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摘要：本文就喷丸处理对汽车渗碳齿轮!疲劳寿命的影响进行了研究,分析了喷丸处理对渗碳组织,残余应力、疲劳残纹的形成及扩展规律的影响。本文由抛丸机厂家整理
叙词:喷丸强化疲劳寿命渗碳齿轮

1前言

在汽车渗碳齿轮的最表面,由于生成被称为异常组织的非马氏体组织软化层,导致渗碳齿轮的强度下降。喷丸处理可以改善渗碳齿轮表面的组织状态,或者使表面产生残余压应力,或者使表面产生加工硬化并引起一部分组织相变,减轻表面非马氏体组织层对性能的不良影响,显著提高疲劳强度,耐应力腐蚀性和耐磨性。
本文就喷丸处理对汽车渗碳齿轮疲劳寿命的影响进行了研究,分析了喷丸处理对渗碳组织、残余应力、疲劳裂纹的形成及扩展规律的影响
2实验用材料及方法
2.1实验材料及试样尺寸
实验材料采用20CrMnTi钢(GB5216);双齿弯曲疲劳试验采用CA141汽车变速器中间轴上二挡齿轮;应力测定、残余奥氏体测定采用15mmx15mmx100mm试样

2.2热处理工艺(见表1)

表1渗碳热处理工艺参数
生产周期:33min;淬火油温10℃;回火温度190℃;保温时间lh

2.3喷丸处理参数(见表2)
表2喷丸处理参数
fa为喷丸标准试片(60s12Mn钢制作)经喷丸后的试片喷丸弧翘高度即弧高,以下同

2.4疲劳试验及应力测定
齿轮双齿弯曲疲劳试验在CJS一70型30吨电磁谐振式高频疲劳试验机上进行;接触疲劳试验在JPM一l接触疲劳试验机上进行,采用20#机油润滑;残余应力沿层分布在MSF一ZMX射线应力仪上测定,选用:一eF(21)晶面为衍射面,采用SinZ中
法,剥层以30%硝酸蒸馏水溶液为腐蚀剂;残余奥氏体沿层深分布在D/max一ⅢABX射线衍射仪上进行测定

3实验结果及讨论分析
3.1喷丸对渗碳层组织的影响
经测定,齿轮渗碳后表面碳浓度为.098%一1.02%,表面硬度HRC61.5,心部硬度HR4C1,有效硬化层深度(HV550)0.85mm;喷丸后表面硬度HRC63

从图1可见,强化喷丸细化了表层组织,并使残余奥氏体发生了诱发马氏体相变。由图2可见,渗碳表面经喷丸后,可使从表面到0.1~深度内的残余奥氏体大约减少20%一25%,这是由于喷丸处理时的塑性变形使一部分残余奥氏体转变成马氏体,强化了表面层组织。
3.2喷丸对渗碳层硬度及表面残余应力的影响
喷丸使渗碳表层硬度增加(见图3),距表面越近,效果越显著,经喷丸处理后,由于加工硬化,其表层硬度值明显提高,同时使表面层的变形抗力提高。
渗碳试样表面呈拉应力状态,喷丸试样表面则呈压应力状态(见图4)且随喷丸强度增加,距表面同一距离处的残余应力值越大。这种残余压应力降低了外加张应力的水平

裂纹尖端的残余压应力提高疲劳裂纹扩展的门槛值,即△K值。而且残余应力在齿轮的啮合滚动过程中即便发生松驰也不明显,从而控制了表层内微裂纹的形成,延缓和阻止了接触疲劳裂纹的萌生及扩展。
3.3齿轮双齿弯曲疲劳试验及接触疲劳试验
经渗碳喷丸后,齿轮双齿弯曲疲劳试验结果如表3,齿轮接触疲劳试验结果见图5。从表3及图5可见,经喷丸处理后弯曲疲劳寿命及接触疲劳寿命均明显提高。这是由于喷丸所产生的形变强化及组织强化,提高了表层的变形抗力,使裂纹萌生和扩展的阻力增大,且由于喷丸引人的残余压应力显著减小了表层以下的裂纹萌生和扩展的动力,因而提高了齿轮的疲劳寿命。
表3齿轮双齿弯曲疲劳试验

图5接触疲劳试验结果

34渗碳喷丸后疲劳裂纹萌生及扩展特点
经扫描电镜下大量弯曲疲劳试样断口观察得知选择适当的喷丸参数,渗碳表面喷丸后,疲劳源由表面移向次表面,且未喷丸的渗碳试样裂纹长而疏,渗碳喷丸试样的裂纹短而密。这表明喷丸可消除渗碳表面缺陷,并强化表面,且裂纹扩展阻力较大,扩展速度较慢。见图6所示。

在σmax=2560Mpa的接触应力下,对接触疲劳试样在滚动过程中定时停机,在金相显微镜下观察裂纹萌生,并连续追踪观测,描绘裂纹形貌,至试样剥落失效,得到“裂纹扩展图”,如图7所示。
观察表明,在喷丸与未喷丸两种状态下,裂纹均在一定深度处(渗层与心部的过渡区)萌生,初始裂纹与试样表面呈一定夹角;裂纹萌生贯穿整个疲劳程,直至剥落,形成以某个初始裂纹为中心的领先裂纹群;裂纹群中的初始裂纹向表面及内部双向扩展,成为主裂纹;主裂纹扩展到一定长度后,萌生出与表面呈0角的分叉裂纹,且分叉裂纹比主裂纹向表面扩展速度快。主裂纹的相互连通最后导致产生剥落l[]。在裂纹发展过程中,喷丸试样的。角不断变化;在向表面扩展时,0角越来越小,其分叉裂纹发展至表面喷丸影响区时,再次分叉向下扩展。
而未喷丸的试样0角变化不大,其分叉裂纹迅速扩展至表面或与其它主裂纹连通造成剥落。裂纹扩展后期,未喷丸裂纹向表面扩展速率比喷丸大二倍多

综上所述,喷丸强化可以改善渗碳齿轮的表面状态,增加渗碳表面的残余压应力,显著提高渗碳齿轮的疲劳寿命。事实上,喷丸强化时并非喷丸强度越高越好,如喷丸强度及覆盖率过高,抗冲击性能降低2[,4]。所以必须根据零件在使用状态下的应力状态确定喷丸条件,选择合适的喷丸参数3[],以获得最佳应力状态、裂纹萌生与扩展规律及性能

4结论

(l)喷丸强化使渗碳表面加工硬化,减轻非马氏体组织的不良影响。
(2)喷丸强化所造成的表层残余压应力,对接触疲劳裂纹的萌生与扩展均起到延缓和阻碍作用。本文由抛丸机厂家整理
(3)喷丸强化使试样弯曲疲劳裂纹的形成,由表面移向次表面,并变得短而细,因而延缓了弯曲疲劳裂纹的形成及降低了裂纹扩展速率