齿轮齿面强化方法概述

张禹 闫巍

沈阳机床股份有限公司齿轮分公司 辽宁沈阳 110142

齿轮齿面强化方法概述

张禹 闫巍

沈阳机床股份有限公司齿轮分公司 辽宁沈阳 110142

汽车工业设计工程师们已普遍利用喷丸强化工艺来提高传动零部件的使用寿命。通常，零件在热处理后进行喷丸强化，对于一些关键零件，如齿圈和行星齿轮等，强化是生产的最后一道工序。文章重点就齿轮齿面强化方法进行了研究和分析。

齿轮齿面；齿面磨损；强化方法

强化就是高速喷射的钢丸颗粒撞击金属零件表面，使工件表面材料发生弹塑性变形并呈现较高的残余压应力。如果只想找一台强化设备，并不难。但由于设备选择不当，造成产品的早期传动失效和必须全部回收的巨大损失，让很多齿轮制造商们痛定思痛后，不得不重新审视这个听上去并不复杂的工艺技术，并希望找到最合适的设备能满足他们特定的强化应用和要求。

1、齿面磨损失效的形式与原因

齿轮的磨损划分为四个基本类型：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。磨粒磨损主要是梨沟和微观切削作用；粘着磨损与表面分子作用力和摩擦热密切相关；疲劳磨损是在循环应力作用下表面疲劳裂纹萌生和扩展的结果；而腐蚀磨损则是由环境介质的化学作用产生。在实际的磨损现象中，通常是几种形式的磨损同时存在，而且一种磨损发生后往往诱发其他形式的磨损。齿面磨损主要是由接触的两齿面的相对滑动引起的齿面耗损现象；擦伤是由于梨沟作用而在摩擦齿面上产生沿摩擦方向的沟痕和磨粒的现象；点蚀是在接触应力的反复作用下，由于金属疲劳破坏而形成齿面凹坑的现象；剥落是齿面由于变形强化而变脆，在载荷作用下产生微观裂纹随后脱落的现象；裂纹主要是由于交变应力的反复作用或局部应力过高而造成的材料局部破裂的现象。胶合是当粘着效应使表面粘结点具有较高的连接强度时，剪切破坏发生在层内一定深度，而导致两齿面咬死的严重磨损的现象。由于齿轮工作工程中，多种影响因素共同作用，因而也可能同时存在几种的磨损损伤现象。

2、齿轮表面改性方法

齿轮表面强化技术利用陶瓷、合金涂层或超硬膜本身的高硬度、高粘着强度、低摩擦系数、良好耐腐蚀性等特点，采用电阻加热、离子束、激光束等能源作为蒸发源或溅射源，在齿轮表面涂敷一层或多层涂层，以提高齿轮表面硬度，降低摩擦系数，增加耐磨性，延长齿轮使用寿命。利用涂层的这些特性，有望用水基代替油基润滑，不仅节约了成本，还对环境保护和可持续发展有着十分重要的意义。

2.1 化学气相沉积法

笔者对涂层在齿轮上的应用做了开创性的探索研究工作，用CVD法沉积TiC或TiN陶瓷膜，通过在有润滑油和干摩擦的条件下，分别研究其摩擦磨损性能，发现镀覆陶瓷涂层后，齿轮副的抗咬合性和抗划伤能力都得到大幅强化。受条件所限，当时使用的CVD技术缺点也十分明显，即处理温度过高，通常保持在900-1100℃范围，超过了绝大多数齿轮材料的热处理温度，导致金相组织发生改变，整体硬度下降，需在表面改性处理后对齿轮重新淬火，增加了成本，尺寸精度也难以控制；且在高温下，基体材料晶粒长大，渗碳层形成氧化脱碳层，导致零件耐摩抗磨性能下降；还存在着渗碳时间长，能量消耗大，污染环境等问题。上述原因限制了CVD法制备表面涂层齿轮的应用，对其研究也基本停止。

