噴丸強(qiáng)化對20CrMnTi滲碳齒輪組織和性能影響

馬安博

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089）

噴丸強(qiáng)化對20CrMnTi滲碳齒輪組織和性能影響

馬安博

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089）

采用強(qiáng)力噴丸工藝對20CrMnTi鋼滲碳齒輪試樣進(jìn)行了表面強(qiáng)化處理。利用硬度儀、X射線應(yīng)力分析儀、表面粗糙度儀、X射線衍射儀和掃描電鏡，分別測試分析了試樣處理前后的顯微硬度、殘余應(yīng)力、表面粗糙度、殘余奧氏體含量、接觸疲勞強(qiáng)度和疲勞斷口形貌。結(jié)果表明：噴丸強(qiáng)化可顯著提高試樣表面的殘余壓應(yīng)力，殘余奧氏體量減少，表層顯微硬度增加，表面粗糙度有不同程度增大，接觸疲勞強(qiáng)度明顯提高。

噴丸強(qiáng)化；殘余應(yīng)力；表面粗糙度

齒輪是機(jī)械中廣泛采用的傳動零件之一。在工作時，齒輪的齒面受周期性彎曲應(yīng)力和接觸壓應(yīng)力的作用。例如，汽車上的變速箱齒輪，在啟動、換擋及振動時，齒根會受到突然的沖擊力；齒面相互滾動、滑動，存在著較大的摩擦力。在多種應(yīng)力作用下，齒輪的失效形式主要表現(xiàn)為齒的折斷、齒面剝落和疲勞磨損等。由于其在服役過程承受著巨大的交變應(yīng)力，加之用戶超載運(yùn)行等因素，導(dǎo)致齒輪疲勞壽命低而頻繁短期失效。為了提高齒輪的疲勞強(qiáng)度和可靠性，國內(nèi)外許多汽車廠家均采用滲碳和強(qiáng)力噴丸復(fù)合強(qiáng)化工藝[1-2]。

本文通過理論推導(dǎo)和實(shí)際測試相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)地就噴丸強(qiáng)化對滲碳齒輪組織和性能的影響進(jìn)行研究，試驗結(jié)果可為這一復(fù)合強(qiáng)化工藝技術(shù)更好地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)提供了理論依據(jù)與試驗支撐，因此具有重要的研究意義和一定的工程應(yīng)用價值。

1 實(shí)驗材料和方法

1.1 實(shí)驗材料

實(shí)驗采用某汽車變速箱一檔從動齒輪，材料為20CrMnTi鋼，化學(xué)成分見表1。將材料加工成φ20 mm×40 mm的試樣，經(jīng)930 ℃±5 ℃氣體滲碳10 h，然后直接830 ℃油淬，180 ℃回火2 h。

表1 20CrMnTi鋼的化學(xué)成分 w/%

1.2 噴丸工藝

在機(jī)械離心式噴丸機(jī)上對滲碳齒輪進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理。表2為20CrMnTi滲碳齒輪的噴丸工藝規(guī)范。

表2 齒輪噴丸工藝規(guī)范

1.3 性能表征

采用L-XRD型X射線應(yīng)力分析儀測定沿層深分布?xì)堄鄳?yīng)力；殘余奧氏體沿層深分布在XRD-7000X射線衍射儀上進(jìn)行測定；顯微硬度在HVS-1000顯微硬度儀上測量，載荷砝碼50 g；表面粗糙度測量采用TR200表面粗糙度儀；接觸疲勞強(qiáng)度在JP-52接觸疲勞試驗機(jī)上測定；在JSM-6700F型場發(fā)射掃描電鏡上觀察疲勞斷口形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面硬化區(qū)

