樣品齒輪由標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)鋼18CrNiMo7制成，經(jīng)過(guò)機(jī)械處理后，再使用三種常用的熱處理方法對(duì)此類零件進(jìn)行進(jìn)一步加工：滲碳（C）、氮化（N）和碳氮共滲（NC）。熱處理后，齒輪進(jìn)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(jìn)行。“熱”噴丸處理的目的是盡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(yàn)過(guò)程中選用了兩種彈丸：S110和S330。基礎(chǔ)噴丸處理后，某些樣品使用更細(xì)的彈丸Z150陶瓷珠進(jìn)行再噴丸處理。加工完成后，對(duì)齒輪進(jìn)行金相分析，以測(cè)量?jī)煞N不同荷載水平下齒輪的顯微硬度及其永久動(dòng)態(tài)強(qiáng)度。

一、噴丸工藝

選擇以下彈丸進(jìn)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(guò)調(diào)整噴嘴相對(duì)于齒輪的角度，我們獲得了齒根和齒頂?shù)募哑胶鈴?qiáng)度。在180℃下對(duì)滲碳齒輪及在320℃下對(duì)氮化齒輪同時(shí)進(jìn)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?yàn)檫@會(huì)抵消之前熱處理的作用。

二、噴丸強(qiáng)度

我們決定針對(duì)不同的彈丸選擇不同的噴丸強(qiáng)度，并盡努力調(diào)整齒輪的齒根和齒面強(qiáng)度。冷噴丸和熱噴丸工藝的強(qiáng)度結(jié)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(qiáng)度值。

不同彈丸下的噴丸強(qiáng)度  

三、測(cè)試和測(cè)量

動(dòng)態(tài)強(qiáng)度測(cè)試是在一臺(tái)專用機(jī)器上進(jìn)行的，其中對(duì)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(zhuǎn)34 kN，第二轉(zhuǎn)40 kN。

測(cè)試期間齒輪夾持方式及荷載

噴丸處理后，對(duì)每個(gè)熱處理和噴丸處理方法組合進(jìn)行齒面顯微硬度測(cè)量。這有助于確定噴丸處理對(duì)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(xì)的彈丸再噴丸的效果。

滲碳齒輪隨深度變化的硬度分布

（HT–熱噴丸）

結(jié)果表明，傳統(tǒng)噴丸處理可使材料硬度相對(duì)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(cè)量，作用深度為1–1.2 mm。另一方面，“熱”噴丸處理導(dǎo)致硬度降低約50 HV。

對(duì)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(duì)于氮化齒輪，檢測(cè)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(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)度試驗(yàn)

4.1 滲碳齒輪

冷噴丸工藝對(duì)滲碳齒輪動(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)度的影響如下圖所示。

冷噴丸處理對(duì)滲碳齒輪動(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)度的影響

如圖中所示，除S110+Z150組合外的所有噴丸方法都會(huì)導(dǎo)致滲碳齒輪的動(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)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(qiáng)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(huán)而不會(huì)斷裂。

在“熱”噴丸處理的情況下，所有三種操作都會(huì)導(dǎo)致滲碳齒輪的動(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)度降低30–50%（下圖），使用鋼珠和陶瓷珠（HT-S110+Z150）的組合進(jìn)行“熱”噴丸處理，再次成為接近參考滲碳齒輪的方法。

熱噴丸對(duì)滲碳齒輪動(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)度的影響

4.2 碳氮共滲齒輪

對(duì)于碳氮共滲齒輪，使用S330和S110+Z150進(jìn)行噴丸處理可提高齒根強(qiáng)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(yīng)力/荷載/水平下都能使動(dòng)態(tài)根部強(qiáng)度提高幾倍，而S330噴丸處理的動(dòng)態(tài)根部強(qiáng)度提高約30%（下圖）。

冷噴丸處理對(duì)碳氮共滲齒輪動(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)度的影響

4.3 氮化齒輪

對(duì)于氮化齒輪，所有冷噴丸處理對(duì)動(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)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(dòng)態(tài)根部強(qiáng)度。“熱”噴丸處理也提高了氮化齒輪的動(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)度，主要是在較低的荷載水平下。提高幅度從30-40%到超過(guò)五倍。使用鋼和陶瓷珠 HT-S110+Z150 的組合再次實(shí)現(xiàn)了顯著的提高。

冷噴丸處理對(duì)氮化齒輪動(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)度的影響

“熱”噴丸強(qiáng)化對(duì)氮化齒輪動(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)度的影響

五、結(jié)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(jīng)過(guò) S330 和 S330+Z150 處理的齒輪中觀察到高硬度測(cè)量值，其次是 S110 和 S110+Z150。對(duì)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(shí)增加了表面硬度，但程度低于冷噴丸處理。

● 齒輪動(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)度的比較表明，在滲碳齒輪中觀察到的強(qiáng)度高，其次是碳氮共滲齒輪，而氮化齒輪的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度僅為滲碳齒輪的十分之一。另一方面，對(duì)于滲碳齒輪，所有后續(xù)冷噴丸處理（S110+Z150除外）都會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)度降低多達(dá)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(qiáng)度，特別是因?yàn)辇X面可以承受超過(guò)300000次荷載循環(huán)而不會(huì)斷裂。通過(guò)“熱”噴丸處理，動(dòng)態(tài)根部強(qiáng)度降低了兩倍。

● 對(duì)于碳氮共滲齒輪，S110+Z150和S330噴丸處理工藝提高了齒根強(qiáng)度，特別是在使用鋼珠和陶瓷珠的組合時(shí)，已經(jīng)觀察到了幾倍的提高。其他噴丸操作對(duì)齒輪的動(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)度有負(fù)面影響，其降低幅度高達(dá)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(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)度。同樣，鋼珠處理的影響大，其次是陶瓷珠S110+Z150和S330+Z150。

● 根據(jù)結(jié)果，可以得出結(jié)論，處理選擇是使用鋼和陶瓷珠（S110+Z150）的冷噴丸處理組合，無(wú)論采用何種熱化學(xué)處理，都可以提高齒輪的動(dòng)態(tài)齒根強(qiáng)度。另一方面，噴丸強(qiáng)化工藝對(duì)提高氮化齒輪齒根強(qiáng)度的影響大，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(fù)面的。這表明，熱處理或熱化學(xué)處理后的表面層越薄、越硬，噴丸處理過(guò)程取得的積極效果就越大。