關于齒輪表面強化技術分析

摘 要：在一系列機械傳動系統中，齒輪發揮著十分關鍵的作用，是一類不可或缺的部件，所以，保證齒輪具有良好性能也便顯得尤為重要了。本文將基于齒輪表面強化技術展開相應的分析，包括傳統技術、新技術以及復合技術等，以期為齒輪表面強化工作提供一些有益的參考。

關鍵詞：齒輪；表面；強化技術

1.齒輪表面強化概述

隨著應用環境的日益復雜，人們對齒輪表面性能提出了更高要求，不僅要求其具有一定的硬度、耐磨性，還要求其具有理想的心部韌性以及抗腐蝕性等。傳統技術（滲碳等）開始難以滿足實際需要，新的齒輪表面強化技術（如激光加熱表面淬火技術、噴丸技術、表面鍍膜技術等）陸續出現，并得到了廣泛應用。

2.齒輪表面強化技術

2.1.傳統技術

以滲碳技術為例。對于汽車用齒輪而言，其制作工藝相對簡單，絕大部分以普通低碳鋼、低碳合金鋼這兩種鋼材為原材料，先經過滲碳淬火處理，再經過低溫回火處理制作而成。滲碳工藝通常在920-930℃這一溫度條件下進行[1] ，能夠在一個相對較短的時間內使得滲層達到既定深度。接下來，先予以淬火處理，在經過低溫回火處理，便能夠在齒輪表面形成一層高碳馬氏體，不僅強化了齒輪表面硬度，還提高了齒輪表面的耐磨性。至于心部則為低碳馬氏體，從而使其具有足夠的韌性。在齒輪表面強化處理中，滲碳技術得到了廣泛應用。需要指出的是，滲碳技術具有一系列難以克服的缺點，如需要較高的處理溫度，容易導致工件變形，無法獲得較高的表面精度等，上述缺點的存在使得該技術的實際應用存在一定的制約。當齒輪對自身表面硬度要求一般時，往往不采用該表面處理技術。

2.2.新技術

2.2.1.激光加熱表面淬火技術

該技術誕生于上世紀七十年代，其代表性的應用為美國通用汽車公司采用這一技術對動力轉向變速箱的內表面予以處理。到上世紀八十年代中后期，激光加熱表面淬火技術已經較為成熟，無論是理論發展，還是實際應用，均獲得了空前發展。所謂激光表面加熱淬火技術指的是，將激光有效地聚集在一起，然后對相應的工件進行加熱，使其表面組織在極短時間內轉變成奧氏體，自行冷卻并最終在工件表面形成馬氏體淬硬層。對齒輪表面進行強化時，如果采用的是傳統技術，那么在沿齒廓方向上通常無法形成呈均勻分布狀態的硬化層，然而，采用激光加熱表面淬火技術卻能夠很好地實現上述目的，除保證淬硬層呈均勻分布狀態外，還能使其具有一個較高硬度。

2.2.2.噴丸技術

所謂噴丸技術指的是，利用相應的機械手段向工件表面施加一定的壓力，使其受壓變形，借助形變這種方式于工件表面生成硬化層（其深度范圍通常為0.5-1.5mm）[2]。噴丸技術能夠有效提高工件表面硬度以及強度，因而在金屬表面改性加工中獲得了廣泛應用。在科學技術的帶動下，新的噴丸工藝不斷涌現，主要包括：一、激光噴丸。該技術能夠實現對參數的有效控制，但存在殘余應力偏大的缺憾；二、高壓水射流噴丸。該技術有效解決了殘余應力分布問題，因此，能夠使得工件具有一個良好的周期抗疲勞強度；三、微粒沖擊。該技術借助微小彈丸的沖擊以完成表面處理工作，能夠大幅提高工件表面的實際硬度，與此同時，不會出現表面粗糙度過大的問題；四、超聲噴丸。可對材料表面進行納米化處理，還有助于氮化溫度的有效降低。噴丸技術不僅能夠大幅強化工件的抗疲勞性能，還能夠明顯提升工件的抗腐蝕以及抗開裂能力，所以，在汽車齒輪表面強化方面得以廣泛應用。

2.2.3.表面鍍膜技術

在生產技術不斷提升的帶動下，工業領域對薄膜所具有的性能提出了更高的要求，一方面要求膜、襯底之間具有良好的附著性，另一方面要求膜具有理想的硬度，同時還應具有厚度較深的特點。為實現上述要求，基于傳統沉積技術的離子鍍膜技術應運而生。所謂離子鍍膜技術指的是，在化學氣相沉積領域有機引入低壓氣體放電技術，借助直流電場，或者是高頻電場，又或者是微波場，給反應氣體施加應的作用，使其發生輝光放電。在那些具有低溫性質的等離子體中，高能電子、反應氣體這兩種物質將會發生一系列非彈性碰撞，如此一來，導致反應氣體分子發生電離或者激發效應，從而減少了化合物形態轉化過程中所需要的能量，使得反應溫度得以進一步降低，當溫度降低時，便能夠于工件表面形成理想的化合物涂層。

該技術的優勢：一、鍍膜操作時不需要過高溫度，僅為500℃左右[3]，如此一來，使得可用基材的選擇范圍得以大幅拓寬；二、形成的鍍層不僅涂覆均勻，而且性能穩定，另外，技術支持工業化生產；三、對于離子體而言，其滲、鍍工藝能夠同爐完成，從而有效簡化了工藝，使得效率得以明顯提高；四、其薄膜成分具有良好的可控性，因而便于梯度沉積的實現。由于具有上述優點，該技術在那些對耐磨性有著較高要求的齒輪表面處理上得到了良好的應用。

2.3.復合強化技術

以傳統技術和新技術的結合應用為例。對工件予以“等離子滲氮+類金剛石膜”復合強化處理之后，無論在表面硬度方面，還是在膜/基結合強度方面，又或者是耐磨性能方面，均明顯強于僅采用鍍類金剛石膜的那一類工件。氮化處理之后，將會于鋼表面生成一定深度的硬化層，該硬化層為類金剛石膜提供了一個良好支撐體。硬化層硬度的大幅增加，使得類金剛膜表面、鋼基體之間存在一個明顯的硬度梯度，如此一來，使得材料表面獲得了更為優異的性能，如良好的耐腐蝕性等。類金剛膜能夠有效強化工件表面的抗磨損性能。這種復合強化技術能夠對齒輪表面性能，尤其是耐磨性產生積極改善，所以，在齒輪表面強化方面具有理想的應用前景。

3.結束語

目前，在齒輪表面強化方面，復合強化技術具有十分明顯的優越性，因而獲得了人們的普遍認可。越來越多的專家、學者開始致力于該領域的研究，相信不久的將來，復合強化技術將會在齒輪表面強化領域發揮出更大的作用。

參考文獻：

[1] 盧金生，陳國民. 滲氮齒輪與滲碳齒輪的技術及經濟性對比[J]. 金屬熱處理. 2010（03）.

[2] 侯惠君，代明江，林松盛，張姣姣. H13鋼等離子滲氮-類金剛石膜（DLC）復合處理的性能研究[J]. 材料研究與應用. 2010（01）.

[3] 周永權，趙洋，王璞. 表面強化技術的研究及其應用[J]. 機械管理開發. 2010（05）.