汽車高性能齒輪生產(chǎn)的表面致密化方法

汽車高性能齒輪生產(chǎn)的表面致密化方法

1減少了生產(chǎn)齒輪的成本近年來，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對汽車變速器齒輪的要求也發(fā)生了變化：低成本、高質(zhì)量和大量。目前汽車變速箱齒輪的生產(chǎn)仍然采用傳統(tǒng)的方法,即將低碳鋼毛坯通過不同的機加工方法加工成齒輪,然后進行熱處理。在這一過程中不僅損失了大量的原材料,還因其昂貴的設(shè)備及逐一加工的特點使得加工成本非常之高。而這些形狀復(fù)雜,加工量大及數(shù)量多的齒輪恰恰適合于采用粉末冶金方法生產(chǎn)。這樣不僅可以提高生產(chǎn)效率,更主要的是可以顯著地降低其生產(chǎn)成本。一般來講,采用一次壓制一次燒結(jié)的普通粉末冶金工藝生產(chǎn)出來的部件其密度大都在7.2g/cm3以下。用這種方法生產(chǎn)出的齒輪雖能滿足很多方面的要求,但其表面及內(nèi)部存在的大量的孔隙,使其抗疲勞性能大大地降低。而汽車的傳動齒輪需要在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下承受很高的載荷,易產(chǎn)生齒根疲勞,且齒輪之間工作時彼此還產(chǎn)生滾動接觸疲勞?；谏鲜鲈?普通粉末冶金工藝生產(chǎn)出來的齒輪目前尚不能直接用于汽車的傳動系統(tǒng)。齒輪滾壓技術(shù)(gearrolling)已被廣泛地用于普通鋼(solidsteel)齒輪的生產(chǎn)。這種技術(shù)通過對齒面的滾壓而降低了齒面的粗糙度,從而降低了噪音。另外,表面滾壓也使齒面及其下一定厚度內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力,從而提高了齒面抗?jié)L動接觸疲勞性能。當這種技術(shù)用于燒結(jié)齒輪時,這種方法被稱為表面致密化。除上述兩種作用外,表面致密化還可將燒結(jié)齒輪表面及其附近的孔隙壓實,使其密度接近或達到理論密度,從而大大地改善了抗齒根疲勞及表面滾動接觸疲勞的性能。在批量生產(chǎn)的前提下,如果能夠正確選擇材料,壓制、燒結(jié)工藝,滾壓工藝參數(shù)及熱處理工藝參數(shù),經(jīng)表面致密化處理的燒結(jié)齒輪的生產(chǎn)總成本將比傳統(tǒng)方法的生產(chǎn)成本降低30%左右。近期的許多研究表明,經(jīng)表面致密化處理的燒結(jié)齒輪是未來低成本高效率生產(chǎn)汽車變速齒輪的最有前景及競爭力的方法之一。2樣品及結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)在開發(fā)生產(chǎn)某一新的燒結(jié)齒輪的過程中,為了節(jié)省研發(fā)成本并盡可能地降低因設(shè)計的錯誤而造成的生產(chǎn)損失,一般來講,研發(fā)工作都始于樣品齒輪(prototype)。待材料及所有的工藝參數(shù)通過樣品齒輪的研發(fā)被優(yōu)化后,大規(guī)模的系列化生產(chǎn)方可進行。圖1簡要列出了樣品及系列化生產(chǎn)的不同過程。由此可見,樣品的研發(fā)過程對后續(xù)生產(chǎn)十分重要。下面,就其主要步驟分別加以詳述。2.1齒面的熱處理reb通常,適用于制造經(jīng)表面致密化處理的燒結(jié)齒輪的粉末需滿足以下幾個方面的要求:1.較好的壓制性及流動性,以便壓制出的齒輪各部位都能達到較高的密度;2.