磨損、腐蝕、斷裂是機(jī)器零部件的三大失效模式，齒輪的失效主要以齒面剝落，點(diǎn)蝕或斷裂等失效形式，其中以斷裂失效的災(zāi)難與損失最大。而斷裂失效又以疲勞斷裂模式所占比例最高。因此，從設(shè)計(jì)、材料、工藝等各方面想辦法提高齒輪的疲勞壽命。齒輪強(qiáng)力噴丸是提高齒輪疲勞壽命的手段之一。
我國(guó)強(qiáng)力噴丸工藝在機(jī)械行業(yè)也是從20世紀(jì)80年代起，特別是近二十年隨著汽車制造業(yè)的崛起、風(fēng)電發(fā)電工業(yè)的發(fā)展才得以重視，并帶動(dòng)噴丸強(qiáng)化用介質(zhì)、設(shè)備和工藝技術(shù)的發(fā)展。介紹各種強(qiáng)力噴丸的資料不少，但對(duì)18CrNiMo7-6鋼不同硬化層深度下，強(qiáng)力噴丸對(duì)齒輪性能的影響研究不多。本文就強(qiáng)力噴丸對(duì)18CrNiMo7-6鋼不同硬化層深度齒輪的性能影響進(jìn)行研究，為18CrNiMo7-6鋼齒輪強(qiáng)力噴丸提供工藝試驗(yàn)依據(jù)。
1.試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法
試驗(yàn)用18CrNiMo7-6鋼采用電弧爐真空脫氣冶煉，澆注成鋼錠，經(jīng)開(kāi)坯、鍛造撥長(zhǎng)，正火加高溫回火預(yù)先熱處理。粗加工后先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后,分別加工成模數(shù)為6和15.25兩種3齒塊，齒寬為100mm，進(jìn)行滲碳淬火、低溫回火。試樣化學(xué)成分為(wt，%)：C0.19，Si0.32，Mn0.72，P0.010，S0.008，Cr1.62，Mo0.28，Ni1.51，H≤2ppm，O≤20ppm，其余為Fe。
18CrNiMo7-6鋼模數(shù)為6齒塊在Aichelin可控氣氛多用爐，隨齒輪零件一起進(jìn)行滲碳直接淬火，滲碳溫度930℃，強(qiáng)滲碳勢(shì)1.10%～1.20%，強(qiáng)滲時(shí)間4.5h，擴(kuò)散碳勢(shì)0.65%～0.75%，擴(kuò)散時(shí)間2.5h，降溫至830℃，保溫0.5h直接在G油中淬火，160～200℃低溫回火5h×2空冷，清理拋丸，滲碳直淬工藝曲線如圖1所示。
18CrNiMo7-6鋼模數(shù)為15.25齒塊在Aichelin可控井式爐滲碳，強(qiáng)滲期碳勢(shì)1.10%～1.20%，擴(kuò)散期碳勢(shì)0.65%～0.75%，進(jìn)行不同時(shí)間滲碳后850℃出爐緩冷;然后在Aichelin可控氣氛多用爐加熱淬火，加熱溫度820～850℃保溫5h后在G油中淬火，160～200℃低溫回火5h×2空冷，清理拋丸。滲碳淬火工藝曲線如圖2所示。
在KXS-226P數(shù)控噴丸機(jī)進(jìn)行強(qiáng)力噴丸，彈丸為S330鑄鋼丸，彈丸直徑0.8～1.0mm，彈丸硬度48～52HRC，用阿爾門A試片弧高值測(cè)定噴丸強(qiáng)度，弧高值為0.42～0.43mm，進(jìn)行強(qiáng)力噴丸，覆蓋率200%以上。利用HR-150A洛氏硬度計(jì)測(cè)表面硬度，利用FM-700半自動(dòng)顯微硬度計(jì)檢驗(yàn)有效硬化層深度，利用AXIO OBSERVER.AI金相顯微鏡觀察組織，由上海交大材料科學(xué)和工程學(xué)院，利用Proto-iXRD型X射線應(yīng)力儀，Cr-Kσ輻射，1mm準(zhǔn)直管，(211)衍射晶面，X射線彈性常數(shù)-S1=1.28×10-6mm2/N，及S2/2=5.92×10-6mm2/N，測(cè)試執(zhí)行ASTME975-84及GB7704-87標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)齒根表面殘余壓應(yīng)力。
