表面强化技术在变速齿轮制造过程中的应用研究

陈长秀

(陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300)

表面强化技术在变速齿轮制造过程中的应用研究

陈长秀

(陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300)

摘要：针对齿轮表面强化技术，结合国内外研究者的研究成果，采用分析比较的方法，对变速齿轮制造过程中采用的典型表面强化工艺进行了深入分析研究，指出了合理的表面强化工艺可以有效地提高齿轮的制造精度，改善齿轮的力学性能，延长使用寿命，降低制造成本。选择适合的表面强化工艺是保证齿轮质量和使用寿命的关键环节。

关键词：表面强化技术；变速齿轮制造；复合表面强化技术

目前，全球工业齿轮每年的市场规模大约为160亿美元，市场规模大，竞争激烈，我国齿轮行业发展也较为迅速，规模不断扩大。据国家统计局统计，2005年～2010年，我国齿轮工业总产值以每年>18%的速度逐年增加，已经成为我国规模较大的基础件行业之一。变速齿轮以其紧凑、安全、可靠和性价比优越的特点，稳固了它在通用机械装备领域中不可替代的地位[1]。这就对变速齿轮的制造提出了更高的要求，如何进一步提高齿轮的加工质量和使用寿命一直是人们不断探索的课题。而表面强化技术以其广泛的功能性、良好的环保性以及巨大的增效性等优势，正逐步成为提高变速齿轮加工质量和使用寿命的重要途径。

1渗碳技术在齿轮制造过程中的应用

渗碳工艺可以使齿轮表面获得较高硬度，提高其耐磨性，而心部仍为原始的板条状马氏体组织，以保持良好的韧性。硬度和韧性同时兼顾，使齿轮具有较好的综合力学性能；因此，经渗碳热处理后的齿轮能够承受更高的载荷，促进机械装备的飞速发展。渗碳工艺温度约为930 ℃，其渗碳周期长，生产效率低。近年来，人们致力于高温渗碳技术在齿轮制造中的应用，提高了生产效率，但高温渗碳容易导致晶粒粗大化，降低了齿轮的性能。为此，国内外著名学者在齿轮钢中添加Nb、Ti和B等合金元素，经1 000～1 050 ℃高温渗碳，克服了上述问题[2-5]，增加了渗碳速度，控制了晶粒粗大化。特别是丁毅等[6]发明的高温真空渗碳齿轮用钢，使钢材晶粒度严格控制在7.0～8.0级，保证淬透性J5 mm稳定控制在32～42 HRC，能满足对普通齿轮钢的各项性能要求，且具有合金元素简单、成本低廉、工艺控制稳定可靠、可用于高温真空渗碳、渗碳时间大幅缩短和环保节能等特点，值得大力推广。

2渗氮技术在齿轮制造过程中的应用

渗氮工艺温度一般为460～600 ℃，是将活性氮原子渗入齿轮表面的化学热处理工艺，渗氮后齿轮的变形小，具有比渗碳更高的硬度，可以增加其耐磨性、疲劳强度、抗咬合性能、耐蚀性及耐高温软化性等，被广泛应用在汽车、机床中对耐磨性要求较高的齿轮上。渗氮工艺包括气体渗氮和离子渗氮等2种方法。目前，离子渗氮在齿轮的表面强化处理中应用最广泛，但其存在的问题是齿轮温度的均匀性与测温的准确性有待提高，渗层渗氮的生产周期较长，承载能力低，不适合在冲击负荷较大的重载齿轮上应用。陈秀玉等[7]对提高渗氮齿轮面承载能力进行了研究，指出了中硬调质加韧性渗层渗氮是提高渗氮齿轮齿面承载能力的重要途径。卢金生等[8]的研究表明，与渗碳齿轮相比，渗氮齿轮在力学性能、热处理变形和制造成本上具有一定的优势，在这部分齿轮的表面强化上可以采用渗氮工艺。进一步发挥渗氮工艺的潜力，需要在齿轮的原材料和冷热加工工艺等方面做更深入的探索，例如，提高渗氮层深度、改善硬度梯度和控制渗层组织等措施。

