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    齿轮表面的喷丸强化技术

    文章出处:原创 编辑:抛丸机发表时间:2015-4-6 11:31:31 浏览人数:619,1,0
    简介:喷丸强化是一种受控喷丸技术,不同于喷丸清理。喷丸清理以去除工件表面油污、氧化皮、锈蚀和机械加工毛刺为目的。齿轮表面的喷丸强化主要是借助于高速运动的弹丸冲击零件的表面,使其发生弹性、塑性变形,从而产生残留压应力、加工硬化和组织细化等有利的变化,以提高齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度,是改善齿轮抗咬合能力、提高齿轮使用寿命的重要途径。
    一、喷丸强化机理及其作用:
    1. 喷丸强化处理能改善零件表层的应力分布:
      喷丸后的残留应力来源于表层不均匀的塑性变形和金属组织相变,其中以不均匀的塑性变形为主。喷丸后,金属表面产生大量凹坑形式的塑性变形,表层位错密度大大增加,而且还出现亚晶界和晶粒细化现象,如附图所示。
    零件表面对比图
      经喷丸处理后的齿轮表层残留奥氏体有一部分将变成马氏体,因相变时体积膨胀而产生压应力,从而使得表层残留奥氏体向着更大的压应力方向变化,因而提高了齿轮的疲劳强度。通过喷丸强化,还能消除热处理应力,去除表面氧化皮,改善零件的缺口敏感性,并把容易引起零件失效的残留应力转变为压应力,有效地限制了裂纹源的产生和扩展,较大幅度提高零件的疲劳寿命。
    2. 喷丸强化可改善工件的疲劳性能:
        由于喷丸强化提高了表而压应力而显著改善其疲劳性能,对于承受高周波疲劳载荷的工件尤为有效。喷丸强化形成的残留压应力可抵消部分外加载荷。喷丸时,小尺寸球形钢丸击打工件表面而形成压应力,每一弹丸的冲击都会使金属产生一定的塑性变形,最终表面不能完全回复而形成了永久的压应力状态。作为一种表面强化工艺,喷丸能在表面形成残留压应力相当于材料抗拉强度极限的55%~60%,而工件表面恰是容易萌生裂纹的地方。对于渗碳淬火齿轮,所形成的压应力可达1177~1725MPa,可大大改善疲劳性能。压应力层深度是喷丸强度(或喷丸能量)的函数,随着弹丸尺寸或弹丸速度的增加而增加。
    二、喷丸强化工艺参数:
      喷丸强化工艺对弹丸的形状、尺寸和硬度等要求较高,用喷丸强度和表面覆盖率来控制喷丸工艺,用残留应力和疲劳试验来检测表面强化效果。
      喷丸强化工艺参数包括弹丸材料、弹丸直径、弹丸速度、弹丸流量、喷射角度、喷射距离、喷丸时间和覆盖率等,其中任何一个参数的变化都会不同程度影响喷丸强度,即影响强化效果。
    (1)弧高度试片  标准Almen弧高度试片是综合评价喷丸强化工艺参数的一种专用量规。它是用70号弹簧钢制成,共有三种规格,代号分别为N、C、A,分别使用于3种不同喷丸强度要求的场合。
    (2)弧高曲线  弧高曲线是在其他工艺参数固定情况下,同一种试片的喷丸弧高值随喷丸时间(或喷丸次数)变化而变化的,标志着弧高值——时间相对关系的曲线。
    (3)喷丸强度  喷丸强度通常采用弧高值测定法,其要点是用一定的弹簧钢试片通过检测喷丸强度后的形状变化来反映喷丸效果,具体操作是用Almen试片(一般硬度为44~50HRC)固定在夹具上,经投射喷丸后再取下试片,然后用检具(如Almen测量仪)测量弯曲弧的高度。
      喷丸强度的另一种检验方法为残留应力检测,即对强化喷丸后的工件进行残留应力的检测,具体的检验方法为X射线衍射法。
    (4)表面覆盖率  覆盖率是指被处理工件表面经喷丸处理后,弹丸压痕面积与被喷工件表面积的比值。通常用百分数表示。测量要点是把Almen试片经喷丸后放大约50倍,测量其弹丸压痕面积。因很难保证覆盖率为100%,故实际上把98%的覆盖率定义为全覆盖率。对于产品图样要求300%的覆盖率,通常用达到98%的有效覆盖率所需喷丸时间的3倍来实现。
    (5)弹丸质量  弹丸质量对强化效果影响很大,一般规律是:弹丸直径小,工件表面残留应力较高,但强化层较浅;弹丸直径大,工件表面残留应力较低,但强化层较深;弹丸硬度高,喷丸强度也高;弹丸直径增加,喷丸强度也增加;弹丸速度增加,喷丸强度、表面压应力和强化层深度三者增加。
