改善齒輪性能的方法研究及進(jìn)展

朱玉軒

(山東建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

齒輪作為構(gòu)成機(jī)械設(shè)備的必需部件，它對強(qiáng)度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度有較高的要求。故齒輪常用鋼材需具有良好的綜合性能，以滿足齒輪的使用要求。為提高綜合性能，齒輪需進(jìn)行滲碳處理[1]。現(xiàn)階段，許多國家大力發(fā)展?jié)B碳齒輪鋼，其中中碳Cr-Mo-Mn、Cr-Ni-Mo等鋼種應(yīng)用較多[2]。但是，隨著機(jī)械的發(fā)展對齒輪綜合性能有了新的要求，還有許多技術(shù)問題尚待解決。

1 齒輪材料的表面硬化研究

對齒輪表面進(jìn)行硬化處理，如噴丸、激光淬火、感應(yīng)淬火和復(fù)合處理等，可提高其表面硬度和耐磨性，從而延長其使用壽命[3]。

1.1 噴丸技術(shù)的研究

噴丸強(qiáng)化技術(shù)開始于20世紀(jì)20年代，1927年Herber發(fā)明了第一臺噴丸機(jī)[4]。陳國華等[5]對彈簧進(jìn)行噴丸強(qiáng)化，經(jīng)測試，其性能提高。為獲得噴丸強(qiáng)化對齒輪表面的影響，胡發(fā)貴等[6]在18Cr2Ni4WA材料表面做噴丸處理，經(jīng)過測試，齒輪的強(qiáng)度與表面質(zhì)量均有提高。為進(jìn)一步探索噴丸強(qiáng)化對齒輪的抗疲勞特性影響，李俊等[7]對20CrMnTi滲碳淬火齒輪進(jìn)行噴丸處理，結(jié)果表明噴丸強(qiáng)化能夠大幅度提升齒輪疲勞強(qiáng)度。噴丸前后零件表面形貌如圖1所示。

圖1 噴丸前后零件表面形貌

上海交通大學(xué)的戴如勇等[8]采用5種不同的噴丸工藝對20CrMnMo鋼和42CrMo鋼進(jìn)行噴丸試驗，結(jié)果表明：噴丸處理可以提高表面硬度、疲勞強(qiáng)度和表面質(zhì)量。

1.2 激光表面硬化的研究

沈琳[9]采用激光淬火方法得到40CrNiMoA鋼的均勻硬化層，經(jīng)測試，齒面與齒根的疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度顯著提高，齒輪使用壽命延長。中航工業(yè)西安航空動力控制有限公司的戴玉宏等[10]對40CrNiMoA鋼的激光表面淬火工藝進(jìn)行研究，通過激光淬火后齒輪表面硬度顯著提高，且硬度過渡平穩(wěn)，淬硬層深度最佳。

通過總結(jié)本部分的試驗結(jié)果，可以得出結(jié)論：噴丸或激光表面強(qiáng)化可以提高齒輪的疲勞強(qiáng)度和耐磨性，噴丸可以消除熱處理應(yīng)力和表面氧化皮，提高零件缺口的敏感性，可以增加零件的疲勞壽命；對齒輪表面進(jìn)行激光硬化處理，會消除根部出現(xiàn)應(yīng)力集中的工藝隱患，從而提高其整體機(jī)械性能。這兩種技術(shù)可以充分運(yùn)用于現(xiàn)代汽車制造等領(lǐng)域，也能運(yùn)用于軍工行業(yè)從而促進(jìn)其發(fā)展。

2 齒輪心部強(qiáng)化的研究

在齒輪性能的研究中，我們不僅要提高齒輪表面的強(qiáng)度和耐磨性，還要增加齒輪內(nèi)部的韌性與強(qiáng)度，二者結(jié)合才能得到性能最佳的齒輪。

董芝霞[11]對合金元素相同但碳含量不同的滲碳鋼進(jìn)行靜彎曲試驗，試驗后測試結(jié)果表明：含碳量會影響齒輪心部硬度，而合金元素不會。

李澤等[12]進(jìn)行的實驗結(jié)果表明：當(dāng)齒輪發(fā)生脆性斷裂時，齒輪整體所受到的沖擊值與齒輪心部受到的沖擊值無關(guān)；當(dāng)韌性斷裂發(fā)生時，齒輪心部的韌性性質(zhì)與齒輪整體的韌性性質(zhì)相同。

通過總結(jié)本節(jié)的實驗結(jié)果，可以得出結(jié)論：碳含量不同的齒輪，其硬度也不同，合金元素不會影響齒輪強(qiáng)度；發(fā)生韌性斷裂時，齒輪心部的韌性高低與齒輪整體韌性的高低成正比。因此，在今后的齒輪生產(chǎn)中，保證較高的心部韌性是很關(guān)鍵的問題。

3 齒輪微合金化的研究

V、Ti和Nb元素以微小化合物存在于鋼鐵中，可以對齒輪進(jìn)行微合金化處理，使之達(dá)到更好的性能[13]。

3.1 鈮微合金化技術(shù)在齒輪鋼中的應(yīng)用

鄒有武[14]使用鈮元素微合金化處理17CrNiMo6齒輪，經(jīng)過測試，處理后的齒輪淬透性、晶粒細(xì)化和疲勞壽命均有提高。經(jīng)鈮元素處理后齒輪的形貌如圖2所示。

圖2 經(jīng)鈮元素處理后17CrNiMo6鋼齒輪的形貌

3.2 鈦微合金化技術(shù)在齒輪鋼中的應(yīng)用

鄒有武[14]用鈦元素對20CrMnTi齒輪進(jìn)行微合金化處理，通過實驗得出：鋼中Ti含量對Ti夾雜物和奧氏體晶粒長大均有影響，若要提高齒輪的性能，需控制齒輪中Ti元素含量。

通過總結(jié)本節(jié)的實驗結(jié)果，得出結(jié)論：用鈦、鈮兩元素對齒輪進(jìn)行微合金化處理，都能夠提高齒輪的淬透性，并能夠細(xì)化晶粒，延長齒輪的疲勞壽命，鈦元素可以提高齒輪的硬度。但齒輪中Ti元素含量需在合適的范圍內(nèi)，這樣才會提升齒輪的性能。

4 結(jié)論

采用表面硬化、心部強(qiáng)化和微合金化的方法均可提高齒輪性能，但仍然存在一些問題：

(1)齒輪表面硬化技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外研究齒輪性能的熱點，但工藝成本高、適用范圍較窄。

(2)要提高齒輪的強(qiáng)韌性，重要的是保證心部有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性，目前提高強(qiáng)韌性的方法較少，并且適用范圍單一。

(3)在齒輪微合金化的研究中，有關(guān)微合金元素含量的數(shù)據(jù)很少，多元微合金化還有待于進(jìn)一步研究。

因此，用低工藝成本制備出高性能齒輪是重要的研究方向。