■王彩，谢立湘，马军，潘晓东
摘要：针对SAE8620H等齿轮渗碳钢，主要考虑合金元素、表面状态对疲劳强度的影响，通过材料选取、渗碳淬火工艺优化、喷丸强化、以及强喷后磷化、高能等离子弧喷涂等工艺措施，提升齿轮疲劳强度。结果表明，强喷后高能等离子弧喷涂复合工艺能更有效地提高齿轮的疲劳强度，延长齿轮副的疲劳寿命。
关键词：疲劳强度；喷丸强化；高能等离子弧喷涂；磷化处理
设计开发六档轿车变速器时，最大输入扭矩增加到180N· m以上，为了减轻变速器重量，结构更加轻便，仅采用渗碳淬火工艺已无法满足齿轮疲劳寿命的设计要求。为此，我公司从材料、工艺上进行新的尝试来提升齿轮根部的弯曲疲劳强度和齿轮表面的接触疲劳强度。而影响疲劳强度的因素有受力状态、工作温度、材料的化学成分及显微组织、表面质量和残余应力等。现主要考虑合金元素、表面状态对疲劳强度的影响，通过工艺开发，充分发掘材料的性能来提高疲劳强度，满足疲劳寿命的设计要求。
变速器齿轮可采用SAE8620H材料代替20CrMoH来提高齿轮根部的弯曲疲劳强度，表1为SAE8620H与20CrMoH材料主要化学成分的区别。SAE8620H材料Ni含量增加了约0.50%，Cr含量减少约0.50%，即用0.50%的Ni代替0.50%的Cr。Ni能中等强化铁素体，增加Ni能很好地提高心部铁素体组织的强度。分别抽取不同炉号的10个试样，进行力学性能试验，见表2，SAE8620H试样屈服强度明显高于20CrMoH试样10%以上，有利于齿轮根部弯曲疲劳强度的提升。
表1 20CrMoH与SAE8620H主要化学成分（质量分数）要求 （%）
牌号C Si Mn Cr Mo Ni 20CrMoH 0.17～0.23 0.17～0.35 0.55～0.90 0.85～1.25 0.15～0.35—SAE8620H 0.17～0.23 0.15～0.35 0.60～0.95 0.35～0.65 0.15～0.25 0.35～0.75
Ni对淬透性的影响弱于Cr，在其他主要成分相差不大时，SAE8620H的淬透性明显低于20CrMoH，J9端淬值通常低3HRC左右，即使轿车变速器齿轮模数≤3mm，但对心部硬度造成的影响很明显。为了充分发挥SAE8620H材料的韧性，提高齿轮根部弯曲疲劳强度，通过台架试验发现轿车变速器齿轮的心部硬度最佳控制在35～40HRC。SAE8620H材料可以采取如下措施来提高齿根心部硬度：选取合适的端淬值；适当冷速的淬火油；提高淬火温度；提高淬火时淬冷烈度及均匀性等。
对扭矩要求更高的齿轮副，在齿部精加工后增加强力喷丸工艺，在齿轮表层形成一塑性变形层即强化层，当前我公司喷丸强化工艺强化层深度约为0.15mm。利用该表面塑性变形层分别从残余压应力场、变形显微组织、残留奥氏体向马氏体转变、机加工刀痕的有效消除等方面来改善齿轮的疲劳强度。
但喷丸强化是具有动能的高速钢丸喷打到齿面，使齿部产生塑性变形，对齿面存在较大的损伤。对于研磨齿面，表面粗糙度变差约0.2μm、齿部精度下降一级以上。通过选取较低的喷丸强度（弧高值0.2～0.3mmA），配合圆度G2级以上的切丝钢丸，能有效减少齿面塑性变形量，而表层残余压应力又能达到600MPa以上的设计要求。 在正常喷丸强化后，采用直径0.2mm的切丝钢丸再进行一次更低强度的喷打，能进一步优化齿面的表面粗糙度，减少表层疲劳微裂纹源。
针对喷丸强化后齿面损伤问题，可在喷丸强化后再增加锰系抗磨磷化工艺。齿面在喷丸强化过程中产生了大量的凹坑，磷化膜能很好地覆盖凹坑，减小齿面表面粗糙度值，同时磷化膜具有多孔结构可吸附大量润滑油，改善齿面润滑状况。为了获得较好的存油效果，采用90～98℃的高温磷化工艺，磷化膜厚度10～25μm，磷化膜晶粒度3～16μm，表面腐蚀深度控制在0～4级。经试验测量，磷化后齿面摩擦因数约为0.151，优于普通磨齿齿面摩擦因数，改善了齿面啮合时的润滑状态，从而延长了齿轮副疲劳寿命。