    (6)喷丸时间  在其他喷丸工艺参数不变的情况下,喷丸只有达到“饱和”时间或两倍于“饱和”时间时可获得最佳强化效果,通常强化时间不足比强化时间过度更为不利。因此,当发现强化时间低于规定时间时,可以对该工件再进行一次补充强化。
    三、喷丸强化技术的应用:
    1. 提高渗碳齿轮表面硬度:
      例1:一汽热处理分厂喷丸设备采用德国产TR5SVR—1型应力喷丸设备。喷丸工艺为:采用直径为0.8mm钢丸,喷丸时间为9min,喷丸速度为2800r/min。齿轮材料为22CrMoH钢,经渗碳淬火及回火处理。喷丸强化处理后齿轮表层组织得到了细化,表层的残留奥氏体含量比未经喷丸处理工件的残留奥氏体含量要低10%左右,在距离表面0.15mm范围内,变化量比较明显;经强化喷丸处理后的齿轮表面硬度提高了0.5~2HRC。
    2. 提高齿轮表面残留压应力并改善表层组织:
      例2:桑塔纳轿车变速器二挡从动齿轮,经渗碳淬火、回火处理。喷丸采用叶轮式喷丸机,喷丸到了细化马氏体亚结构的作用。有利于残留应力的提高,从而提高了齿轮的疲劳性能。
    3. 提高齿轮的疲劳寿命:
      例3:一汽采用强化喷丸工艺对“解放”牌汽车变速器一挡齿轮进行疲劳寿命试验,显著提高了齿轮的疲劳寿命,如表1所示。为了提高“解放”牌主动螺旋齿轮的疲劳寿命采用大圆弧滚刀切齿,增大齿轮圆角可以使主动螺旋齿轮的寿命由20.83万次提高到69.54万次,如果再采用强化喷丸,可以使其疲劳寿命提高到210.9万次。
    表1  喷丸强化对“解放”牌变速器一挡齿轮疲劳寿命的影响
    表1  喷丸强化对“解放”牌变速器一挡齿轮疲劳寿命的影响
      例4:齿轮采用碳氮共渗后喷丸强化,提高了接触疲劳强度。如SCM420H钢齿轮,经通氨气等进行碳氮共渗,随着含氮量的增加,ΔHV(硬度降)提高,即抗回火性能提高,回火温度可达300℃。解决了汽车用自动变速器AIT常规渗碳齿轮齿面接触疲劳破坏问题。
    四、喷丸强化新技术:
    1. 齿轮的硬喷丸技术:
      (1)硬喷丸技术  硬喷丸不同于常规喷丸,而是采用700HV高硬度钢丸进行高强度喷丸,并使A型试片产生0.6mm以上的弧高,形成较大的残留压应力,得到高的疲劳强度。适合于优质渗碳钢(如DSG1钢,wSi降至0.15%以下,而使内氧化现象及非马氏体大为减少;降低晶界脆性元素wP<0.015%,提高wM o至0.4%,使渗层韧性大为改善),它在消除内氧化等渗碳缺陷及保证渗层韧性方面效果较好。
      (2)两次喷丸(双喷丸)技术  对于渗碳淬火硬度在600HV以上的齿轮,较难通过正常喷丸达到较高压应力。为此,采用二次喷丸硬化提高疲劳强度,即首先采用700HV高硬弹丸进行高强度喷丸(如0.6mm钢丸),并使A型试片产生0.6mm以上的弧高,获得一定深度的表面强化层,然后再用细小的低强度小弹丸(如0.08mm钢丸)进行一次低强度喷丸,可在工件表面和次表面形成残留压应力。第二次喷丸的目的就是减轻表面加工硬化,改善表面粗糙度,提高表面压应力,即进一步提高齿轮的疲劳性能。此项技术属于冷作处理。
    五、弹丸:
    1. 钢丝切丸:
      采用预钝化钢丝切丸技术生产的新一代表面清理和强化的优质丸料,不仅钢丸硬度及尺寸均匀、寿命长,而且生产中粉尘产生率低,可称之为绿色、环保钢丸,可应用于齿轮喷丸强化处理等。
    2. 强韧性弹丸及其化学配方:
    表4 表5
    (1)用于喷丸的弹丸一般采用铸钢型或切线型,铸钢弹丸一般用水雾化方法生产,并调质到392~513HV,对于硬喷丸处理,要求弹丸硬度达700HV左右。
    (2)新型钢丸要求wC≥0.5%,其Mn、S、P含量也均有降低,其化学成分如表4所示,采用快冷离心雾化方法改善中碳铸钢枝晶组织。喷丸处理时,弹丸流率为0.75kg/s,喷射速度为106m/s,喷丸强度为1.0mmA。作为高强韧性弹丸的第二选择是高碳预处理过的高强度切线弹丸,尺寸为φ0.8mm,为了得到700HV左右的高硬度,其wC应增至0.8%,其化学成分如表5所示。
    本文来源青岛华盛泰抛丸机://www.krg3.com.cn/jishu/619.html
    关键词:抛丸机 抛丸清理机 青岛抛丸机 路面抛丸机 履带式抛丸机 吊钩式抛丸机
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