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

汽車工業設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，對于一些關鍵零件，如齒圈和行星齒輪等，強化是生產的最后一道工序。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，使工件表面材料發生彈塑性變形并呈現較高的殘余壓應力。如果只想找一臺強化設備，并不難。但由于設備選擇不當，造成產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雜的工藝技術，并希望找到最合適的設備能滿足他們特定的強化應用和要求。

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；疲勞磨損是在循環應力作用下表面疲勞裂紋萌生和擴展的結果；而腐蝕磨損則是由環境介質的化學作用產生。在實際的磨損現象中，通常是幾種形式的磨損同時存在，而且一種磨損發生后往往誘發其他形式的磨損。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象；擦傷是由于梨溝作用而在摩擦齒面上產生沿摩擦方向的溝痕和磨粒的現象；點蝕是在接觸應力的反復作用下，由于金屬疲勞破壞而形成齒面凹坑的現象；剝落是齒面由于變形強化而變脆，在載荷作用下產生微觀裂紋隨后脫落的現象；裂紋主要是由于交變應力的反復作用或局部應力過高而造成的材料局部破裂的現象。膠合是當粘著效應使表面粘結點具有較高的連接強度時，剪切破壞發生在層內一定深度，而導致兩齒面咬死的嚴重磨損的現象。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象。

2、齒輪表面改性方法

齒輪表面強化技術利用陶瓷、合金涂層或超硬膜本身的高硬度、高粘著強度、低摩擦系數、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，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，不僅節約了成本，還對環境保護和可持續發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用做了開創性的探索研究工作，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，發現鍍覆陶瓷涂層后，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，超過了絕大多數齒輪材料的熱處理溫度，導致金相組織發生改變，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，污染環境等問題。上述原因限制了CVD法制備表面涂層齒輪的應用，對其研究也基本停止。

2.2 物理氣相沉積法

PVD技術作為一種新型的表面改性技術已有多年的實踐，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技術中，真空蒸鍍技術出現較早，但由于膜與基體的結合力不強，多用于裝飾和半導體元件。目前，真空離子鍍技術獲得極大的發展，已廣泛應用在刀具、模具、活塞環等部件的處理上，與真空蒸鍍和濺射鍍等技術相比，離子鍍具有結合性能好、繞射性能好、便于使膜材粒子散射在整個工件表面上、可鍍材質廣、沉積速率快等優點，離子鍍還具有結合強度高、可多元成膜、可精確控制溫度和涂層厚等優點。

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、化學和機械性能發生變化，具有注入離子能量高、注入層與基體結合牢固、處理溫度低等優點，與CVD和PVD相比，PSII技術的處理溫度更低，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。該技術處理溫度低，齒輪不變形，基體的組織也未發生變化。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上的應用。

3、噴丸強化原理和效果

金屬介質（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，在表層下產生一個壓應力，從而抵消不良的拉應力。該殘余壓應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，其表面接受連續丸粒撞擊、亦可將殘余奧氏體轉化為馬氏體。這回增加材料的硬度，形成壓應力。就齒輪而言，最大的剪切應力出現在齒根部和齒輪過渡區圓角半徑處。兩個齒面，主動面和從動面都承受不斷增加的負載。

3.1 工藝參數分析

無論哪種強化技術，目的都是要取得一個持續恒定、可重復的強化強度。因此，必須了解工藝過程中，哪些關鍵變量會影響到最后的強化結果，包括：離心力式拋丸強化、拋頭、拋頭轉速、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：拋頭直徑決定了鋼丸介質被一定角度拋射出去時的速度。拋頭是由變頻機直接驅動的，通過改變電機的頻率可以改變拋頭的轉速，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。對于復雜的齒輪強化，通常在一個封閉環路，通過一個比例調節器監控噴嘴壓力。任何偏離預先設定的壓力值，系統就會發出警報，指示關閉機器。噴嘴的尺寸大小決定了鋼丸介質被噴射到零件表面的數量。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自由移動，該機械手在伺服驅動系統和動態控制器協助下，操縱噴嘴的移動，讓噴嘴走向沿零件的外緣和內部路線。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，各個噴嘴位置設定很關鍵，才能達到理想的齒輪、齒圈強化效果。

4、結束語

強化工藝在過去幾年里發展迅速，應用范圍也越來越廣。最早運用于飛機起落架齒輪強化的工藝現在也普遍應用于處理過程同樣復雜且精確度要求高、可重復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，對工藝參數實施同步監控，增強了系統的柔性程度，以獲得理想的零件強化效果。現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，能將兩種技術優勢進行結合，以滿足其特定的生產加工要求。

[1]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,2013