表面強化技術在變速齒輪制造過程中的應用研究

陳長秀

(陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300)

表面強化技術在變速齒輪制造過程中的應用研究

陳長秀

(陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300)

摘要：針對齒輪表面強化技術，結合國內外研究者的研究成果，采用分析比較的方法，對變速齒輪制造過程中采用的典型表面強化工藝進行了深入分析研究，指出了合理的表面強化工藝可以有效地提高齒輪的制造精度，改善齒輪的力學性能，延長使用壽命，降低制造成本。選擇適合的表面強化工藝是保證齒輪質量和使用壽命的關鍵環節。

關鍵詞：表面強化技術；變速齒輪制造；復合表面強化技術

目前，全球工業齒輪每年的市場規模大約為160億美元，市場規模大，競爭激烈，我國齒輪行業發展也較為迅速，規模不斷擴大。據國家統計局統計，2005年～2010年，我國齒輪工業總產值以每年>18%的速度逐年增加，已經成為我國規模較大的基礎件行業之一。變速齒輪以其緊湊、安全、可靠和性價比優越的特點，穩固了它在通用機械裝備領域中不可替代的地位[1]。這就對變速齒輪的制造提出了更高的要求，如何進一步提高齒輪的加工質量和使用壽命一直是人們不斷探索的課題。而表面強化技術以其廣泛的功能性、良好的環保性以及巨大的增效性等優勢，正逐步成為提高變速齒輪加工質量和使用壽命的重要途徑。

1滲碳技術在齒輪制造過程中的應用

滲碳工藝可以使齒輪表面獲得較高硬度，提高其耐磨性，而心部仍為原始的板條狀馬氏體組織，以保持良好的韌性。硬度和韌性同時兼顧，使齒輪具有較好的綜合力學性能；因此，經滲碳熱處理后的齒輪能夠承受更高的載荷，促進機械裝備的飛速發展。滲碳工藝溫度約為930 ℃，其滲碳周期長，生產效率低。近年來，人們致力于高溫滲碳技術在齒輪制造中的應用，提高了生產效率，但高溫滲碳容易導致晶粒粗大化，降低了齒輪的性能。為此，國內外著名學者在齒輪鋼中添加Nb、Ti和B等合金元素，經1 000～1 050 ℃高溫滲碳，克服了上述問題[2-5]，增加了滲碳速度，控制了晶粒粗大化。特別是丁毅等[6]發明的高溫真空滲碳齒輪用鋼，使鋼材晶粒度嚴格控制在7.0～8.0級，保證淬透性J5 mm穩定控制在32～42 HRC，能滿足對普通齒輪鋼的各項性能要求，且具有合金元素簡單、成本低廉、工藝控制穩定可靠、可用于高溫真空滲碳、滲碳時間大幅縮短和環保節能等特點，值得大力推廣。

2滲氮技術在齒輪制造過程中的應用

滲氮工藝溫度一般為460～600 ℃，是將活性氮原子滲入齒輪表面的化學熱處理工藝，滲氮后齒輪的變形小，具有比滲碳更高的硬度，可以增加其耐磨性、疲勞強度、抗咬合性能、耐蝕性及耐高溫軟化性等，被廣泛應用在汽車、機床中對耐磨性要求較高的齒輪上。滲氮工藝包括氣體滲氮和離子滲氮等2種方法。目前，離子滲氮在齒輪的表面強化處理中應用最廣泛，但其存在的問題是齒輪溫度的均勻性與測溫的準確性有待提高，滲層滲氮的生產周期較長，承載能力低，不適合在沖擊負荷較大的重載齒輪上應用。陳秀玉等[7]對提高滲氮齒輪面承載能力進行了研究，指出了中硬調質加韌性滲層滲氮是提高滲氮齒輪齒面承載能力的重要途徑。盧金生等[8]的研究表明，與滲碳齒輪相比，滲氮齒輪在力學性能、熱處理變形和制造成本上具有一定的優勢，在這部分齒輪的表面強化上可以采用滲氮工藝。進一步發揮滲氮工藝的潛力，需要在齒輪的原材料和冷熱加工工藝等方面做更深入的探索，例如，提高滲氮層深度、改善硬度梯度和控制滲層組織等措施。

