喷丸处理对齿轮动态齿根强度的影响

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zui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yong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zui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zui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  

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：di一转34 kN，第二转40 kN。

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。

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。

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zui接近参考渗碳齿轮的方法。

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）。

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zui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zui显着的提高。

冷喷丸处理对氮化齿轮动态齿根强度的影响

“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zui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zui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zui大，其次是陶瓷珠S110+Z150和S330+Z150。

● 根据结果，可以得出结论，zui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zui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。