3喷丸表面强化技术在齿轮制造过程中的应用

喷丸表面强化技术是利用大量的珠丸(直径为0.4～2 mm)以高速打击已加工完毕的齿轮表面，使表面产生冷硬层和残余压应力，可以显著提高表面硬度和强度，是目前齿轮表面改性的有效方法之一。目前，重载、高速机车是我国运输行业发展的方向，而重载机车齿轮均为硬齿面齿轮，硬度较高，这就要求齿轮体具有优化的残余压应力场和细化的形变组织结构。表层残余奥氏体充分向马氏体转变，大幅度提高材料的表面显微硬度，以提高齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，是改善齿轮抗咬合能力、提高齿轮使用寿命的重要途径。戴如勇[9]采用5种不同喷丸工艺，分别对18CrNiMo7-6、20CrMnMo、20CrNi2Mo和42CrMo等4种重载机车的牵引齿轮表面进行了喷丸强化处理。结果表明，喷丸强度为0.5 MPa时，与齿轮的其他表面强化工艺相比较，各项表面质量指标占有绝对优势，并指出该工艺可以进行实际生产操作。

4激光表面淬火在齿轮制造过程中的应用

激光表面淬火是一定功率密度的激光束以一定的扫描速度照射到齿轮的表面，在很短的时间内，使被处理表面由于吸收激光的能量而急剧升温，当激光束移开时，被处理表面由于齿轮体自身传导而迅速冷却，使之发生物理、化学变化，从而形成具有一定性能的表面层，使齿轮表面的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和耐高温等性能得到提高，延长了齿轮的使用寿命。戴玉宏等[10]对40CrNiMoA的激光表面淬火工艺进行了研究，通过观察激光表面淬火后的金相组织，测量硬度与淬硬层深度，评价激光淬火效果，获得最佳工艺参数。激光表面淬火能够使40CrNiMoA基材从硬度200 HV提高到700～850 HV，比常规淬火获得的表面硬度提高了45%以上，且淬火深度方向组织硬度过渡平稳。其最佳工艺参数如下：功率为400 W，扫描速度为10 mm/s。

5感应加热表面淬火强化技术在齿轮制造过程中的应用

表面淬火是在工件表层获得一定的淬硬深度，而心部仍保持工件未淬火材料韧性的局部热处理方式，即是对工件局部进行急冷急热处理的有效方法。其主要目的在于使工件获得“内韧外硬”的生产实际需求。主要用于齿轮、主轴和曲轴等工件的使用性能改善。常用的表面淬火方法有感应加热表面淬火、激光加热表面淬火、火焰加热表面淬火和电接触加热表面淬火等。目前，生产实际中应用最广泛的方法是感应加热表面淬火。感应加热表面淬火主要原理是集肤效应，是在感应线圈内给予一定频率的交流电，使感应线圈产生交变磁场，在工件表层产生涡流，而该涡流主要集中在工件表层，致使工件表层迅速加热至淬火温度，随即对工件表层采取极冷措施，将工件表层淬硬，而心部显微组织几乎不受影响，仍维持原有的良好韧性；但在生产实际中仍存在诸如应力集中和淬火设备不完善等问题。近年来，全俄高频电流科学研究所(ВНИИТВЧ)十分关注用于齿轮类传动件表面淬火的设备的研发工作[11]，包括大小齿轮、齿圈和齿轮轴，各种模数齿区的支承环，内外直齿、斜齿和人字齿轮以及各种尺寸的链轮等，能解决齿轮类零件感应淬火过程中出现的诸多复杂问题，并制造出该方面的现代化工业装备，满足客户的需求。

6复合表面强化技术在齿轮制造过程中的应用

20世纪80年代，英国伯明翰大学的Tom Bell教授提出了复合表面强化技术，即采用2种或2种以上现有表面强化技术，使工件表层形成复合结构层，从而获得任何单一表面强化技术难以实现的性能。随着该技术的不断完善和推广，也逐渐应用到变速齿轮的制造工艺中，并获得良好效果。众所周知，变速齿轮的工作环境存在诸如高速、高温、高压、重载和腐蚀等无法避免的恶劣问题，单靠单一的表面强化技术很难满足服役条件的要求，因此把复合表面强化技术应用于齿轮的表面强化，使多种表面强化技术取长补短，相互协同，使该工艺在技术指标、可靠性、使用寿命、质量和经济性等方面得到完美匹配，不失为一种发展思路。宋晓航[12]对小模数精密齿轮的复合强化处理工艺进行了试验研究，结果表明，采用等离子体浸没离子注入与沉积技术在2Cr13和30CrMnSi钢基体表面形成了复合膜层，保持了类金刚石薄膜的低摩擦因数的特性，改善了类金刚石薄膜和软基体性能的差异，提高了薄膜和硬基体的结合强度，并通过对装夹位置的优化选择，提高了高压频率，改善了膜层的均匀性，大幅提高了小模数齿轮的齿面硬度和耐磨性能，值得推广应用。