2.試驗(yàn)結(jié)果與討論
18CrNiMo7-6鋼模數(shù)為6齒塊在Aichelin可控氣氛多用爐隨齒輪零件一起進(jìn)行滲碳直接淬火，滲碳溫度930℃，強(qiáng)滲碳勢(shì)1.10%～1.20%，強(qiáng)滲時(shí)間4.5h，擴(kuò)散碳勢(shì)0.65%～0.75%，擴(kuò)散時(shí)間2.5h，降溫至830℃，保溫0.5h直接入光亮淬火油淬火，160～200℃低溫回火5h×2空冷，清理拋丸，在KXS-226P數(shù)控噴丸機(jī)進(jìn)行強(qiáng)力噴丸，噴丸強(qiáng)度為阿爾門A試片弧高值0.4～0.45mm，表面覆蓋率為200%。
試驗(yàn)結(jié)果：滲碳淬火后滲碳層組織見(jiàn)圖3，為馬氏體和少量殘留奧氏體，硬化層深度為550HV1=1.35mm，強(qiáng)力噴丸前表面硬度59～60HRC，強(qiáng)力噴丸后表面硬度60～61HRC，齒根表面應(yīng)力為-601MPa，見(jiàn)表1。 從表1數(shù)據(jù)可知，18CrNiMo7-6鋼6模數(shù)齒塊經(jīng)滲碳直接淬火低溫回火，強(qiáng)力噴丸后，硬度提高了1～2HRC。
18CrNiMo7-6鋼模數(shù)為15.25齒塊在Aichelin可控井式爐與齒輪零件一起進(jìn)行滲碳，滲碳溫度930℃，強(qiáng)滲碳勢(shì)1.10%～1.20%，強(qiáng)滲時(shí)間H1分別為20h、28h、40h，擴(kuò)散碳勢(shì)0.65%～0.75%，擴(kuò)散時(shí)間H2分別為7h、9h、16h，然后降溫至850℃入緩冷爐，溫度降至600℃以下出爐空冷。在Aichelin可控氣氛多用爐進(jìn)行加熱淬火，加熱溫度為820～850℃，保溫5h入光亮淬火油淬火，160～200℃低溫回火5h×2空冷，清理拋丸，在KXS-226P數(shù)控噴丸機(jī)進(jìn)行強(qiáng)力噴丸，噴丸強(qiáng)度為阿爾門A試片弧高值0.4～0.45mm，表面覆蓋率為200%。
試驗(yàn)結(jié)果：滲碳淬火后滲碳層組織見(jiàn)圖4，為馬氏體和少量殘留奧氏體，硬化層深度，強(qiáng)力噴丸前表面硬度、強(qiáng)力噴丸后表面硬度，表面應(yīng)力等見(jiàn)表2。從表2數(shù)據(jù)可知，18CrNiMo7-6鋼，15.25模數(shù)齒塊經(jīng)滲碳緩冷，加熱淬火，低溫回火，強(qiáng)力噴丸后，硬度提高了2～3HRC，硬化層深度在550HV1為2.34mm、2.83mm、3.78mm強(qiáng)力噴丸后齒根表面壓應(yīng)力為-720.5MPa、-722MPa、-731.8MPa。
表2 18CrNiMo7-6鋼 模數(shù)15.25齒塊滲碳淬火后金相組織、硬化層深度和強(qiáng)力噴丸前后齒根表面應(yīng)力
