陳長(zhǎng)秀

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

表面強(qiáng)化技術(shù)在變速齒輪制造過(guò)程中的應(yīng)用研究

陳長(zhǎng)秀

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

摘要：針對(duì)齒輪表面強(qiáng)化技術(shù)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究者的研究成果，采用分析比較的方法，對(duì)變速齒輪制造過(guò)程中采用的典型表面強(qiáng)化工藝進(jìn)行了深入分析研究，指出了合理的表面強(qiáng)化工藝可以有效地提高齒輪的制造精度，改善齒輪的力學(xué)性能，延長(zhǎng)使用壽命，降低制造成本。選擇適合的表面強(qiáng)化工藝是保證齒輪質(zhì)量和使用壽命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：表面強(qiáng)化技術(shù)；變速齒輪制造；復(fù)合表面強(qiáng)化技術(shù)

目前，全球工業(yè)齒輪每年的市場(chǎng)規(guī)模大約為160億美元，市場(chǎng)規(guī)模大，競(jìng)爭(zhēng)激烈，我國(guó)齒輪行業(yè)發(fā)展也較為迅速，規(guī)模不斷擴(kuò)大。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2005年～2010年，我國(guó)齒輪工業(yè)總產(chǎn)值以每年>18%的速度逐年增加，已經(jīng)成為我國(guó)規(guī)模較大的基礎(chǔ)件行業(yè)之一。變速齒輪以其緊湊、安全、可靠和性價(jià)比優(yōu)越的特點(diǎn)，穩(wěn)固了它在通用機(jī)械裝備領(lǐng)域中不可替代的地位[1]。這就對(duì)變速齒輪的制造提出了更高的要求，如何進(jìn)一步提高齒輪的加工質(zhì)量和使用壽命一直是人們不斷探索的課題。而表面強(qiáng)化技術(shù)以其廣泛的功能性、良好的環(huán)保性以及巨大的增效性等優(yōu)勢(shì)，正逐步成為提高變速齒輪加工質(zhì)量和使用壽命的重要途徑。

1滲碳技術(shù)在齒輪制造過(guò)程中的應(yīng)用

滲碳工藝可以使齒輪表面獲得較高硬度，提高其耐磨性，而心部仍為原始的板條狀馬氏體組織，以保持良好的韌性。硬度和韌性同時(shí)兼顧，使齒輪具有較好的綜合力學(xué)性能；因此，經(jīng)滲碳熱處理后的齒輪能夠承受更高的載荷，促進(jìn)機(jī)械裝備的飛速發(fā)展。滲碳工藝溫度約為930 ℃，其滲碳周期長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低。近年來(lái)，人們致力于高溫滲碳技術(shù)在齒輪制造中的應(yīng)用，提高了生產(chǎn)效率，但高溫滲碳容易導(dǎo)致晶粒粗大化，降低了齒輪的性能。為此，國(guó)內(nèi)外著名學(xué)者在齒輪鋼中添加Nb、Ti和B等合金元素，經(jīng)1 000～1 050 ℃高溫滲碳，克服了上述問(wèn)題[2-5]，增加了滲碳速度，控制了晶粒粗大化。特別是丁毅等[6]發(fā)明的高溫真空滲碳齒輪用鋼，使鋼材晶粒度嚴(yán)格控制在7.0～8.0級(jí)，保證淬透性J5 mm穩(wěn)定控制在32～42 HRC，能滿足對(duì)普通齒輪鋼的各項(xiàng)性能要求，且具有合金元素簡(jiǎn)單、成本低廉、工藝控制穩(wěn)定可靠、可用于高溫真空滲碳、滲碳時(shí)間大幅縮短和環(huán)保節(jié)能等特點(diǎn)，值得大力推廣。