7表面强化技术在齿轮制造过程中的应用展望

齿轮表面强化技术对于齿面强化，延长齿轮的使用寿命和发展新型齿轮加工技术具有重要的意义，已经逐渐成为国内外研究高性能齿轮的热点，但还不够成熟，仍存在需要攻克的技术难关。

1)增强该技术的实用性和稳定性，虽然某些工艺已经达到改善齿轮性能的要求，但工艺条件成本高，要求严格，限制了该技术的广泛应用。

2)拓展该技术的使用范围，争取使其能适应更多材质的齿轮改性。

3)优化齿轮尺寸精度和传动性能，尤其要考虑生产过程中热量对该技术的影响。

4)增大表面强化厚度，减小内应力，寻找“外硬”和“内韧”的最佳匹配点。

5)探索新型表面强化技术，特别是要注重新型多元复合强化技术的研发和应用。

表面强化技术在改善变速齿轮综合性能方面起着重要作用，只要在研究和推广应用方面继续努力，自主创新，加强技术和应用的密切合作，一定会加快表面强化技术在实用化和产业化方面的进程，提高齿轮综合质量和性能，确保更好的应用效果，为我国工业的腾飞奠定坚实基础。

参考文献

[1] 田亚媛,瞿皎,秦亮,等.齿轮表面强化技术研究现状[J].热加工工艺,2011,40(24):211-215.

[2] De Morais R F, Reguly A, De Almeida L H. Transmission electron microsecopy characterization of a nb microalloyed steel for carburizing at high temperatures[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2006,15(4):494-498.

[3] Liu L D, Chen F S. The influences of alloy elements on the carburized layer in steels using vacuum carburizeing in an acetylene atmosphele[J]. Materials Chemistry and Physics, 2003, 82(2): 288-294.

[4] 刘燕,王毛球,董瀚.含铌齿轮钢的晶粒长大动力学[J].钢铁研究学报,2008,20(11):37-42.

[5] 王红阁,杨师斌. 低速重载齿轮渗碳淬火热处理工艺研究[J].新技术新工艺,2008(4):91-93.

[6] 丁毅,安金敏,覃明.一种高温真空渗碳齿轮用钢：中国,102560255A[P].2012-07-11.

[7] 陈秀玉,冷小刚.提高渗氮齿轮齿面承载能力的研究[J].金属热处理,1989(9):30-35.

[8] 卢金生,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,2010,35(3):25-28.

[9] 戴如勇.重载机车牵引齿轮表面喷丸强化及其表征研究[D].上海:上海交通大学,2012.

[10] 戴玉宏,王万成,强巍,等.40CrNiMoA的激光表面淬火工艺研究[C]//第十五届中国科协年会第13分会场：航空发动机设计、制造与应用技术研讨会论文集. 北京：中国科学技术协会学会学术部，2013：1-4.

[11] Евгений Иевлев,张家雄,沈庆通.感应加热表面淬火在齿轮传动件上的应用[J].热处理,2012,27(2):52-58.

[12] 宋晓航.小模数精密齿轮PIII&D复合强化处理工艺研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

责任编辑郑练

扬国威军威 展兵器风采——北京北方车辆集团多型号产品成功受阅

9月3日，纪念中国人民抗日战争暨世界反法西斯战争胜利70周年活动在天安门广场隆重举行。中国兵器工业集团北京北方车辆集团研制生产的装备有6种，涉及5个履带方队的74台装备，全方位展示了公司军品发展的新成果。其中，排在受阅地面装备第三位的是公司研制生产04A步兵战车。作为我军机械化、信息化复合发展的代表性装备，04A步兵战车是目前机动性能最强的步兵战车，是信息化条件下机动突击作战的新型主战装备。除04A步兵战车方队外，北方车辆集团还为红箭10反坦克导弹发射车方队及引导车、155自行火炮方队引导车提供车辆底盘；为两栖突击车和空降车方队提供了行动系统，彰显了强大的生产制造能力和国家装甲装备重要供应商的地位。

——摘自中国兵器工业集团公司网

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

作者简介：陈长秀(1981-)，女，讲师，主要从事机械设计与制造等方面的研究。

中图分类号：TG 178

文献标志码:B