從表1和表2數(shù)據(jù)可知，18CrNiMo7-6鋼經(jīng)滲碳淬火低溫回火后，模數(shù)為6齒塊，硬層深度550HV1=1.35mm和模數(shù)為15.25齒塊，硬化層深度為550HV1分別為2.34mm、2.83mm、3.78mm，在相同強(qiáng)力噴丸參數(shù)下噴丸，齒根表面應(yīng)力為壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力值不同。m=6齒塊550HV1=1.35mm，齒根表面壓應(yīng)力為-601MPa，m=15.25齒塊， 550HV1=2.34mm，齒根表面壓應(yīng)力為-720.5MPa，550HV1=2.83mm，齒根表面壓應(yīng)力為-722MPa，550HV1=3.78mm，齒根表面壓應(yīng)力為-731.8MPa。模數(shù)為m=15.25，硬化層深度550HV1分別為2.34mm、2.83mm、3.78mm，三種齒塊在相同強(qiáng)力噴丸參數(shù)下噴丸，其齒根表面壓應(yīng)力值比較接近。從表1和表2還可知，18CrNiMo7-6鋼，模數(shù)為m=6齒塊滲碳淬火低溫回火后，硬度層深度550HV1=1.35mm，齒頂硬度為59～60HRC，強(qiáng)力噴丸后齒頂硬度為60～61HRC，模數(shù)為m=15.25齒塊滲碳淬火低溫回火后，硬化層深度為550HV1分別為2.34mm、2.83mm、3.78mm，齒頂硬度為59～60HRC，強(qiáng)力噴丸后齒頂硬度均為61～62HRC。模數(shù)為m=15.25齒塊滲碳淬火低溫回火后，硬化層深度為550HV1分別為2.34mm、2.83mm、3.78mm強(qiáng)力噴丸后，齒頂硬度比模數(shù)為m=6齒塊滲碳淬火低溫回火后，硬度層深度550HV1=1.35mm的齒頂硬度高1HRC。
從表2數(shù)據(jù)還可知，模數(shù)為15.25齒塊滲碳淬火低溫回火后，硬化層深度為550HV1分別為2.34mm、2.83mm、3.78mm，強(qiáng)力噴丸前齒根表面為很小的壓應(yīng)力，分別為-22MPa、25MPa、-27MPa，強(qiáng)力噴丸后齒根表面壓應(yīng)力分別為-720.5MPa、-722MPa、-731.8MPa。強(qiáng)力噴丸后大大提高了齒根表面壓應(yīng)力。因?yàn)閲娡柽^(guò)程就是表層金屬發(fā)生循環(huán)塑性變形的過(guò)程，并產(chǎn)生加工硬化的過(guò)程，從而提高表面硬度。同時(shí)強(qiáng)力噴丸使表面增加殘余壓應(yīng)力。
3.結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火低溫回火后，進(jìn)行強(qiáng)力噴丸，強(qiáng)度為阿爾門A試片弧高值0.4～0.45mm，表面覆蓋率大于200%的強(qiáng)力噴丸工藝試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：
(1)18CrNiMo7-6鋼模數(shù)為6齒塊，滲碳淬火低溫回火后齒頂硬度為59～60HRC，硬化層深度為1.35mm，強(qiáng)力噴丸后齒頂硬度為60～61HRC，齒頂硬度提高1～2HRC;強(qiáng)力噴丸后，齒根表面為壓應(yīng)力，應(yīng)力為-601MPa。
(2)18CrNiMo7-6鋼模數(shù)為15.25齒塊，滲碳緩冷，加熱淬火低溫回火后，硬度層深度分別為2.34mm、2.83mm、3.78mm，齒頂硬度為59～60HRC;強(qiáng)力噴丸后齒頂硬度為61～62HRC，齒頂硬度提高2～3HRC。
(3)18CrNiMo7-6鋼模數(shù)為15.25齒塊，滲碳緩冷，加熱淬火低溫回火后，硬度層深度分別為2.34mm、2.83mm、3.78mm，測(cè)得齒根表面應(yīng)力為-22MPa、-25MPa、-27MPa，強(qiáng)力噴丸后，測(cè)得齒根表面應(yīng)力分別為-720.5MPa、-722MPa、-731.8MPa。
