硫氮共滲齒輪的干摩擦特性試驗(yàn)研究

謝茂青，羅怡沁，趙早君

(1.杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，浙江杭州 311402；2.浙江鐵流離合器股份有限公司,浙江杭州 311100;3.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波 315211)

0 前言

齒輪是汽車、機(jī)床等各種機(jī)械裝置中起重要作用的機(jī)械元件。因此，對(duì)其耐磨性、強(qiáng)度等各種性能提出了較高的要求。為發(fā)揮和維持最佳性能，基于齒輪的傳動(dòng)部件之間的潤(rùn)滑也很重要。在使用齒輪傳動(dòng)的情況下，考慮到減輕齒輪磨損、減輕摩擦產(chǎn)生的發(fā)熱以及冷卻等問題，通常使用液體潤(rùn)滑劑[1-4]，一般為油和潤(rùn)滑脂等。

雖然液體潤(rùn)滑劑在真空和極端溫度環(huán)境等苛刻條件下也可使用，但會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑劑老化和揮發(fā)加劇問題[5-6]。與此相反，固體潤(rùn)滑由于其物質(zhì)本身可以起到潤(rùn)滑劑的作用，即使在惡劣工況也可以正常使用[7]。硫氮共滲是在金屬表面形成固體潤(rùn)滑層的表面處理技術(shù)之一。硫氮共滲處理通過反應(yīng)氣體，可以在金屬最表面生成有助于減輕摩擦阻力的硫化物層，其次是生成有助于提高耐磨性和強(qiáng)度的氮化物層[8]。田斌等人[9]在有潤(rùn)滑條件下對(duì)硫氮共滲35CrMo鋼的磨損性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析，結(jié)果表明硫氮共滲處理可賦予固體潤(rùn)滑作用，可適用于不能使用液體潤(rùn)滑劑的工況。WONG-NGEL等[10]的試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于氮化處理、滲碳淬火、高頻淬火等技術(shù)，硫氮共滲不但有助于提高耐磨損性和強(qiáng)度，還能起到潤(rùn)滑作用。

目前，尚未查到對(duì)鋼制齒輪硫氮共滲后摩擦磨損性能評(píng)估的研究。因此，本文作者采用不同表面處理技術(shù)制備各種鋼制齒輪，包括未處理、氮化處理、滲碳淬火、高頻淬火、硫氮共滲和氮化+硫氮共滲，并對(duì)無潤(rùn)滑條件下各種齒輪的磨損性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：硫化氮化處理對(duì)減少齒輪的磨損是有效的。

1 試驗(yàn)方法

制備齒輪的材質(zhì)為45鋼[11]，分度圓直徑為105 mm，模數(shù)為1.5 mm，齒數(shù)為70。驅(qū)動(dòng)側(cè)齒輪的齒寬為10 mm，驅(qū)動(dòng)側(cè)沒有實(shí)施表面處理。從動(dòng)側(cè)齒寬為3 mm，實(shí)施表面處理。所用表面處理除硫氮共滲(Sulfonitriding，SN)外，還采用未處理(Non Treated，NT)、氮化處理(Nitrided，N)[12]、滲碳淬火(Carburized Quenching，CQ)[13]、高頻淬火(Induction Hardening，IH)[14]、氮化和硫氮共滲的復(fù)合(SN+N)。表面處理齒輪的處理?xiàng)l件和外觀如表1所示。

表1 表面處理齒輪的處理?xiàng)l件和外觀

試驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)速為200 r/min，壓力為200 N，試驗(yàn)時(shí)間為4 h。試驗(yàn)采用東京技術(shù)TTI150E齒輪檢測(cè)儀測(cè)量軸距，并將其變化作為磨損量。齒輪試驗(yàn)示意如圖1所示。