圖1為噴丸前后滲碳齒輪試樣表面變化。觀察發(fā)現(xiàn)，在噴丸過程中，當(dāng)微小球形彈丸高速沖擊零件表面后，撞擊處因塑性變形在滲碳層表面留下直徑小于彈丸直徑的半球形凹坑，同時撞擊導(dǎo)致凹坑附近的滲碳層材料發(fā)生徑向延伸。噴丸一方面使?jié)B碳齒輪表面發(fā)生彈性變形，同時也產(chǎn)生了大量孿晶和位錯，在表面形成形變硬化層。

圖1 噴丸前后試樣的表面變化

噴丸過程就是高速的物理運(yùn)動過程。對于齒輪滲碳層表面每一點(diǎn)來說，因反復(fù)承受大量彈丸的Hertz彈性壓應(yīng)力而發(fā)生交替應(yīng)變，形成表面硬化層[3]。盡管彈丸直徑很小，但其能量很大。根據(jù)Hertz假設(shè)，接觸區(qū)域的壓力分布呈半球形，表面每一點(diǎn)所承受的等效壓力F約為450 N。由Hertz應(yīng)力分布規(guī)律可知，引起零件交替應(yīng)變而產(chǎn)生細(xì)化效應(yīng)的是切應(yīng)力τ45，而τ45沿零件表面層的分布是非線性的，其最大值切應(yīng)力τmax作用處Z在次表層[4]：

式中，a為彈丸在零件表面的接觸半徑，mm；F為零件所承受的法向壓力，在此取等效壓力，等效壓力F=450 N；R為鑄鋼丸半徑，本試驗R=0.6 mm；E為鑄鋼丸彈性模量，E=202 GPa。

代入（2）式有：a=0.11 mm。

將a代入（1）式有：Z=0.09 mm。

由以上分析可知，在本試驗條件下，噴丸對滲碳齒輪的硬化效應(yīng)只是發(fā)生在表面層，且硬化效應(yīng)最大處在距表面0.09 mm附近區(qū)域。

2.2 殘余應(yīng)力與殘余奧氏體分布

圖1為噴丸前后滲碳齒輪試樣殘余應(yīng)力分布圖。從圖中可以看出，滲碳試樣表面殘余應(yīng)力值為+200 MPa，呈拉應(yīng)力狀態(tài)，而經(jīng)噴丸試樣表面殘余應(yīng)力值為-400 MPa（fA=0.36 mm），呈壓應(yīng)力狀態(tài)，并且隨著噴丸強(qiáng)度增加，距表面同一距離處的殘余壓應(yīng)力值越大，這種殘余壓應(yīng)力降低了外加拉應(yīng)力的水平。這是因為由于噴丸強(qiáng)化的強(qiáng)機(jī)械沖擊作用使一定深度內(nèi)的滲碳層發(fā)生了滑移、位錯運(yùn)動等塑性變形，產(chǎn)生了晶粒細(xì)化和晶格畸變，并使殘余壓應(yīng)力得到調(diào)整和提高。

圖2 噴丸前后殘余壓應(yīng)力沿層深分布

圖3 噴丸前后殘余奧氏體沿層深分布

滲碳淬火后，齒輪表面層總存在一定數(shù)量的殘余奧氏體，圖2為噴丸前后滲碳齒輪試樣殘余奧氏體沿層深分布圖。從圖中可以看出，噴丸前，在滲碳齒輪試樣表面存在12.5%的殘余奧氏體，經(jīng)噴丸后，可使從表面到0.1 mm深度內(nèi)的殘余奧氏體量大約減少15%~20%，而且隨著噴丸強(qiáng)度的增加變化較為明顯。這是由于殘余奧氏體屬于不穩(wěn)定相，在噴丸過程中由于滲碳層發(fā)生了塑性變形，導(dǎo)致表層中原來的殘余奧氏體向更穩(wěn)定的馬氏體相轉(zhuǎn)變。噴丸表面的塑性變形量最明顯，發(fā)生馬氏體相變最為充分，故其殘余奧氏體含量明顯降低。