我國(guó)強(qiáng)力噴丸工藝在機(jī)械行業(yè)也是從20世紀(jì)80年代起，特別是近二十年隨著汽車制造業(yè)的崛起、風(fēng)電發(fā)電工業(yè)的發(fā)展才得以重視，并帶動(dòng)噴丸強(qiáng)化用介質(zhì)、設(shè)備和工藝技術(shù)的發(fā)展。介紹各種強(qiáng)力噴丸的資料不少，但對(duì)18CrNiMo7-6鋼不同硬化層深度下，強(qiáng)力噴丸對(duì)齒輪性能的影響研究不多。本文就強(qiáng)力噴丸對(duì)18CrNiMo7-6鋼不同硬化層深度齒輪的性能影響進(jìn)行研究，為18CrNiMo7-6鋼齒輪強(qiáng)力噴丸提供工藝試驗(yàn)依據(jù)。
1.試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法
試驗(yàn)用18CrNiMo7-6鋼采用電弧爐真空脫氣冶煉，澆注成鋼錠，經(jīng)開(kāi)坯、鍛造撥長(zhǎng)，正火加高溫回火預(yù)先熱處理。粗加工后先進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后,分別加工成模數(shù)為6和15.25兩種3齒塊，齒寬為100mm，進(jìn)行滲碳淬火、低溫回火。試樣化學(xué)成分為(wt，%)：C0.19，Si0.32，Mn0.72，P0.010，S0.008，Cr1.62，Mo0.28，Ni1.51，H≤2ppm，O≤20ppm，其余為Fe。
18CrNiMo7-6鋼模數(shù)為6齒塊在Aichelin可控氣氛多用爐，隨齒輪零件一起進(jìn)行滲碳直接淬火，滲碳溫度930℃，強(qiáng)滲碳勢(shì)1.10%～1.20%，強(qiáng)滲時(shí)間4.5h，擴(kuò)散碳勢(shì)0.65%～0.75%，擴(kuò)散時(shí)間2.5h，降溫至830℃，保溫0.5h直接在G油中淬火，160～200℃低溫回火5h×2空冷，清理拋丸，滲碳直淬工藝曲線如圖1所示。
圖1 18CrNiMo7-6 6模數(shù)齒塊滲碳直淬工藝曲線
18CrNiMo7-6鋼模數(shù)為15.25齒塊在Aichelin可控井式爐滲碳，強(qiáng)滲期碳勢(shì)1.10%～1.20%，擴(kuò)散期碳勢(shì)0.65%～0.75%，進(jìn)行不同時(shí)間滲碳后850℃出爐緩冷;然后在Aichelin可控氣氛多用爐加熱淬火，加熱溫度820～850℃保溫5h后在G油中淬火，160～200℃低溫回火5h×2空冷，清理拋丸。滲碳淬火工藝曲線如圖2所示。
在KXS-226P數(shù)控噴丸機(jī)進(jìn)行強(qiáng)力噴丸，彈丸為S330鑄鋼丸，彈丸直徑0.8～1.0mm，彈丸硬度48～52HRC，用阿爾門A試片弧高值測(cè)定噴丸強(qiáng)度，弧高值為0.42～0.43mm，進(jìn)行強(qiáng)力噴丸，覆蓋率200%以上。利用HR-150A洛氏硬度計(jì)測(cè)表面硬度，利用FM-700半自動(dòng)顯微硬度計(jì)檢驗(yàn)有效硬化層深度，利用AXIO OBSERVER.AI金相顯微鏡觀察組織，由上海交大材料科學(xué)和工程學(xué)院，利用Proto-iXRD型X射線應(yīng)力儀，Cr-Kσ輻射，1mm準(zhǔn)直管，(211)衍射晶面，X射線彈性常數(shù)-S1=1.28×10-6mm2/N，及S2/2=5.92×10-6mm2/N，測(cè)試執(zhí)行ASTME975-84及GB7704-87標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)齒根表面殘余壓應(yīng)力。