所選的材料經(jīng)1120℃燒結(jié)后,其尺寸變化應(yīng)盡量接近于零;3.所選的材料經(jīng)滾壓后,齒面能夠形成無孔隙層(fullydensedlayer);4.燒結(jié)后,材料的硬度應(yīng)在100～170HV10之間,以防止?jié)L壓過程中因材料過硬而產(chǎn)生裂紋;5.所選的材料應(yīng)具有一定的淬硬性(hardenability),以便熱處理后齒面能達到所需的硬度,而內(nèi)部應(yīng)具有中等的硬度及較高的韌性;6.所選的材料應(yīng)適合于表面熱處理;基于上述因素的考慮,我們選擇了H?gan!?s生產(chǎn)的幾種預(yù)合金鐵基粉末:AstaloyA,AstaloyMo,Astaloy85Mo及AstaloyCrL。為了滿足上述材料的燒結(jié)硬度,混合粉中添加了0.2%～0.3%的石墨,其成分見表1。所使用的潤滑劑為Amidwax,添加量為0.8%。為了進行比較,我們選用普通錳鉻鋼作為參考,其成分也列在表1中。2.2燒結(jié)密度和密度在樣品的研發(fā)過程中為節(jié)省開支,一般根據(jù)樣品齒輪的尺寸選擇現(xiàn)有的圓柱形模具,在一定的條件下壓制出比樣品齒輪略大一點的圓柱形毛坯,以備燒結(jié)后的機加工。壓制的壓力應(yīng)根據(jù)所選擇粉末的壓制性而定。燒結(jié)溫度一般在1120～1140℃,燒結(jié)時間為20～30min,保護氣氛最好選擇氮氫混合氣體。如果使用吸熱煤氣(Endogas),應(yīng)注意其碳勢的控制,以防止燒結(jié)體出現(xiàn)脫碳或滲碳的現(xiàn)象。值得注意的是,毛坯燒結(jié)后,其密度最好在7.0～7.2g/cm3之間。如要超過7.2g/cm3,就需采用溫壓(warmcompaction)或二次壓制二次燒結(jié)(2P2S)等工藝,但這會增加齒輪的加工成本。如果密度過低,會增加表面致密化的難度及出現(xiàn)表面裂紋的可能性,且即使在表面達到很好的致密化效果,但因齒輪內(nèi)部的密度較低,其整體強度也要受到影響。2.3滾壓齒輪的尺寸機加工是將燒結(jié)后的毛坯根據(jù)樣品齒輪的尺寸加工成“預(yù)齒輪”,以待下一步表面滾壓所用。所謂“預(yù)齒輪”是指形狀及尺寸與樣品齒輪非常接近但又不完全一樣的待滾壓齒輪,其尺寸應(yīng)略大于樣品齒輪。需要強調(diào)的是,同樣的表面滾壓處理作用到普通鋼齒輪與作用到燒結(jié)齒輪所產(chǎn)生的效果是不完全一樣的。對于普通鋼齒輪,因為材料中不存在孔隙,所以表面滾壓對齒面所產(chǎn)生的塑性形變十分有限。但對于燒結(jié)齒輪,因為材料中存在大量的孔隙,滾壓使齒面及接近齒面的孔隙壓實,其塑性變形量要遠遠大于前者。因此,在對燒結(jié)齒輪進行表面滾壓處理過程中,不可將普通齒輪的滾壓處理參數(shù)直接用于燒結(jié)齒輪,尤其在“預(yù)齒輪”的尺寸選擇方面。2.4齒輪在尺寸及齒面輪廓方面的作用表面滾壓處理是通過專門的齒輪滾壓機來完成的,如圖2所示。兩個根據(jù)樣品齒輪的幾何形狀而專門設(shè)計的主動滾壓齒輪將“預(yù)齒輪”夾在中間。滾壓齒輪在高速旋轉(zhuǎn)的同時又將壓力施于“預(yù)齒輪”的齒面及齒根處,產(chǎn)生表面滾壓的效果。滾壓處理可分為三個階段:初始階段,滾壓齒輪與“預(yù)齒輪”在旋轉(zhuǎn)中接觸并相互咬合;第二階段,兩個滾壓齒輪沿與旋轉(zhuǎn)軸垂直的方向?qū)Α邦A(yù)齒輪”加載,直到它們達到了預(yù)設(shè)的軸心距離;最后階段,兩個滾壓齒輪在旋轉(zhuǎn)的同時沿與前兩個階段相反的方向運動,直到留出足夠的空間以將滾壓處理后的齒輪取出。