改善齿轮性能的方法研究及进展

朱玉轩

(山东建筑大学 材料科学与工程学院,山东 济南 250101)

0 引言

齿轮作为构成机械设备的必需部件，它对强度、耐磨性和疲劳强度有较高的要求。故齿轮常用钢材需具有良好的综合性能，以满足齿轮的使用要求。为提高综合性能，齿轮需进行渗碳处理[1]。现阶段，许多国家大力发展渗碳齿轮钢，其中中碳Cr-Mo-Mn、Cr-Ni-Mo等钢种应用较多[2]。但是，随着机械的发展对齿轮综合性能有了新的要求，还有许多技术问题尚待解决。

1 齿轮材料的表面硬化研究

对齿轮表面进行硬化处理，如喷丸、激光淬火、感应淬火和复合处理等，可提高其表面硬度和耐磨性，从而延长其使用寿命[3]。

1.1 喷丸技术的研究

喷丸强化技术开始于20世纪20年代，1927年Herber发明了第一台喷丸机[4]。陈国华等[5]对弹簧进行喷丸强化，经测试，其性能提高。为获得喷丸强化对齿轮表面的影响，胡发贵等[6]在18Cr2Ni4WA材料表面做喷丸处理，经过测试，齿轮的强度与表面质量均有提高。为进一步探索喷丸强化对齿轮的抗疲劳特性影响，李俊等[7]对20CrMnTi渗碳淬火齿轮进行喷丸处理，结果表明喷丸强化能够大幅度提升齿轮疲劳强度。喷丸前后零件表面形貌如图1所示。

图1 喷丸前后零件表面形貌

上海交通大学的戴如勇等[8]采用5种不同的喷丸工艺对20CrMnMo钢和42CrMo钢进行喷丸试验，结果表明：喷丸处理可以提高表面硬度、疲劳强度和表面质量。

1.2 激光表面硬化的研究

沈琳[9]采用激光淬火方法得到40CrNiMoA钢的均匀硬化层，经测试，齿面与齿根的疲劳强度和接触疲劳强度显著提高，齿轮使用寿命延长。中航工业西安航空动力控制有限公司的戴玉宏等[10]对40CrNiMoA钢的激光表面淬火工艺进行研究，通过激光淬火后齿轮表面硬度显著提高，且硬度过渡平稳，淬硬层深度最佳。

通过总结本部分的试验结果，可以得出结论：喷丸或激光表面强化可以提高齿轮的疲劳强度和耐磨性，喷丸可以消除热处理应力和表面氧化皮，提高零件缺口的敏感性，可以增加零件的疲劳寿命；对齿轮表面进行激光硬化处理，会消除根部出现应力集中的工艺隐患，从而提高其整体机械性能。这两种技术可以充分运用于现代汽车制造等领域，也能运用于军工行业从而促进其发展。

2 齿轮心部强化的研究

在齿轮性能的研究中，我们不仅要提高齿轮表面的强度和耐磨性，还要增加齿轮内部的韧性与强度，二者结合才能得到性能最佳的齿轮。

董芝霞[11]对合金元素相同但碳含量不同的渗碳钢进行静弯曲试验，试验后测试结果表明：含碳量会影响齿轮心部硬度，而合金元素不会。

李泽等[12]进行的实验结果表明：当齿轮发生脆性断裂时，齿轮整体所受到的冲击值与齿轮心部受到的冲击值无关；当韧性断裂发生时，齿轮心部的韧性性质与齿轮整体的韧性性质相同。

通过总结本节的实验结果，可以得出结论：碳含量不同的齿轮，其硬度也不同，合金元素不会影响齿轮强度；发生韧性断裂时，齿轮心部的韧性高低与齿轮整体韧性的高低成正比。因此，在今后的齿轮生产中，保证较高的心部韧性是很关键的问题。

3 齿轮微合金化的研究

V、Ti和Nb元素以微小化合物存在于钢铁中，可以对齿轮进行微合金化处理，使之达到更好的性能[13]。

3.1 铌微合金化技术在齿轮钢中的应用

邹有武[14]使用铌元素微合金化处理17CrNiMo6齿轮，经过测试，处理后的齿轮淬透性、晶粒细化和疲劳寿命均有提高。经铌元素处理后齿轮的形貌如图2所示。

图2 经铌元素处理后17CrNiMo6钢齿轮的形貌

3.2 钛微合金化技术在齿轮钢中的应用

邹有武[14]用钛元素对20CrMnTi齿轮进行微合金化处理，通过实验得出：钢中Ti含量对Ti夹杂物和奥氏体晶粒长大均有影响，若要提高齿轮的性能，需控制齿轮中Ti元素含量。

通过总结本节的实验结果，得出结论：用钛、铌两元素对齿轮进行微合金化处理，都能够提高齿轮的淬透性，并能够细化晶粒，延长齿轮的疲劳寿命，钛元素可以提高齿轮的硬度。但齿轮中Ti元素含量需在合适的范围内，这样才会提升齿轮的性能。

4 结论

采用表面硬化、心部强化和微合金化的方法均可提高齿轮性能，但仍然存在一些问题：

(1)齿轮表面硬化技术已经成为国内外研究齿轮性能的热点，但工艺成本高、适用范围较窄。

(2)要提高齿轮的强韧性，重要的是保证心部有足够的强度和冲击韧性，目前提高强韧性的方法较少，并且适用范围单一。

(3)在齿轮微合金化的研究中，有关微合金元素含量的数据很少，多元微合金化还有待于进一步研究。

因此，用低工艺成本制备出高性能齿轮是重要的研究方向。