2.2 物理气相沉积法

PVD技术作为一种新型的表面改性技术已有多年的实践，其工艺处理温度可控制在5000C以下，解决了CVD法无法克服的高温软化问题。在PVD技术中，真空蒸镀技术出现较早，但由于膜与基体的结合力不强，多用于装饰和半导体元件。目前，真空离子镀技术获得极大的发展，已广泛应用在刀具、模具、活塞环等部件的处理上，与真空蒸镀和溅射镀等技术相比，离子镀具有结合性能好、绕射性能好、便于使膜材粒子散射在整个工件表面上、可镀材质广、沉积速率快等优点，离子镀还具有结合强度高、可多元成膜、可精确控制温度和涂层厚等优点。

2.3 离子注入法

PSII就是将几万至几十万电子伏特的高能离子注入到齿轮表面，使材料表面层的物理、化学和机械性能发生变化，具有注入离子能量高、注入层与基体结合牢固、处理温度低等优点，与CVD和PVD相比，PSII技术的处理温度更低，可控制在1200C对20CrMo钢齿轮进行表面强化处理，提高表面硬度和耐摩抗磨性。该技术处理温度低，齿轮不变形，基体的组织也未发生变化。其缺点是注入层深度不足，厚度仅达0.35～1.5μn，这也限制了其在齿轮表面强化技术上的应用。

3、喷丸强化原理和效果

金属介质（钢丸或切丝丸）高速撞击零件表面，造成表面塑性变形。这一影响延伸到材料表层，在表层下产生一个压应力，从而抵消不良的拉应力。该残余压应力延缓了疲劳断裂的形成，从而延长零件的安全使用寿命。齿轮热处理后，其表面接受连续丸粒撞击、亦可将残余奥氏体转化为马氏体。这回增加材料的硬度，形成压应力。就齿轮而言，最大的剪切应力出现在齿根部和齿轮过渡区圆角半径处。两个齿面，主动面和从动面都承受不断增加的负载。

3.1 工艺参数分析

无论哪种强化技术，目的都是要取得一个持续恒定、可重复的强化强度。因此，必须了解工艺过程中，哪些关键变量会影响到最后的强化结果，包括：离心力式抛丸强化、抛头、抛头转速、抛射速度、抛射角度。以上这些工艺变量都会影响强化最终效果：抛头直径决定了钢丸介质被一定角度抛射出去时的速度。抛头是由变频机直接驱动的，通过改变电机的频率可以改变抛头的转速，从而改变钢丸抛出的初速度。抛头通常都被永久地固定在抛丸室的特定位置，但可以通过调整定向套的位置，来改变抛射方向。定向套的位置最终决定了钢丸被抛头抛射出去的角度。

3.2 直接压力式喷丸强化

喷丸强化中的喷射压力类似于抛丸强化中的抛头速度。压力越大，强度越大。对于复杂的齿轮强化，通常在一个封闭环路，通过一个比例调节器监控喷嘴压力。任何偏离预先设定的压力值，系统就会发出警报，指示关闭机器。喷嘴的尺寸大小决定了钢丸介质被喷射到零件表面的数量。对于喷丸强化工艺，最重要的因素就是要取得精确的方向性，目标准确，钢丸被无误差地打到零件表面指定点，且达到所需的强度。安装在多轴机械手上的喷嘴可实现自由移动，该机械手在伺服驱动系统和动态控制器协助下，操纵喷嘴的移动，让喷嘴走向沿零件的外缘和内部路线。沿行星齿轮和齿轮圈的轮廓进行喷射，达到均匀一致、重复性高的强化效果。当同时对一组行星齿轮和齿圈进行强化，必须特别注意，它们齿根角度是不同的，因此，对于喷丸强化，各个喷嘴位置设定很关键，才能达到理想的齿轮、齿圈强化效果。

4、结束语

强化工艺在过去几年里发展迅速，应用范围也越来越广。最早运用于飞机起落架齿轮强化的工艺现在也普遍应用于处理过程同样复杂且精确度要求高、可重复性强的汽车齿轮强化，目的是提高齿轮疲劳强度和寿命能力。利用精密的自动化控制系统，对工艺参数实施同步监控，增强了系统的柔性程度，以获得理想的零件强化效果。现在很多汽车工程师不再局限于单一的抛丸强化或喷丸强化，他们开始倾向混合式的系统，能将两种技术优势进行结合，以满足其特定的生产加工要求。

[1]陈国民.渗氮齿轮与渗碳齿轮的技术及经济性对比[J].金属热处理,2013