3噴丸表面強化技術在齒輪制造過程中的應用

噴丸表面強化技術是利用大量的珠丸(直徑為0.4～2 mm)以高速打擊已加工完畢的齒輪表面，使表面產生冷硬層和殘余壓應力，可以顯著提高表面硬度和強度，是目前齒輪表面改性的有效方法之一。目前，重載、高速機車是我國運輸行業發展的方向，而重載機車齒輪均為硬齒面齒輪，硬度較高，這就要求齒輪體具有優化的殘余壓應力場和細化的形變組織結構。表層殘余奧氏體充分向馬氏體轉變，大幅度提高材料的表面顯微硬度，以提高齒輪的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，是改善齒輪抗咬合能力、提高齒輪使用壽命的重要途徑。戴如勇[9]采用5種不同噴丸工藝，分別對18CrNiMo7-6、20CrMnMo、20CrNi2Mo和42CrMo等4種重載機車的牽引齒輪表面進行了噴丸強化處理。結果表明，噴丸強度為0.5 MPa時，與齒輪的其他表面強化工藝相比較，各項表面質量指標占有絕對優勢，并指出該工藝可以進行實際生產操作。

4激光表面淬火在齒輪制造過程中的應用

激光表面淬火是一定功率密度的激光束以一定的掃描速度照射到齒輪的表面，在很短的時間內，使被處理表面由于吸收激光的能量而急劇升溫，當激光束移開時，被處理表面由于齒輪體自身傳導而迅速冷卻，使之發生物理、化學變化，從而形成具有一定性能的表面層，使齒輪表面的硬度、強度、耐磨性、耐蝕性和耐高溫等性能得到提高，延長了齒輪的使用壽命。戴玉宏等[10]對40CrNiMoA的激光表面淬火工藝進行了研究，通過觀察激光表面淬火后的金相組織，測量硬度與淬硬層深度，評價激光淬火效果，獲得最佳工藝參數。激光表面淬火能夠使40CrNiMoA基材從硬度200 HV提高到700～850 HV，比常規淬火獲得的表面硬度提高了45%以上，且淬火深度方向組織硬度過渡平穩。其最佳工藝參數如下：功率為400 W，掃描速度為10 mm/s。

5感應加熱表面淬火強化技術在齒輪制造過程中的應用

表面淬火是在工件表層獲得一定的淬硬深度，而心部仍保持工件未淬火材料韌性的局部熱處理方式，即是對工件局部進行急冷急熱處理的有效方法。其主要目的在于使工件獲得“內韌外硬”的生產實際需求。主要用于齒輪、主軸和曲軸等工件的使用性能改善。常用的表面淬火方法有感應加熱表面淬火、激光加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火和電接觸加熱表面淬火等。目前，生產實際中應用最廣泛的方法是感應加熱表面淬火。感應加熱表面淬火主要原理是集膚效應，是在感應線圈內給予一定頻率的交流電，使感應線圈產生交變磁場，在工件表層產生渦流，而該渦流主要集中在工件表層，致使工件表層迅速加熱至淬火溫度，隨即對工件表層采取極冷措施，將工件表層淬硬，而心部顯微組織幾乎不受影響，仍維持原有的良好韌性；但在生產實際中仍存在諸如應力集中和淬火設備不完善等問題。近年來，全俄高頻電流科學研究所(ВНИИТВЧ)十分關注用于齒輪類傳動件表面淬火的設備的研發工作[11]，包括大小齒輪、齒圈和齒輪軸，各種模數齒區的支承環，內外直齒、斜齒和人字齒輪以及各種尺寸的鏈輪等，能解決齒輪類零件感應淬火過程中出現的諸多復雜問題，并制造出該方面的現代化工業裝備，滿足客戶的需求。

