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摘要就汽车变速箱齿轮表面不同渗碳强化工艺,及其渗碳后强力喷丸复合工艺,对接触疲劳、弯曲疲劳和小能量多次冲击疲劳性能的影响,进行了试验研究。结果表明,渗碳后强力喷丸表面复合强化可使疲劳性能得到显著改善;高浓度渗碳提高次表层强度和增加有效层深,是接触疲劳性能提高的原因之一,而强力喷丸对表面层强度的提高和引入残余压应力,可有效地弥补大量残余奥氏体所造成的不利影响;在高应力条件下,复合强化效果受到影响。本文由抛丸机厂家整理
关键词表面复合强化渗碳强力喷丸疲劳性能

1、引言
汽车变速箱齿轮主要失效形式是齿根的弯曲疲劳和齿面的接触疲劳及小能量多次冲击疲劳(以下简称多冲疲劳)。因此国内外都采用各种表面强化手段以提高其疲劳性能、延长其使用寿命,其中表面渗碳在国内应用十分广泛。在渗碳过程中,某些工艺参数的变化如高的碳浓度和淬火温度等,可使工件表层存在大量的残余奥氏体(Ar)。研究表明工件表层存在一定量的残余奥氏体对接触疲劳性能是有利的l`],而对弯曲疲劳及多冲疲劳和磨损有害`2],其原因主要是由于高的Ar量造成工件表面强度和残余压应力的下降。我们经不同渗碳工艺后得到不同的Ar量,并对其进行强力喷丸复合强化,综合对比分析了各工艺条件下对疲劳性能的影响,从而为进一步推广应用强力喷丸这种既简单又经济的表面强化工艺,作了一些探讨性的工作。
2试验条件
2.1试验材料
采用目前国内汽车工业普遍使用的20crMniT渗碳钢,其主要化学成份(各质量分数)为:w(c)=0.21%,w(51)=0.26%,w(Mn)=1.0%,w(Cr)=1.1%,w(Ti)=0.08%。
2.2渗碳工艺
工艺l为汽车行业现行的常规渗碳工艺,与生产齿轮同炉处理,930℃渗碳,碳势105%J850℃淬油,190℃回火;工艺H增高了碳势,提高了淬火温度,具体工艺为:930℃渗碳碳势1.3%,880℃淬油,190℃回火•

2.3强力喷丸工艺
经上述两种工艺渗碳后,在HC一34型强力喷丸机上,采用直径2.smm、硬度48一55HRC的钢丸材料,喷丸强度fa=.056mm。渗碳工艺工与强力喷丸的复合工艺记作工艺1,渗碳工艺H与强力喷丸的复合工艺记作工艺VI。
2.4硬度、Ar量、残余应力的测定
对硬度、Ar量和残余应力`r从表面到内部的径向分布分别在MCIRDMET一2型显微硬度计上、D/max一川AB型X射线衍射仪上和MSF一ZMx射线应力仪上进行测定。Ar量和`r均采用化学腐蚀剥层法,每一深度上测3一5次。取其平均值。
25疲劳试验
在PJM一1型试验机上进行接触疲劳试验。采用对滚试样,接触带宽3mm,外径为60mm。试验条件为:相对滑差一5%,20“机油润滑,油温低于50℃;在Y12一l型试验机上进行旋转弯曲疲劳。采用带缺口(缺口直径为10mm)试棒,
转速为3000r/min;在经改装的DC一150型试验机上进行多冲疲劳试验。采用标准的U型冲击试样,冲击频率为45次/min,冲击速度为70m/s。
3试验结果
3.1渗碳处理结果
工艺I与工艺H渗碳处理后的结果见表1,其中有效层深指Hv》50的深度,其含碳量剥层分析结果见图1•

由表和图可知,工艺H表面A:量可达五级,虽然表面硬度有所降低,但渗层的总层深比工艺I深,特别是有效层深,比工艺I增加了188%;并且当渗层深度相同时,工艺H比工艺I具有更高的含碳量这必然会导致工艺H比工艺I在同一层深处具有更高的强硬度。
表 1 渗碳处理 结果

3.2强力喷丸复合强化结果
两种渗碳工艺强力喷丸复合强化前后的硬度分布•Ar量分布、`:分布见图2一4。

由图2可知,各工艺喷丸后其表层Hv均明显提高,工艺I提高soHv左右,而工艺H最多提高90Hv左右;由图2还可发现,工艺H的HV峰位移至.0smm附近,表面层HV较低,与工艺工相比,最多减少HVSO左右。但次表层0.3一l.0mm范围内的Hv有明显的提高,与工艺I相比,最多增加6OHv左右。工艺11喷丸后,Hv峰位回到表面层,与工艺工相比,最多增加60HV左右。工艺H喷丸后,Hv峰位回到表面层,与工艺工峰势类同。工艺H表面层具有大量的Ar,其深度可达.04mm左右,从而使其表面层Hv降低,峰位移至次表层;但在高的碳势作用下,次表层组织仍能达到很高的含碳量,从而使之Hv比工艺I有明显的提高;强力喷丸后的形变强化和组织强化使得工件表面Hv提高,工艺H的峰位移向表面层。

由图3可知,各工艺喷丸后其表层Ar量均明显减少,工艺I最多减少约5%,而工艺H约为18%;由图3还可发现,工艺I工比工艺I表层A:量高一倍多;喷丸后工艺H的表层仍存在有大量的Ar。渗碳工艺参数的变化使工艺H表层Ar量大大增多;喷丸过程中A;发生马氏体诱发相变,使表层A:量有所减少;工艺H喷丸后表层仍存在有大量的Ar,必然会对其疲劳性能有所影响。
由图4可知,各工艺喷丸后其表层均存在一个残余应力区J工艺I比工艺H的最大残余压应力值稍大些、残余压应力区也稍深些。喷丸过程中高速运动的钢丸流反复连续作用在工件表层的赫芝应力,所产生的循环弹塑性交替应变决定了喷丸后其表层残余压应力区的大小和形貌