（1）表层显微组织相变强化 高能等离子弧喷涂工艺致使表层约20μm深度区域化学成分及显微组织发生改变，从20μm～0.15mm处依然是喷丸强化层。高能等离子弧喷涂，采用Mo等合金元素组成的复合材料，Mo能使钢的晶粒细化，提高力学性能。在高温高压的条件下撞击并渗透进母材的20μm以内深度表面，使金属表面20μm以内深度的金相组织发生改变（见图1、图2），图2表面波纹度很小，几乎没有晶界氧化，疲劳微裂纹就不易从表面产生，有利于齿面疲劳强度的提高。
经过高能等离子弧喷涂后，表面显微硬度有所提升（见表3），虽影响较小，但能适当提升齿面接触疲劳强度。
（2）残余压应力增加 从残余应力检测（见表4）可看出，次表层残余压应力增加量达到10%以上，进一步强化了压应力场，从而提升疲劳强度。
表2 20CrMoH和SAE8620H屈服强度对比
材料牌号1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#平均值20CrMoH 842 847 851 853 860 854 854 858 862 855 853.6 SAE8620H 954 960 963 956 944 951 972 978 957 950 958.5
表3 输入轴喷涂前后表面硬度值
测量点 热喷涂前表面硬度HV0.010提高比例（%）1#851.7 1015.3 163.6 19 2#876.6 1016.8 140.2 16 3#880.3 1006.6 126.3 14 4#868.3 1008.4 140.1 16 5#903.9 1011.5 107.6 12平均值876.16 1011.72 135.56 15热喷涂后表面硬度HV0.010硬度变化值HV0.010
（3）齿面摩擦因数的改善在加工过程中加入固体润滑剂，固体润滑剂渗入金属表面后，使表面具有自润滑的效果，摩擦阻力减小。经过摩擦试验测试（见图3），干摩擦因数下降12.1%，湿摩擦因数下降7.8%，齿轮副在啮合过程中，齿面运转状况得到进一步改善。
经过高能等离子弧喷涂后，齿形轮廓偏差、渐开线轮廓偏差值下降4～6μm；对于0.8～1.6μm的磨、剃齿面，齿面表面粗糙度改善约50%（见表5）。高能等离子弧喷涂能很好地弥补喷丸强化给齿面带来的损伤，优化齿轮表面质量，从而提升疲劳强度。
图1 渗碳淬火后金相组织（500×）
图2 喷涂后金相组织（500×）
图3 齿面摩擦因数折线图
表4 输入轴齿部喷涂前后残余应力值
增加比例（%）0 -822 -861 4.7 -835 -877 5.0 20 -1176 -1319 12.2 -1093 -1202 10.0 50 -1233 -1259 2.1 -1169 -1317 12.7齿根深度/μm A样B样强喷/MPa强喷后热喷涂/MPa增加比例（%）强喷/MPa强喷后热喷涂/MPa
表5 输入轴喷涂前后表面粗糙度变化
热喷涂前处理工艺热喷涂前表面粗糙度/μm热喷涂后表面粗糙度/μm表面粗糙度变小值/μm下降比例（%）强力喷丸+磨齿0.7919 0.4128 0.3791 48插齿+渗碳淬火+强力喷丸1.8824 0.8088 1.0736 57剃齿+渗碳淬火+强力喷丸1.7302 1.0375 0.6927 40
综上所述，提高低碳合金钢齿轮的疲劳强度，可以采取以下措施：
（1）选取韧性较好的SAE8620H等含Ni低碳合金钢。
（2）采用合适的渗碳淬火工艺，控制齿轮心部硬度。
（3）采取适当的喷丸强化工艺，提升表层残余压应力值。
（4）强喷后增加高温等离子弧喷涂等复合工艺。
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20170521
作者简介：王彩、谢立湘、马军、潘晓东，株洲齿轮有限责任公司。
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