圖2 1818CrNiMo7-6 6模數(shù)齒塊滲碳加熱淬火工藝曲線
2.試驗(yàn)結(jié)果與討論
18CrNiMo7-6鋼模數(shù)為6齒塊在Aichelin可控氣氛多用爐隨齒輪零件一起進(jìn)行滲碳直接淬火，滲碳溫度930℃，強(qiáng)滲碳勢(shì)1.10%～1.20%，強(qiáng)滲時(shí)間4.5h，擴(kuò)散碳勢(shì)0.65%～0.75%，擴(kuò)散時(shí)間2.5h，降溫至830℃，保溫0.5h直接入光亮淬火油淬火，160～200℃低溫回火5h×2空冷，清理拋丸，在KXS-226P數(shù)控噴丸機(jī)進(jìn)行強(qiáng)力噴丸，噴丸強(qiáng)度為阿爾門A試片弧高值0.4～0.45mm，表面覆蓋率為200%。
試驗(yàn)結(jié)果：滲碳淬火后滲碳層組織見(jiàn)圖3，為馬氏體和少量殘留奧氏體，硬化層深度為550HV1=1.35mm，強(qiáng)力噴丸前表面硬度59～60HRC，強(qiáng)力噴丸后表面硬度60～61HRC，齒根表面應(yīng)力為-601MPa，見(jiàn)表1。 從表1數(shù)據(jù)可知，18CrNiMo7-6鋼6模數(shù)齒塊經(jīng)滲碳直接淬火低溫回火，強(qiáng)力噴丸后，硬度提高了1～2HRC。
表1 18CrNiMo7-6鋼m=6齒塊滲碳淬火后金相組織、硬化層深和強(qiáng)力噴丸后齒根表面應(yīng)力
18CrNiMo7-6鋼模數(shù)為15.25齒塊在Aichelin可控井式爐與齒輪零件一起進(jìn)行滲碳，滲碳溫度930℃，強(qiáng)滲碳勢(shì)1.10%～1.20%，強(qiáng)滲時(shí)間H1分別為20h、28h、40h，擴(kuò)散碳勢(shì)0.65%～0.75%，擴(kuò)散時(shí)間H2分別為7h、9h、16h，然后降溫至850℃入緩冷爐，溫度降至600℃以下出爐空冷。在Aichelin可控氣氛多用爐進(jìn)行加熱淬火，加熱溫度為820～850℃，保溫5h入光亮淬火油淬火，160～200℃低溫回火5h×2空冷，清理拋丸，在KXS-226P數(shù)控噴丸機(jī)進(jìn)行強(qiáng)力噴丸，噴丸強(qiáng)度為阿爾門A試片弧高值0.4～0.45mm，表面覆蓋率為200%。
試驗(yàn)結(jié)果：滲碳淬火后滲碳層組織見(jiàn)圖4，為馬氏體和少量殘留奧氏體，硬化層深度，強(qiáng)力噴丸前表面硬度、強(qiáng)力噴丸后表面硬度，表面應(yīng)力等見(jiàn)表2。從表2數(shù)據(jù)可知，18CrNiMo7-6鋼，15.25模數(shù)齒塊經(jīng)滲碳緩冷，加熱淬火，低溫回火，強(qiáng)力噴丸后，硬度提高了2～3HRC，硬化層深度在550HV1為2.34mm、2.83mm、3.78mm強(qiáng)力噴丸后齒根表面壓應(yīng)力為-720.5MPa、-722MPa、-731.8MPa。
圖3 18CrNiMo7-6 模數(shù)為6齒塊滲碳淬火金相組織
圖4 18CrNiMo7-6 模數(shù)為15.25齒塊滲碳淬火金相組織
表2 18CrNiMo7-6鋼 模數(shù)15.25齒塊滲碳淬火后金相組織、硬化層深度和強(qiáng)力噴丸前后齒根表面應(yīng)力
