peening

2.2 噴丸齒根的表層應(yīng)力

噴丸的原理是利用高速噴射的細(xì)小鋼丸在室溫下撞擊受噴工件表面，使工件表層材料產(chǎn)生彈塑性變形，形成塑性變形層，工件表面留下細(xì)小凹坑，表層晶粒受到擠壓變形，工件表面不能恢復(fù)到初始狀態(tài)，產(chǎn)生了大量孿晶和位錯(cuò)，因而在表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力場。不同噴丸處理的齒形試樣齒根表面進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測，結(jié)果如表4和圖4所示。由表4和圖4可以看出，清理噴丸(PW1)齒根最表面應(yīng)力σsrs=-367.4 MPa，在表層深度δm=90 μm處達(dá)到最大值σmrs=-827.3 MPa，隨后殘余壓應(yīng)力隨著剝層深度的增加而逐漸減小，在表層深度400 μm處應(yīng)力為-391.9 MPa。3循環(huán)強(qiáng)力噴丸(PW2)齒根最表面應(yīng)力σsrs=-346.5 MPa，在表層深度δm=100 μm處達(dá)最大值σmrs=-990.8 MPa，而后殘余應(yīng)力下降，在表層深度400 μm處應(yīng)力為-436.3 MPa。6循環(huán)強(qiáng)力噴丸(PW3)齒根最表面應(yīng)力σsrs=-353.0 MPa，在表層深度δm=110 μm處到最大值σmrs=-884.0 MPa，而后殘余應(yīng)力下降，在表層深度400 μm處應(yīng)力為-410.8 MPa。

表4 不同噴丸工藝處理18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪齒根的殘余應(yīng)力(MPa)

圖4 不同噴丸工藝處理18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪齒根的殘余應(yīng)力Fig.4 Residual stress of the carburized and quenched 18CrNiMo7-6 steel gear tooth root with different shot peening processes

試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，3種噴丸工藝下18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪齒根表層應(yīng)力存在以下共同點(diǎn)：①齒根表層均為壓應(yīng)力，最表面殘余應(yīng)力σsrs明顯小于最大殘余應(yīng)力σmrs；②齒根表層壓應(yīng)力從表至里均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，最大壓應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在齒根的次表層90～110 μm處。③在表層深度50 μm范圍內(nèi)的殘余壓應(yīng)力增長較快，增長速率基本一致。④噴 丸后齒根表層殘余壓應(yīng)力約是未經(jīng)噴丸處理的4～5倍。

對于噴丸后最表面殘余應(yīng)力σsrs明顯小于最大殘余應(yīng)力σmrs的現(xiàn)象，文獻(xiàn)[6]認(rèn)為目前沒有統(tǒng)一的完美解釋，比較普遍接受的是用赫茲接觸理論來解釋次表層存在最大的應(yīng)力值，但這是依據(jù)彈丸靜態(tài)壓入金屬表面層模型所進(jìn)行的彈塑性力學(xué)計(jì)算結(jié)果，而實(shí)際上噴丸處理是表面承受彈丸循環(huán)的彈塑性形變，因此認(rèn)為表面殘余應(yīng)力σsrs數(shù)值和最大殘余應(yīng)力σmrs數(shù)值均與材料的應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)飽和曲線上的屈服強(qiáng)度有關(guān)。引申而言，表面殘余應(yīng)力σsrs和最大殘余應(yīng)力σmrs與疲勞極限一樣是材料廣義上的屈服。

試驗(yàn)結(jié)果表明，3種噴丸處理中清理噴丸后齒根表層最大殘余應(yīng)力σmrs最小，從表2可以看出這是因?yàn)榍謇韲娡璧膰娡鑿?qiáng)度比強(qiáng)化噴丸的噴丸強(qiáng)度低，同時(shí)清理噴丸目的主要是清除工件表面氧化皮、銹層和雜質(zhì)等附著物。但試驗(yàn)結(jié)果也說明，常規(guī)清理噴丸也能增加滲碳淬火齒輪表層的壓應(yīng)力。另外，同等噴丸強(qiáng)度下3循環(huán)強(qiáng)力噴丸后在表層下100 μm處的最大殘余應(yīng)力σmrs(-990.8 MPa)大于6循環(huán)強(qiáng)力噴丸后在表層下110 μm處的最大殘余應(yīng)力σmrs(-884.0 MPa)。分析認(rèn)為，18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪齒根在強(qiáng)力噴丸下，由于鋼丸的撞擊作用，表層材料因發(fā)生彈塑性形變使壓應(yīng)力在一定深度范圍內(nèi)隨深度的增加而快速增加，在噴丸達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)時(shí)，一定深度范圍內(nèi)的彈性變形層及孿晶位錯(cuò)基本達(dá)到飽和而形成最大壓應(yīng)力，隨著鋼丸的進(jìn)一步撞擊，即循環(huán)次數(shù)的增加，由于零件表層的彈性變形層及孿晶位錯(cuò)已達(dá)飽和而增加得很少，且鋼丸撞擊對工件造成的振動有一定的去應(yīng)力效果，最大應(yīng)力峰值繼續(xù)向深處輕微推移，但最大殘余應(yīng)力σmrs值反而有一定的降低。這也表明，對于強(qiáng)化噴丸，在滲碳淬火齒輪表層殘余應(yīng)力達(dá)到飽和后繼續(xù)增加循環(huán)次數(shù)并不能繼續(xù)提高最大殘余應(yīng)力σmrs。

3 結(jié)論

1) 18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪齒根表面在噴丸前后均為壓應(yīng)力狀態(tài)，從表至里均呈先增高后降低的變化趨勢。

2) 不經(jīng)噴丸處理時(shí)齒根表面的殘余壓應(yīng)力較小，最表面殘余應(yīng)力約為-70 MPa，次表層110～120 μm處殘余應(yīng)力出現(xiàn)最大值，約為-250 MPa。

3) 噴丸能有效提高18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪齒根表層殘余壓應(yīng)力，從表至里呈先增高后降低的變化趨勢。最表層殘余應(yīng)力約為-350 MPa，約為未經(jīng)噴丸處理時(shí)的4～5倍，次表層90～110 μm范圍內(nèi)殘余應(yīng)力出現(xiàn)最大值，為-900～-1000 MPa。

4) 強(qiáng)化噴丸時(shí)，在18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火齒輪表層殘余應(yīng)力達(dá)到飽和后繼續(xù)增加噴丸循環(huán)次數(shù)并不能提高最大殘余應(yīng)力σmrs，反而會有所降低。