3.3疲劳试验结果
喷丸前后采用700MPa固定的弯曲应力下进行寿命对比,其结果见表2。

表2弯曲疲劳试验结果


结果表明,各工艺叶喷丸后其弯曲疲劳寿命均明显提高,该结果与其他文献报道的类同,其主要原因是由于喷丸后的表层残余压应力区和形变强化效应。试验结果还表明,工艺H的弯曲疲劳寿命比工艺工的低,说明表层存在大量的残余奥氏体对弯曲疲劳寿命是有害的。
喷丸前后采用二个冲击能量级别进行多冲寿命对比,其结果见表3。

表3多冲疲劳试验结果


结果表明,各工艺,在较低冲击能量下其喷丸后多冲寿命均明显提高,而在较高冲击能量下喷丸的影响不显著。喷丸提高多冲寿命的主要原因与弯曲疲劳类同;但在较高冲击能量下,残余应力的急剧松驰和喷丸缺陷的作用,可能是对多冲寿命影响不显著的主要原因
喷丸前后接触疲劳试验结果见图5。

由图5可知各工艺喷丸后其接触疲劳寿命均明显提高在较低接触应力下更显著;由图5还可发现,高浓度渗碳与强力喷丸表面复合强化工艺,具有高的接触疲劳寿命。表层残余应力导致次表层接触应力的重新分布,以及表层形变强化,是喷丸提高接触疲劳寿命的主要原因;喷丸后工艺vI表层仍存在大量Ar,是其具有最高接触疲劳寿命的主要原因;在较高接触应力下喷丸表面的显微裂纹,会成为扩展纹而使接触疲劳寿命受到影响

4结果讨论
4.1表面复合强化与疲劳性能
试验表明,渗碳后强力喷丸表面复合强化工艺J可改善变速箱齿轮在服役过程中所能遇到的疲劳性能。大量文献报道,强力喷丸可显著提高弯曲疲劳性能,本试验表明,强力喷丸也可使多冲性能和接触疲劳寿命提高。由于喷丸引入的形变强化,使工件表层强硬度升高,喷丸引入的组织强化使工件表层Ar减少,均可使疲劳裂纹萌生扩展阻力增大;特别是喷丸引入试件表层高的残余压应力,它可直接部分抵消承受弯曲疲劳和多冲试件表层的最大外加拉应力,从而使弯曲疲劳裂纹萌生于受力较小的次表层。并且喷丸所引入工件表层高的残余压应力J可使萌生接触疲劳裂纹的次表层附近的最大切应力丁。a、降低从而使接触疲劳裂纹的萌生扩展动力减小。所以说,渗碳后强力喷丸表面复合强化,可同时进一步改善弯曲疲劳、接触疲劳和多冲性能,具有优异的综合疲劳性能,是提高变速箱齿轮等工件疲劳强度、寿命和可靠性的有效表面强化工艺。
4.2表面复合强化与残余奥氏体Ar试验中还发现,工件表层获得大量A:后强力喷丸表面复合工艺的综合疲劳性能最好,特别是接触疲劳性能,就N二2XI护而言,其条件接触疲劳强度比现行常规渗碳工艺提高13.6%;
就`。ax=380MPa而言,其疲劳寿命提高巧倍。
并且其弯曲疲劳和多冲性能也比现行常规渗碳工艺有明显提高。而仅有大量A:虽能使接触疲劳性能明显提高但弯曲疲劳和多冲性能受到影响。喷丸后若其表层仍能存在一定量的Ar这些A:本身对接触疲劳性能的积极作用文献报道很多,在此不多讨论。但以往人们多注重分析Ar本身对接触疲劳性能的影响,而把造成大量Ar的热处理工艺所引入的积极作用也都隐含地归结为A:本身的作用。本试验表明,在相同渗碳生产周期下,获得大量A:的渗碳过程中往往具有较高的碳势,而具有较高碳势的热处理工艺,可导致其有效渗层加深和次表层含碳量及强硬度的提高。对渗碳齿轮而言,接触疲劳裂纹萌生在丫ma、处于最大值的次表层,该处有效渗层的加深和强硬度的提高必然使其疲劳裂纹萌生扩展阻力增大,再加上喷丸引入表层高的残余压应力使该处的丁。a:减小,疲劳裂纹萌生扩展动力降低,从而使接触疲劳性能显著提高。而表层大量A:所造成的强硬度不足的不利影响,特别是喷丸所引入高的残余应力,可有效地弥补因大量Ar所造成的残余压应力下降的不利影响,从而使弯曲疲劳和多冲性能也有明显地提高。所以说,渗碳过程中表层获得大量Ar,再经强力喷丸复合强化,是提高变速箱齿轮等工件疲劳强度、寿命和可靠性的有效表面复合强化工艺。
5结论
(1)强力喷丸可有效地弥补表层高A:量所造成的表层强硬度和残余压应力下降的不利影响。本文由抛丸机厂家整理
(2)渗碳后强力喷丸表面复合强化工艺是提高变速箱齿轮等工件疲劳强度、寿命和可靠性的有效措施尤其是表层能获得大量A:的渗碳工艺,经强力喷丸后可使工件具有最好的疲劳性能。在高的受力条件下其效果受到影响。
(3)表层高的A:量提高接触疲劳强度的原因之一是,渗碳过程中高的碳势导致次表层强硬度提高和有效渗层增加