2.3 硬度變化

圖3為噴丸前后滲碳齒輪顯微硬度分布圖。從圖中可以看出，未噴丸滲碳齒輪在距表面0.1 mm的深度處硬度值最高為HV875，噴丸滲碳齒輪在距表面0.05 mm處的硬度值最高為HV1250。噴丸件顯微硬度明顯高于未噴丸，提高幅度可達(dá)35%~40%，而心部組織硬度基本相同。硬度發(fā)生變化區(qū)域均為距表面0.25 mm范圍以內(nèi)，最大變化區(qū)域在距表面0.25 mm附近。表層的硬度得以提高的原因是噴丸使得滲碳層表層產(chǎn)生局部塑性變形而造成強(qiáng)烈的加工硬化；滲碳層殘余奧氏體經(jīng)噴丸形變誘發(fā)而轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，且馬氏體的亞結(jié)構(gòu)得以細(xì)化；噴丸將造成金屬表層晶格畸變，位錯密度增加，表層殘余壓應(yīng)力值明顯增加。

圖4 噴丸前后試樣顯微硬度沿層深的分布

2.4 表面粗糙度變化

采用輪廓算數(shù)偏差Ra描述材料表面的粗糙度，能反映出加工零件表面的微觀幾何形狀特性。表1為噴丸前后滲碳齒輪表面粗糙度值Ra。從表中可以看出，經(jīng)噴丸后滲碳層表面粗糙度有所增大，而且隨著彈丸直徑的增加，表面粗糙度Ra值顯著增加。這是因為噴丸后，滲碳試樣表面的加工毛刺會被打掉或打平，但會形成明顯的彈坑，表面粗糙度值增加。彈丸直徑越大，對滲碳齒輪表面的打擊力度越大，每個彈丸的清理作用也越強(qiáng)，但零件表面彈坑深，所形成的表面粗糙度大，單位時間內(nèi)對零件的打擊次數(shù)也比較少；相反，彈丸的直徑越小，彈坑就越淺，表面粗糙度值就變小。

表3 噴丸前后試樣的表面粗糙度

2.5 接觸疲勞試驗

噴丸強(qiáng)化對疲勞性能改善的另一個最為顯著的表現(xiàn)是在失效的裂紋萌生源上[5]。在工程實(shí)踐中，微裂紋的萌生和初始擴(kuò)展是金屬材料疲勞破壞的開始，這一階段在整個疲勞壽命中所占的比例有時可達(dá)80%。

圖5為滲碳齒輪噴丸前后接觸疲勞試驗結(jié)果。從圖中可以看出，經(jīng)噴丸處理后，滲碳齒輪試樣接觸疲勞強(qiáng)度明顯提高。這是由于滲碳齒輪經(jīng)噴丸強(qiáng)化后，表層硬度顯著提高，滲碳表層的壓塑性變形造成試樣表層產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力。當(dāng)有殘余壓應(yīng)力存在時，疲勞裂紋不能在零件的表層產(chǎn)生，而只能在零件的次表面產(chǎn)生，而且產(chǎn)生疲勞裂紋所需的交變應(yīng)力的最小值提高。此外，殘余壓應(yīng)力的作用在零件表面上有缺口或微裂紋處將表現(xiàn)的更加顯著，殘余壓應(yīng)力能防止在缺口以及裂紋處集中，能夠削減外力在這些部位引起的拉應(yīng)力峰。這都使得疲勞裂紋難以產(chǎn)生、擴(kuò)展，從而有效地提高了滲碳齒輪表面的接觸疲勞強(qiáng)度[6]。

