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第三十五期 喷丸处理对齿轮动态齿根强度的影响
发布时间:2021/9/3 9:38:37

样品齿轮由标准结构钢18CrNiMo7制成,经过机械处理后,再使用三种最常用的热处理方法对此类零件进行进一步加工:渗碳(C)、氮化(N)和碳氮共渗(NC)。热处理后,齿轮进行喷丸处理。我们选择了冷喷丸和“热”喷丸工艺,后者在高温下进行。“热”喷丸处理的目的是尽可能地封闭表面上的微裂纹,并在尽可能深的表面获得更好的齿轮微硬度。试验过程中选用了两种弹丸:S110和S330。基础喷丸处理后,某些样品使用更细的弹丸Z150陶瓷珠进行再喷丸处理。加工完成后,对齿轮进行金相分析,以测量两种不同荷载水平下齿轮的显微硬度及其永久动态强度。


一、喷丸工艺

选择以下弹丸进行喷丸处理:钢丸S110、钢丸S330和陶瓷丸Z150。后者用于再喷丸。通过调整喷嘴相对于齿轮的角度,我们获得了齿根和齿顶的最佳平衡强度。在180℃下对渗碳齿轮及在320℃下对氮化齿轮同时进行了高温(HT)下的喷丸处理。然而,碳氮共渗齿轮没有在高温下加工,因为这会抵消之前热处理的作用。


二、喷丸强度

我们决定针对不同的弹丸选择不同的喷丸强度,并尽最大努力调整齿轮的齿根和齿面强度。冷喷丸和热喷丸工艺的强度结果是相同的。下表显示了齿轮各部分在不同弹丸处理后的强度值。

不同弹丸下的喷丸强度  

弹丸S110S230Z150
齿轮零件齿面齿根齿面齿根齿面齿根
强度007A007A017A014A011N011N


三、测试和测量

动态强度测试是在一台专用机器上进行的,其中对齿面施加两种不同的交变荷载。荷载频率为15 Hz,力各不相同:第一转34 kN,第二转40 kN。

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测试期间齿轮夹持方式及荷载


喷丸处理后,对每个热处理和喷丸处理方法组合进行齿面显微硬度测量。这有助于确定喷丸处理对齿面表面深度的影响以及“热”喷丸处理的影响。还确定了使用更细的弹丸再喷丸的效果。

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渗碳齿轮随深度变化的硬度分布

(HT–热喷丸)


结果表明,传统喷丸处理可使材料硬度相对于参考齿轮增加约80–100 HV。这种差异随着与表面距离的增加而减小。从材料表面测量,作用深度为1–1.2 mm。另一方面,“热”喷丸处理导致硬度降低约50 HV。

对于碳氮共渗齿轮,喷丸处理可使材料硬度增加约100 HV,并且随着与齿面距离的增加,这种影响减小。该工艺的效果渗透到材料中约0.3 mm深。

对于氮化齿轮,检测到相同的硬度增加模式。喷丸处理的效果仅渗透到齿轮齿面中 0.25 毫米深处。


四、动态齿根强度试验

4.1 渗碳齿轮

冷喷丸工艺对渗碳齿轮动态齿根强度的影响如下图所示。

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冷喷丸处理对渗碳齿轮动态齿根强度的影响


如图中所示,除S110+Z150组合外的所有喷丸方法都会导致渗碳齿轮的动态齿根强度降低10–50%。在S110+Z150喷丸处理的情况下,与用作参考的渗碳齿轮相比,较高荷载水平下的齿根强度降低,但另一方面,这种处理表明在较低荷载水平下的抵抗力显着提高,其中齿面可以承受 >300,000 次荷载载循环而不会断裂。

在“热”喷丸处理的情况下,所有三种操作都会导致渗碳齿轮的动态齿根强度降低30–50%(下图),使用钢珠和陶瓷珠(HT-S110+Z150)的组合进行“热”喷丸处理,再次成为最接近参考渗碳齿轮的方法。

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热喷丸对渗碳齿轮动态齿根强度的影响


4.2 碳氮共渗齿轮

对于碳氮共渗齿轮,使用S330和S110+Z150进行喷丸处理可提高齿根强度,尤其是使用钢珠和陶瓷珠S110+Z150的组合。S110+Z150喷丸处理在两种/应力/荷载/水平下都能使动态根部强度提高几倍,而S330喷丸处理的动态根部强度提高约30%(下图)。

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冷喷丸处理对碳氮共渗齿轮动态齿根强度的影响


4.3 氮化齿轮

对于氮化齿轮,所有冷喷丸处理对动态齿根强度都有积极影响。在使用钢珠和陶瓷珠(S110+Z150和S330+Z150)组合的处理中观察到最大的影响,其中后者的组合尤其显著地提高了较低荷载下的动态根部强度。“热”喷丸处理也提高了氮化齿轮的动态齿根强度,主要是在较低的荷载水平下。提高幅度从30-40%到超过五倍。使用钢和陶瓷珠 HT-S110+Z150 的组合再次实现了最显着的提高。

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冷喷丸处理对氮化齿轮动态齿根强度的影响


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“热”喷丸强化对氮化齿轮动态齿根强度的影响


五、结论

● 喷丸处理增加了齿轮表层的硬度,这适用于所有三种热处理方法。在经过 S330 和 S330+Z150 处理的齿轮中观察到最高硬度测量值,其次是 S110 和 S110+Z150。对于渗碳齿轮,“热”喷丸降低了齿轮的表面硬度;然而,在氮化齿轮中,它确实增加了表面硬度,但程度低于冷喷丸处理。

● 齿轮动态齿根强度的比较表明,在渗碳齿轮中观察到的强度最高,其次是碳氮共渗齿轮,而氮化齿轮的动态强度仅为渗碳齿轮的十分之一。另一方面,对于渗碳齿轮,所有后续冷喷丸处理(S110+Z150除外)都会导致动态齿根强度降低多达50%。然而,S110+Z150处理已被证明可以在较低荷载水平下提供显著改善的齿根强度,特别是因为齿面可以承受超过300000次荷载循环而不会断裂。通过“热”喷丸处理,动态根部强度降低了两倍。

● 对于碳氮共渗齿轮,S110+Z150和S330喷丸处理工艺提高了齿根强度,特别是在使用钢珠和陶瓷珠的组合时,已经观察到了几倍的提高。其他喷丸操作对齿轮的动态齿根强度有负面影响,其降低幅度高达35%。

● 相比之下,渗氮齿轮上的所有喷丸操作(冷喷丸和热喷丸)都大大提高了齿轮的动态齿根强度。同样,钢珠处理的影响最大,其次是陶瓷珠S110+Z150和S330+Z150。

● 根据结果,可以得出结论,最佳处理选择是使用钢和陶瓷珠(S110+Z150)的冷喷丸处理组合,无论采用何种热化学处理,都可以提高齿轮的动态齿根强度。另一方面,喷丸强化工艺对提高氮化齿轮齿根强度的影响最大,而在渗碳和碳氮共渗齿轮的情况下,这种效果在很大程度上是负面的。这表明,热处理或热化学处理后的表面层越薄、越硬,喷丸处理过程取得的积极效果就越大。