2滲氮技術(shù)在齒輪制造過(guò)程中的應(yīng)用

滲氮工藝溫度一般為460～600 ℃，是將活性氮原子滲入齒輪表面的化學(xué)熱處理工藝，滲氮后齒輪的變形小，具有比滲碳更高的硬度，可以增加其耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗咬合性能、耐蝕性及耐高溫軟化性等，被廣泛應(yīng)用在汽車、機(jī)床中對(duì)耐磨性要求較高的齒輪上。滲氮工藝包括氣體滲氮和離子滲氮等2種方法。目前，離子滲氮在齒輪的表面強(qiáng)化處理中應(yīng)用最廣泛，但其存在的問(wèn)題是齒輪溫度的均勻性與測(cè)溫的準(zhǔn)確性有待提高，滲層滲氮的生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，承載能力低，不適合在沖擊負(fù)荷較大的重載齒輪上應(yīng)用。陳秀玉等[7]對(duì)提高滲氮齒輪面承載能力進(jìn)行了研究，指出了中硬調(diào)質(zhì)加韌性滲層滲氮是提高滲氮齒輪齒面承載能力的重要途徑。盧金生等[8]的研究表明，與滲碳齒輪相比，滲氮齒輪在力學(xué)性能、熱處理變形和制造成本上具有一定的優(yōu)勢(shì)，在這部分齒輪的表面強(qiáng)化上可以采用滲氮工藝。進(jìn)一步發(fā)揮滲氮工藝的潛力，需要在齒輪的原材料和冷熱加工工藝等方面做更深入的探索，例如，提高滲氮層深度、改善硬度梯度和控制滲層組織等措施。

3噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)在齒輪制造過(guò)程中的應(yīng)用

噴丸表面強(qiáng)化技術(shù)是利用大量的珠丸(直徑為0.4～2 mm)以高速打擊已加工完畢的齒輪表面，使表面產(chǎn)生冷硬層和殘余壓應(yīng)力，可以顯著提高表面硬度和強(qiáng)度，是目前齒輪表面改性的有效方法之一。目前，重載、高速機(jī)車是我國(guó)運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展的方向，而重載機(jī)車齒輪均為硬齒面齒輪，硬度較高，這就要求齒輪體具有優(yōu)化的殘余壓應(yīng)力場(chǎng)和細(xì)化的形變組織結(jié)構(gòu)。表層殘余奧氏體充分向馬氏體轉(zhuǎn)變，大幅度提高材料的表面顯微硬度，以提高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，是改善齒輪抗咬合能力、提高齒輪使用壽命的重要途徑。戴如勇[9]采用5種不同噴丸工藝，分別對(duì)18CrNiMo7-6、20CrMnMo、20CrNi2Mo和42CrMo等4種重載機(jī)車的牽引齒輪表面進(jìn)行了噴丸強(qiáng)化處理。結(jié)果表明，噴丸強(qiáng)度為0.5 MPa時(shí)，與齒輪的其他表面強(qiáng)化工藝相比較，各項(xiàng)表面質(zhì)量指標(biāo)占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，并指出該工藝可以進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)操作。

4激光表面淬火在齒輪制造過(guò)程中的應(yīng)用

激光表面淬火是一定功率密度的激光束以一定的掃描速度照射到齒輪的表面，在很短的時(shí)間內(nèi)，使被處理表面由于吸收激光的能量而急劇升溫，當(dāng)激光束移開(kāi)時(shí)，被處理表面由于齒輪體自身傳導(dǎo)而迅速冷卻，使之發(fā)生物理、化學(xué)變化，從而形成具有一定性能的表面層，使齒輪表面的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性和耐高溫等性能得到提高，延長(zhǎng)了齒輪的使用壽命。戴玉宏等[10]對(duì)40CrNiMoA的激光表面淬火工藝進(jìn)行了研究，通過(guò)觀察激光表面淬火后的金相組織，測(cè)量硬度與淬硬層深度，評(píng)價(jià)激光淬火效果，獲得最佳工藝參數(shù)。激光表面淬火能夠使40CrNiMoA基材從硬度200 HV提高到700～850 HV，比常規(guī)淬火獲得的表面硬度提高了45%以上，且淬火深度方向組織硬度過(guò)渡平穩(wěn)。其最佳工藝參數(shù)如下：功率為400 W，掃描速度為10 mm/s。