圖1 齒輪試驗(yàn)示意

該試驗(yàn)機(jī)是齒輪形狀測(cè)定試驗(yàn)用的，具有可調(diào)的齒輪轉(zhuǎn)速、軸間距離和軸間壓力。通常情況下轉(zhuǎn)速和軸間距離是固定的，通過在軸間加壓(對(duì)齒面加壓)模擬齒輪的高負(fù)荷環(huán)境。齒輪試驗(yàn)環(huán)境如圖2所示。

圖2 齒輪試驗(yàn)環(huán)境

磨損試驗(yàn)是在大氣常溫下且不使用潤(rùn)滑劑進(jìn)行的。同時(shí)，使用吉蒂艾思MPX-3W摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)量各種表面處理的摩擦因數(shù)[15]。測(cè)量條件：荷載為10 N，轉(zhuǎn)速為0.31 m/s，測(cè)試時(shí)間為1 800 s，球類材質(zhì)為GCr15。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 各種齒輪試驗(yàn)后軸間距離變化量

齒輪磨損試驗(yàn)前后的軸間距離變化量越大，意味著齒輪的磨損更加惡化。6種表面處理齒輪的軸距變化量與時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。可知：表面未處理的齒輪試件在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了較大的機(jī)械噪聲和振動(dòng)，并且隨著試驗(yàn)的進(jìn)行越來越大，在這種狀態(tài)下很難繼續(xù)試驗(yàn)，判斷為危險(xiǎn)，0.5 h后強(qiáng)制結(jié)束了試驗(yàn)，在此0.5 h的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，其軸間距離變化量為121 μm；其他5種齒輪的測(cè)試持續(xù)4 h；在所有齒輪試驗(yàn)中，軸間距離變化量均隨著時(shí)間的推移而增加；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，軸間距離變化量呈現(xiàn)出指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖3 6種表面處理齒輪的軸距變化量與時(shí)間的關(guān)系

在此次測(cè)試中，氮化處理軸距變化量為352 μm，滲硫氮化處理變化量為198 μm，滲碳淬火變化量為298 μm，高頻淬火變化量為232 μm，氮化處理+滲硫氮化處理變化量為106 μm。變化量由小到大依次為SN+N、SN、IH、CQ和N。

2.2 各種齒輪的試驗(yàn)后齒面狀態(tài)

磨損試驗(yàn)后6種齒面狀態(tài)的掃描電鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)圖像如圖4所示。

圖4 6種齒面狀態(tài)的SEM圖像

由圖4可以看出：因?yàn)楸绕渌砻嫣幚睚X輪磨損更嚴(yán)重，NT齒輪齒面端部出現(xiàn)了很多缺口，并且齒輪側(cè)面出現(xiàn)了很多變形的部分，而其他齒輪沒有出現(xiàn)大的缺口或變形；整體來看，與其他處理方式相比，SN+N處理的齒輪表面形狀變化較小，保持了均勻狀態(tài)。隨著磨損的進(jìn)行，齒面形狀發(fā)生變化，在齒尖附近發(fā)現(xiàn)了許多縱向連續(xù)的劃痕。該劃痕在IH、CQ和N中被大量確認(rèn)，而在SN和SN+N中則較少。在齒底附近，由于磨損而形成的沉積物平坦地?cái)U(kuò)大，以覆蓋的形式附著。SN+N的覆蓋面積最大。此外，其他5種齒輪的表面形狀是斷續(xù)的，而SN+N則是連續(xù)的。綜合來說，SN+N處理的齒輪表面變形小、劃痕小、表面更平整。

2.3 各種表面處理的摩擦因數(shù)測(cè)量

在室溫?zé)o液體潤(rùn)滑劑條件下，6種方法處理后的表面摩擦因數(shù)如圖5所示。

由于NT處理和N處理在試驗(yàn)過程中球和盤之間的距離變大，超過了裝置的測(cè)量界限，中途強(qiáng)制結(jié)束了試驗(yàn)。在這些試驗(yàn)中，摩擦因數(shù)均呈升高趨勢(shì)。NT、N、SN、CQ、IH、SN+N方法處理后的表面摩擦因數(shù)平均值分別為0.63、0.77、0.86、0.72、0.76、0.62。相比其他處理技術(shù)，SN+N的摩擦因數(shù)最低且穩(wěn)定。