從表1和表2數(shù)據(jù)可知，18CrNiMo7-6鋼經(jīng)滲碳淬火低溫回火后，模數(shù)為6齒塊，硬層深度550HV1=1.35mm和模數(shù)為15.25齒塊，硬化層深度為550HV1分別為2.34mm、2.83mm、3.78mm，在相同強(qiáng)力噴丸參數(shù)下噴丸，齒根表面應(yīng)力為壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力值不同。m=6齒塊550HV1=1.35mm，齒根表面壓應(yīng)力為-601MPa，m=15.25齒塊， 550HV1=2.34mm，齒根表面壓應(yīng)力為-720.5MPa，550HV1=2.83mm，齒根表面壓應(yīng)力為-722MPa，550HV1=3.78mm，齒根表面壓應(yīng)力為-731.8MPa。模數(shù)為m=15.25，硬化層深度550HV1分別為2.34mm、2.83mm、3.78mm，三種齒塊在相同強(qiáng)力噴丸參數(shù)下噴丸，其齒根表面壓應(yīng)力值比較接近。從表1和表2還可知，18CrNiMo7-6鋼，模數(shù)為m=6齒塊滲碳淬火低溫回火后，硬度層深度550HV1=1.35mm，齒頂硬度為59～60HRC，強(qiáng)力噴丸后齒頂硬度為60～61HRC，模數(shù)為m=15.25齒塊滲碳淬火低溫回火后，硬化層深度為550HV1分別為2.34mm、2.83mm、3.78mm，齒頂硬度為59～60HRC，強(qiáng)力噴丸后齒頂硬度均為61～62HRC。模數(shù)為m=15.25齒塊滲碳淬火低溫回火后，硬化層深度為550HV1分別為2.34mm、2.83mm、3.78mm強(qiáng)力噴丸后，齒頂硬度比模數(shù)為m=6齒塊滲碳淬火低溫回火后，硬度層深度550HV1=1.35mm的齒頂硬度高1HRC。
從表2數(shù)據(jù)還可知，模數(shù)為15.25齒塊滲碳淬火低溫回火后，硬化層深度為550HV1分別為2.34mm、2.83mm、3.78mm，強(qiáng)力噴丸前齒根表面為很小的壓應(yīng)力，分別為-22MPa、25MPa、-27MPa，強(qiáng)力噴丸后齒根表面壓應(yīng)力分別為-720.5MPa、-722MPa、-731.8MPa。強(qiáng)力噴丸后大大提高了齒根表面壓應(yīng)力。因?yàn)閲娡柽^(guò)程就是表層金屬發(fā)生循環(huán)塑性變形的過(guò)程，并產(chǎn)生加工硬化的過(guò)程，從而提高表面硬度。同時(shí)強(qiáng)力噴丸使表面增加殘余壓應(yīng)力。
3.結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)18CrNiMo7-6鋼滲碳淬火低溫回火后，進(jìn)行強(qiáng)力噴丸，強(qiáng)度為阿爾門A試片弧高值0.4～0.45mm，表面覆蓋率大于200%的強(qiáng)力噴丸工藝試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：
(1)18CrNiMo7-6鋼模數(shù)為6齒塊，滲碳淬火低溫回火后齒頂硬度為59～60HRC，硬化層深度為1.35mm，強(qiáng)力噴丸后齒頂硬度為60～61HRC，齒頂硬度提高1～2HRC;強(qiáng)力噴丸后，齒根表面為壓應(yīng)力，應(yīng)力為-601MPa。
(2)18CrNiMo7-6鋼模數(shù)為15.25齒塊，滲碳緩冷，加熱淬火低溫回火后，硬度層深度分別為2.34mm、2.83mm、3.78mm，齒頂硬度為59～60HRC;強(qiáng)力噴丸后齒頂硬度為61～62HRC，齒頂硬度提高2～3HRC。
(3)18CrNiMo7-6鋼模數(shù)為15.25齒塊，滲碳緩冷，加熱淬火低溫回火后，硬度層深度分別為2.34mm、2.83mm、3.78mm，測(cè)得齒根表面應(yīng)力為-22MPa、-25MPa、-27MPa，強(qiáng)力噴丸后，測(cè)得齒根表面應(yīng)力分別為-720.5MPa、-722MPa、-731.8MPa。