6復合表面強化技術在齒輪制造過程中的應用

20世紀80年代，英國伯明翰大學的Tom Bell教授提出了復合表面強化技術，即采用2種或2種以上現有表面強化技術，使工件表層形成復合結構層，從而獲得任何單一表面強化技術難以實現的性能。隨著該技術的不斷完善和推廣，也逐漸應用到變速齒輪的制造工藝中，并獲得良好效果。眾所周知，變速齒輪的工作環境存在諸如高速、高溫、高壓、重載和腐蝕等無法避免的惡劣問題，單靠單一的表面強化技術很難滿足服役條件的要求，因此把復合表面強化技術應用于齒輪的表面強化，使多種表面強化技術取長補短，相互協同，使該工藝在技術指標、可靠性、使用壽命、質量和經濟性等方面得到完美匹配，不失為一種發展思路。宋曉航[12]對小模數精密齒輪的復合強化處理工藝進行了試驗研究，結果表明，采用等離子體浸沒離子注入與沉積技術在2Cr13和30CrMnSi鋼基體表面形成了復合膜層，保持了類金剛石薄膜的低摩擦因數的特性，改善了類金剛石薄膜和軟基體性能的差異，提高了薄膜和硬基體的結合強度，并通過對裝夾位置的優化選擇，提高了高壓頻率，改善了膜層的均勻性，大幅提高了小模數齒輪的齒面硬度和耐磨性能，值得推廣應用。

7表面強化技術在齒輪制造過程中的應用展望

齒輪表面強化技術對于齒面強化，延長齒輪的使用壽命和發展新型齒輪加工技術具有重要的意義，已經逐漸成為國內外研究高性能齒輪的熱點，但還不夠成熟，仍存在需要攻克的技術難關。

1)增強該技術的實用性和穩定性，雖然某些工藝已經達到改善齒輪性能的要求，但工藝條件成本高，要求嚴格，限制了該技術的廣泛應用。

2)拓展該技術的使用范圍，爭取使其能適應更多材質的齒輪改性。

3)優化齒輪尺寸精度和傳動性能，尤其要考慮生產過程中熱量對該技術的影響。

4)增大表面強化厚度，減小內應力，尋找“外硬”和“內韌”的最佳匹配點。

5)探索新型表面強化技術，特別是要注重新型多元復合強化技術的研發和應用。

表面強化技術在改善變速齒輪綜合性能方面起著重要作用，只要在研究和推廣應用方面繼續努力，自主創新，加強技術和應用的密切合作，一定會加快表面強化技術在實用化和產業化方面的進程，提高齒輪綜合質量和性能，確保更好的應用效果，為我國工業的騰飛奠定堅實基礎。

參考文獻

[1] 田亞媛,瞿皎,秦亮,等.齒輪表面強化技術研究現狀[J].熱加工工藝,2011,40(24):211-215.

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[12] 宋曉航.小模數精密齒輪PIII&D復合強化處理工藝研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2008.

責任編輯鄭練

揚國威軍威 展兵器風采——北京北方車輛集團多型號產品成功受閱

9月3日，紀念中國人民抗日戰爭暨世界反法西斯戰爭勝利70周年活動在天安門廣場隆重舉行。中國兵器工業集團北京北方車輛集團研制生產的裝備有6種，涉及5個履帶方隊的74臺裝備，全方位展示了公司軍品發展的新成果。其中，排在受閱地面裝備第三位的是公司研制生產04A步兵戰車。作為我軍機械化、信息化復合發展的代表性裝備，04A步兵戰車是目前機動性能最強的步兵戰車，是信息化條件下機動突擊作戰的新型主戰裝備。除04A步兵戰車方隊外，北方車輛集團還為紅箭10反坦克導彈發射車方隊及引導車、155自行火炮方隊引導車提供車輛底盤；為兩棲突擊車和空降車方隊提供了行動系統，彰顯了強大的生產制造能力和國家裝甲裝備重要供應商的地位。

——摘自中國兵器工業集團公司網

Application of Surface Strengthening Process on Gear Manufacturing

CHEN Changxiu

(Shaanxi Institute of Technology, Xi’an 710300, China)

Abstract：According to the gear surface strengthening technology, combining with the research results of domestic and foreign researchers, by using the analysis methods, the surface strengthening processes of gear during manufacturing is analyzed. The reasonable surface strengthening process is related to improve precision of gear manufacturing, enhance the mechanical properties of gear, prolong the service life and reduce the manufacturing cost. It is also the key link of gear quality and service life.

Key words:surface strengthening process, change gear manufacturing, composite surface strengthening process

收稿日期：2015-01-29

作者簡介：陳長秀(1981-)，女，講師，主要從事機械設計與制造等方面的研究。

中圖分類號：TG 178

文獻標志碼:B