圖5 6種表面處理的摩擦因數(shù)測(cè)量結(jié)果

2.4 討論分析

根據(jù)齒輪軸間距離變化量，計(jì)算齒輪磨損量的示意如圖6所示。

圖6 計(jì)算齒輪磨損量的示意

齒輪磨損量Δd的公式[16-17]如下：

Δd=(ΔD/2)sinθ

(1)

式中：ΔD為測(cè)量得到的齒輪軸間距離變化量；θ為嚙合角。

圖7 SN處理后齒面硫氮共滲層斷口的SEM結(jié)果

從各齒輪磨損試驗(yàn)的結(jié)果可知，與未處理試件相比，通過實(shí)施表面處理可以減少磨損量。這是由于各種表面處理均提高了齒面的維氏硬度[18]。SN處理的表面由氮化物層和硫化物層構(gòu)成，由于該硫化物層起到了固體潤(rùn)滑的作用，所以磨損量減少了。但是，發(fā)揮固體潤(rùn)滑作用的硫化物層(FeS層)非常薄，只有幾微米，在齒輪磨損初期就會(huì)磨損。SN處理后齒面硫氮共滲層斷口的SEM結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：SN處理齒輪最表面形成的FeS層的厚度約為1 μm。該值約為計(jì)算出的齒輪磨損量(33 μm)的4%。FeS層的厚度與齒輪磨損量相比非常薄，雖然很快就被磨損，但之后仍有助于減輕磨損。經(jīng)過4 h試驗(yàn)后，各種表面處理齒輪的磨損結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：SN處理齒輪的磨損量明顯小于N、CQ和IH；采用SN+N處理齒輪的磨損量最少，摩擦因數(shù)也最低，比較穩(wěn)定。這意味著即使固體潤(rùn)滑層磨損，固體潤(rùn)滑效果也能持續(xù)一段時(shí)間。維氏硬度與軸間距離變化量的關(guān)系如圖9所示。

圖8 4 h試驗(yàn)后各種表面處理齒輪的磨損結(jié)果 圖9 維氏硬度與齒輪磨損量的關(guān)系

由圖9可知：齒面維氏硬度高的CQ和IH的磨損量，比維氏硬度低的SN的大。因此，SN處理不僅影響齒面的硬度，而且影響潤(rùn)滑效果，減少了磨損量。此外，采用SN+N處理的齒輪兼具較優(yōu)的齒面硬度和固體潤(rùn)滑性能，磨損量最少。這與在試驗(yàn)后齒面狀態(tài)觀察中，SN+N齒面狀態(tài)變化比其他處理技術(shù)更少的結(jié)果一致。

3 結(jié)論

本文作者評(píng)估了在不使用液體潤(rùn)滑劑的干摩擦條件下，經(jīng)過SN處理的碳鋼齒輪的磨損情況，研究了SN處理在常溫常壓下用于齒輪固體潤(rùn)滑的可行性。得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)比4 h測(cè)試時(shí)間后的磨損值，各種表面處理后的齒輪磨損量均有所減少，而SN+N表面處理的磨損量最低；

(2)SN處理形成的FeS層的厚度為1 μm。由軸間變化量計(jì)算得出SN處理的齒輪磨損量為33 μm。FeS層的厚度相當(dāng)于該齒面磨損量的4%，因此可以認(rèn)為，雖然FeS層在較早階段就被磨損，但之后仍有助于減輕磨損。

(3)采用SN+N方法處理的齒輪，由于氮化引起的表面硬化層變得更厚，磨損量進(jìn)一步減少。