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            第三十五期 噴丸處理對齒輪動態齒根強度的影響
            發布時間:2021/9/3 9:38:37

            樣品齒輪由標準結構鋼18CrNiMo7制成,經過機械處理后,再使用三種最常用的熱處理方法對此類零件進行進一步加工:滲碳(C)、氮化(N)和碳氮共滲(NC)。熱處理后,齒輪進行噴丸處理。我們選擇了冷噴丸和“熱”噴丸工藝,后者在高溫下進行?!盁帷眹娡杼幚淼哪康氖潜M可能地封閉表面上的微裂紋,并在盡可能深的表面獲得更好的齒輪微硬度。試驗過程中選用了兩種彈丸:S110和S330?;A噴丸處理后,某些樣品使用更細的彈丸Z150陶瓷珠進行再噴丸處理。加工完成后,對齒輪進行金相分析,以測量兩種不同荷載水平下齒輪的顯微硬度及其永久動態強度。


            一、噴丸工藝

            選擇以下彈丸進行噴丸處理:鋼丸S110、鋼丸S330和陶瓷丸Z150。后者用于再噴丸。通過調整噴嘴相對于齒輪的角度,我們獲得了齒根和齒頂的最佳平衡強度。在180℃下對滲碳齒輪及在320℃下對氮化齒輪同時進行了高溫(HT)下的噴丸處理。然而,碳氮共滲齒輪沒有在高溫下加工,因為這會抵消之前熱處理的作用。


            二、噴丸強度

            我們決定針對不同的彈丸選擇不同的噴丸強度,并盡最大努力調整齒輪的齒根和齒面強度。冷噴丸和熱噴丸工藝的強度結果是相同的。下表顯示了齒輪各部分在不同彈丸處理后的強度值。

            不同彈丸下的噴丸強度  

            彈丸S110S230Z150
            齒輪零件齒面齒根齒面齒根齒面齒根
            強度007A007A017A014A011N011N


            三、測試和測量

            動態強度測試是在一臺專用機器上進行的,其中對齒面施加兩種不同的交變荷載。荷載頻率為15 Hz,力各不相同:第一轉34 kN,第二轉40 kN。

            第1頁-1.PNG

            測試期間齒輪夾持方式及荷載


            噴丸處理后,對每個熱處理和噴丸處理方法組合進行齒面顯微硬度測量。這有助于確定噴丸處理對齒面表面深度的影響以及“熱”噴丸處理的影響。還確定了使用更細的彈丸再噴丸的效果。

            第2頁-5.jpg

            滲碳齒輪隨深度變化的硬度分布

            (HT–熱噴丸)


            結果表明,傳統噴丸處理可使材料硬度相對于參考齒輪增加約80–100 HV。這種差異隨著與表面距離的增加而減小。從材料表面測量,作用深度為1–1.2 mm。另一方面,“熱”噴丸處理導致硬度降低約50 HV。

            對于碳氮共滲齒輪,噴丸處理可使材料硬度增加約100 HV,并且隨著與齒面距離的增加,這種影響減小。該工藝的效果滲透到材料中約0.3 mm深。

            對于氮化齒輪,檢測到相同的硬度增加模式。噴丸處理的效果僅滲透到齒輪齒面中 0.25 毫米深處。


            四、動態齒根強度試驗

            4.1 滲碳齒輪

            冷噴丸工藝對滲碳齒輪動態齒根強度的影響如下圖所示。

            第2頁-3.jpg

            冷噴丸處理對滲碳齒輪動態齒根強度的影響


            如圖中所示,除S110+Z150組合外的所有噴丸方法都會導致滲碳齒輪的動態齒根強度降低10–50%。在S110+Z150噴丸處理的情況下,與用作參考的滲碳齒輪相比,較高荷載水平下的齒根強度降低,但另一方面,這種處理表明在較低荷載水平下的抵抗力顯著提高,其中齒面可以承受 >300,000 次荷載載循環而不會斷裂。

            在“熱”噴丸處理的情況下,所有三種操作都會導致滲碳齒輪的動態齒根強度降低30–50%(下圖),使用鋼珠和陶瓷珠(HT-S110+Z150)的組合進行“熱”噴丸處理,再次成為最接近參考滲碳齒輪的方法。

            1.jpg

            熱噴丸對滲碳齒輪動態齒根強度的影響


            4.2 碳氮共滲齒輪

            對于碳氮共滲齒輪,使用S330和S110+Z150進行噴丸處理可提高齒根強度,尤其是使用鋼珠和陶瓷珠S110+Z150的組合。S110+Z150噴丸處理在兩種/應力/荷載/水平下都能使動態根部強度提高幾倍,而S330噴丸處理的動態根部強度提高約30%(下圖)。

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            冷噴丸處理對碳氮共滲齒輪動態齒根強度的影響


            4.3 氮化齒輪

            對于氮化齒輪,所有冷噴丸處理對動態齒根強度都有積極影響。在使用鋼珠和陶瓷珠(S110+Z150和S330+Z150)組合的處理中觀察到最大的影響,其中后者的組合尤其顯著地提高了較低荷載下的動態根部強度?!盁帷眹娡杼幚硪蔡岣吡说X輪的動態齒根強度,主要是在較低的荷載水平下。提高幅度從30-40%到超過五倍。使用鋼和陶瓷珠 HT-S110+Z150 的組合再次實現了最顯著的提高。

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            冷噴丸處理對氮化齒輪動態齒根強度的影響


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            “熱”噴丸強化對氮化齒輪動態齒根強度的影響


            五、結論

            ● 噴丸處理增加了齒輪表層的硬度,這適用于所有三種熱處理方法。在經過 S330 和 S330+Z150 處理的齒輪中觀察到最高硬度測量值,其次是 S110 和 S110+Z150。對于滲碳齒輪,“熱”噴丸降低了齒輪的表面硬度;然而,在氮化齒輪中,它確實增加了表面硬度,但程度低于冷噴丸處理。

            ● 齒輪動態齒根強度的比較表明,在滲碳齒輪中觀察到的強度最高,其次是碳氮共滲齒輪,而氮化齒輪的動態強度僅為滲碳齒輪的十分之一。另一方面,對于滲碳齒輪,所有后續冷噴丸處理(S110+Z150除外)都會導致動態齒根強度降低多達50%。然而,S110+Z150處理已被證明可以在較低荷載水平下提供顯著改善的齒根強度,特別是因為齒面可以承受超過300000次荷載循環而不會斷裂。通過“熱”噴丸處理,動態根部強度降低了兩倍。

            ● 對于碳氮共滲齒輪,S110+Z150和S330噴丸處理工藝提高了齒根強度,特別是在使用鋼珠和陶瓷珠的組合時,已經觀察到了幾倍的提高。其他噴丸操作對齒輪的動態齒根強度有負面影響,其降低幅度高達35%。

            ● 相比之下,滲氮齒輪上的所有噴丸操作(冷噴丸和熱噴丸)都大大提高了齒輪的動態齒根強度。同樣,鋼珠處理的影響最大,其次是陶瓷珠S110+Z150和S330+Z150。

            ● 根據結果,可以得出結論,最佳處理選擇是使用鋼和陶瓷珠(S110+Z150)的冷噴丸處理組合,無論采用何種熱化學處理,都可以提高齒輪的動態齒根強度。另一方面,噴丸強化工藝對提高氮化齒輪齒根強度的影響最大,而在滲碳和碳氮共滲齒輪的情況下,這種效果在很大程度上是負面的。這表明,熱處理或熱化學處理后的表面層越薄、越硬,噴丸處理過程取得的積極效果就越大。



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