5感應(yīng)加熱表面淬火強(qiáng)化技術(shù)在齒輪制造過(guò)程中的應(yīng)用

表面淬火是在工件表層獲得一定的淬硬深度，而心部仍保持工件未淬火材料韌性的局部熱處理方式，即是對(duì)工件局部進(jìn)行急冷急熱處理的有效方法。其主要目的在于使工件獲得“內(nèi)韌外硬”的生產(chǎn)實(shí)際需求。主要用于齒輪、主軸和曲軸等工件的使用性能改善。常用的表面淬火方法有感應(yīng)加熱表面淬火、激光加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火和電接觸加熱表面淬火等。目前，生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的方法是感應(yīng)加熱表面淬火。感應(yīng)加熱表面淬火主要原理是集膚效應(yīng)，是在感應(yīng)線圈內(nèi)給予一定頻率的交流電，使感應(yīng)線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在工件表層產(chǎn)生渦流，而該渦流主要集中在工件表層，致使工件表層迅速加熱至淬火溫度，隨即對(duì)工件表層采取極冷措施，將工件表層淬硬，而心部顯微組織幾乎不受影響，仍維持原有的良好韌性；但在生產(chǎn)實(shí)際中仍存在諸如應(yīng)力集中和淬火設(shè)備不完善等問(wèn)題。近年來(lái)，全俄高頻電流科學(xué)研究所(ВНИИТВЧ)十分關(guān)注用于齒輪類傳動(dòng)件表面淬火的設(shè)備的研發(fā)工作[11]，包括大小齒輪、齒圈和齒輪軸，各種模數(shù)齒區(qū)的支承環(huán)，內(nèi)外直齒、斜齒和人字齒輪以及各種尺寸的鏈輪等，能解決齒輪類零件感應(yīng)淬火過(guò)程中出現(xiàn)的諸多復(fù)雜問(wèn)題，并制造出該方面的現(xiàn)代化工業(yè)裝備，滿足客戶的需求。

6復(fù)合表面強(qiáng)化技術(shù)在齒輪制造過(guò)程中的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代，英國(guó)伯明翰大學(xué)的Tom Bell教授提出了復(fù)合表面強(qiáng)化技術(shù)，即采用2種或2種以上現(xiàn)有表面強(qiáng)化技術(shù)，使工件表層形成復(fù)合結(jié)構(gòu)層，從而獲得任何單一表面強(qiáng)化技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的性能。隨著該技術(shù)的不斷完善和推廣，也逐漸應(yīng)用到變速齒輪的制造工藝中，并獲得良好效果。眾所周知，變速齒輪的工作環(huán)境存在諸如高速、高溫、高壓、重載和腐蝕等無(wú)法避免的惡劣問(wèn)題，單靠單一的表面強(qiáng)化技術(shù)很難滿足服役條件的要求，因此把復(fù)合表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于齒輪的表面強(qiáng)化，使多種表面強(qiáng)化技術(shù)取長(zhǎng)補(bǔ)短，相互協(xié)同，使該工藝在技術(shù)指標(biāo)、可靠性、使用壽命、質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性等方面得到完美匹配，不失為一種發(fā)展思路。宋曉航[12]對(duì)小模數(shù)精密齒輪的復(fù)合強(qiáng)化處理工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，采用等離子體浸沒(méi)離子注入與沉積技術(shù)在2Cr13和30CrMnSi鋼基體表面形成了復(fù)合膜層，保持了類金剛石薄膜的低摩擦因數(shù)的特性，改善了類金剛石薄膜和軟基體性能的差異，提高了薄膜和硬基體的結(jié)合強(qiáng)度，并通過(guò)對(duì)裝夾位置的優(yōu)化選擇，提高了高壓頻率，改善了膜層的均勻性，大幅提高了小模數(shù)齒輪的齒面硬度和耐磨性能，值得推廣應(yīng)用。