圖6為噴丸前后滲碳齒輪疲勞試樣斷口形貌，從圖中可以看出，未經(jīng)噴丸強(qiáng)化試樣疲勞裂紋源區(qū)在表面，有沿晶裂紋特征；而經(jīng)噴丸強(qiáng)化后疲勞源區(qū)由表面移向次表面，有穿晶斷裂形貌特征。此外，未噴丸的滲碳試樣裂紋長而疏，噴丸的滲碳試樣裂紋短而密。這表明噴丸可以消除滲碳層表面缺陷，并強(qiáng)化表面，同時由于殘余壓應(yīng)力的存在有效地降低了外加拉應(yīng)力，使試樣表面實(shí)際承受的循環(huán)拉應(yīng)力得以降低，裂紋擴(kuò)展阻力增加，擴(kuò)展速率降低。

圖5 噴丸前后試樣接觸疲勞試驗結(jié)果

圖6 噴丸前后試樣斷口形貌

3 結(jié)論

（1）噴丸一方面使?jié)B碳齒輪表面發(fā)生彈性變形，同時也產(chǎn)生了大量孿晶和位錯，在表面形成形變硬化層，且經(jīng)Hertz假設(shè)計算得出，硬化效應(yīng)最大處在距表面0.3 mm附近區(qū)域。

（2）噴丸強(qiáng)化可顯著提高滲碳齒輪表面的殘余壓應(yīng)力，并且隨著噴丸強(qiáng)度增加，距表面同一距離處的殘余壓應(yīng)力值越大。噴丸強(qiáng)化可使殘余奧氏體量減少，而且隨著噴丸強(qiáng)度的增加變化較為明顯。

（3）噴丸強(qiáng)化使?jié)B碳齒輪表面硬度增加，距表面愈近，效果愈明顯。經(jīng)噴丸后滲碳層表面粗糙度有所增大，而且隨著彈丸直徑的增加，表面粗糙度Ra值顯著增加。

（4）經(jīng)噴丸處理后，滲碳齒輪試樣接觸疲勞強(qiáng)度明顯提高。未經(jīng)噴丸強(qiáng)化的試樣疲勞裂紋源區(qū)在表面，有沿晶裂紋特征；而經(jīng)噴丸強(qiáng)化后疲勞源區(qū)由表面移向次表面，有穿晶斷裂形貌特征。

[1] 朱玉.采用噴丸強(qiáng)化提高汽車滲碳齒輪的強(qiáng)度[J].世界汽車, 1988(1):23-29.

[2] 匡建新.強(qiáng)力噴丸對合金滲碳齒輪表面接觸疲勞強(qiáng)度的影響[J].熱加工工藝, 2010, 39(20):193-195.

[3] 段民.滲碳淬火齒輪有效硬化層深度的理論計算[J].熱處理, 2013, 28(3):52-55.

[4] 李光瑾.滲碳齒輪有效硬化層深度確定和齒輪疲勞強(qiáng)度試驗方法[J].柴油機(jī)設(shè)計與制造, 2010, 16(3):36-41.

[5] 朱荊璞.噴丸強(qiáng)化對接觸疲勞性能的影響[J].中國表面工程, 1992(1):20-24.

[6] 孫艷.強(qiáng)化噴丸對滲碳齒輪表面接觸疲勞裂紋形成與擴(kuò)展的影響[J].汽車技術(shù), 2009(1):56-58.

Infl uence of shot peening strengthening on structure and properties of 20CrMnTi steel carburized gears

MA AnBo
（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089,Shaanxi,China）

The paper used shot-peening to strengthen the layer of the 20CrMnTi carburizing gears.The microhardness,residual stress,retained austenite,roughness,contact fatigue and fracture surface of unpeened and shot-peening specimens were studied by the microhardness tester, X - ray stress analyzer,surface roughness meter,X-ray diffractometer and SEM. The results show that shot-peening can significantly improve the residual compressive stress on the specimen surface,the amount of residual austenite decreases, and the surface microhardness increases.And also shot-peening can increase the roughness and improve contact fatigue.

shot-peening;residual stress;roughness

TG156.5；

A；

1006-9658（2017）02-0032-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.02.011

2016-10-20

稿件編號:1610-1553

馬安博（1986—），男， 講師，研究方向：金屬材料熱處理與表面處理.