7表面強(qiáng)化技術(shù)在齒輪制造過(guò)程中的應(yīng)用展望

齒輪表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)于齒面強(qiáng)化，延長(zhǎng)齒輪的使用壽命和發(fā)展新型齒輪加工技術(shù)具有重要的意義，已經(jīng)逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究高性能齒輪的熱點(diǎn)，但還不夠成熟，仍存在需要攻克的技術(shù)難關(guān)。

1)增強(qiáng)該技術(shù)的實(shí)用性和穩(wěn)定性，雖然某些工藝已經(jīng)達(dá)到改善齒輪性能的要求，但工藝條件成本高，要求嚴(yán)格，限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

2)拓展該技術(shù)的使用范圍，爭(zhēng)取使其能適應(yīng)更多材質(zhì)的齒輪改性。

3)優(yōu)化齒輪尺寸精度和傳動(dòng)性能，尤其要考慮生產(chǎn)過(guò)程中熱量對(duì)該技術(shù)的影響。

4)增大表面強(qiáng)化厚度，減小內(nèi)應(yīng)力，尋找“外硬”和“內(nèi)韌”的最佳匹配點(diǎn)。

5)探索新型表面強(qiáng)化技術(shù)，特別是要注重新型多元復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。

表面強(qiáng)化技術(shù)在改善變速齒輪綜合性能方面起著重要作用，只要在研究和推廣應(yīng)用方面繼續(xù)努力，自主創(chuàng)新，加強(qiáng)技術(shù)和應(yīng)用的密切合作，一定會(huì)加快表面強(qiáng)化技術(shù)在實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化方面的進(jìn)程，提高齒輪綜合質(zhì)量和性能，確保更好的應(yīng)用效果，為我國(guó)工業(yè)的騰飛奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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責(zé)任編輯鄭練

揚(yáng)國(guó)威軍威 展兵器風(fēng)采——北京北方車輛集團(tuán)多型號(hào)產(chǎn)品成功受閱

9月3日，紀(jì)念中國(guó)人民抗日戰(zhàn)爭(zhēng)暨世界反法西斯戰(zhàn)爭(zhēng)勝利70周年活動(dòng)在天安門廣場(chǎng)隆重舉行。中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)北京北方車輛集團(tuán)研制生產(chǎn)的裝備有6種，涉及5個(gè)履帶方隊(duì)的74臺(tái)裝備，全方位展示了公司軍品發(fā)展的新成果。其中，排在受閱地面裝備第三位的是公司研制生產(chǎn)04A步兵戰(zhàn)車。作為我軍機(jī)械化、信息化復(fù)合發(fā)展的代表性裝備，04A步兵戰(zhàn)車是目前機(jī)動(dòng)性能最強(qiáng)的步兵戰(zhàn)車，是信息化條件下機(jī)動(dòng)突擊作戰(zhàn)的新型主戰(zhàn)裝備。除04A步兵戰(zhàn)車方隊(duì)外，北方車輛集團(tuán)還為紅箭10反坦克導(dǎo)彈發(fā)射車方隊(duì)及引導(dǎo)車、155自行火炮方隊(duì)引導(dǎo)車提供車輛底盤；為兩棲突擊車和空降車方隊(duì)提供了行動(dòng)系統(tǒng)，彰顯了強(qiáng)大的生產(chǎn)制造能力和國(guó)家裝甲裝備重要供應(yīng)商的地位。

——摘自中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司網(wǎng)

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

作者簡(jiǎn)介：陳長(zhǎng)秀(1981-)，女，講師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TG 178

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B