滾壓處理過程中,這三個階段是連續(xù)完成的。批量處理時,完成一個滾壓處理的周期只需8～15s,可見其效率之高。上述過程中有一些主要因素及指標需要加以認真考慮:一是致密層的厚度多少為最佳;二是“預(yù)齒輪”與樣品齒輪在尺寸及齒面(包括齒根)輪廓方面應(yīng)有什么關(guān)系及區(qū)別;三是主動滾壓齒輪與樣品齒輪在尺寸及齒面輪廓方面應(yīng)有什么關(guān)系及區(qū)別。表面致密層的厚度通常被定義為從內(nèi)表層密度大于98%理論值處到表面(致密化處理后其密度可達到材料的理論值)之間的距離。需要指出的是,齒輪在工作狀態(tài)下所承載的最大應(yīng)力(對應(yīng)于Hertzianpressure)并不在齒面上,而是在其亞表面(距表面200～300μm)處,如圖3所示。也就是說,工作狀態(tài)時齒輪的最易破壞源于此處。要想使表面致密化對齒輪性能的影響達到最佳,其致密層的厚度應(yīng)大于這一深度。當然,致密層越厚,齒輪的性能越好。但致密化的程度總是有限度的,因為過度的致密化會使兩個滾壓齒輪對“預(yù)齒輪”齒的載荷加大,從而增加了“預(yù)齒輪”在被滾壓過程中出現(xiàn)“斷齒”的危險。圖4示出了齒輪在工作狀態(tài)時齒面下的應(yīng)力分布與致密化后的最佳密度分布及熱處理后的最佳硬度分布之間的關(guān)系?！邦A(yù)齒輪”與樣品齒輪在尺寸及齒面(包括齒根)輪廓方面的關(guān)系非常重要。要知道這種關(guān)系,首先要了解在滾壓過程中,滾壓齒輪對“預(yù)齒輪”各部分作用的特點是經(jīng)過滾壓后,在“預(yù)齒輪”齒頂(top)部的表面致密化程度很小,在其齒面(flank)處加大,而在其齒根(root)部達到最大,如圖5a所示。再就是要清楚進行表面致密化的主要目的。如果表面致密化主要是為了增加齒輪的工作載荷,則需要提高齒根的彎曲疲勞性能,即齒根處的致密化尤為重要,因此加工“預(yù)齒輪”的時候,應(yīng)在其齒根部位留有更多的材料儲積(齒根裕料rootstock),以備塑性變形所用,如圖5b所示;如果表面致密化的主要目的是為了增加齒輪的壽命,則需要加強齒面上的抗?jié)L動接觸疲勞(RCF)能力,因此齒面處的致密化更為重要,所以加工“預(yù)齒輪”時,應(yīng)在其齒面部位留有更多的材料儲積(齒面裕料flankstock),如圖5c所示。主動滾壓齒輪與樣品齒輪在尺寸及齒面輪廓方面的關(guān)系對致密化效果及樣品齒輪的最終尺寸具有非常重要的影響。一般來講,主動滾壓齒輪是根據(jù)“預(yù)齒輪”及樣品齒輪的尺寸,并考慮到表面致密化的主要目的(如前所述),使用經(jīng)過熱處理的高速鋼按照模具的標準加工而成的。制造這類滾壓齒輪要用專門的設(shè)備及技術(shù)。需要強調(diào)的是,滾壓齒輪的齒面輪廓及齒頂輪廓對致密化處理后的樣品齒輪齒面的輪廓和致密層的厚度以及齒根處致密層的厚度都有直接的關(guān)系。滾壓齒輪的齒面輪廓越外凸,處理后的樣品齒輪齒面的致密層越厚,且其齒面輪廓的外凸程度降低;滾壓齒輪齒頂?shù)某叽缭酱?處理后的樣品齒輪齒根的致密層越厚。除上述因素外,還應(yīng)根據(jù)致密化程度的要求選擇滾壓處理的時間及其過程中兩個主動滾壓輪對被處理齒輪的壓力。2.5表面致密化的注意表面熱處理是指對表面致密化后的齒輪進行表面滲碳或碳氮共滲。對本文所選的材料,其具體工藝為:920℃下在碳勢為0.8%的保護氣氛中奧氏體化80～160min,油淬至80℃。待其冷卻到室溫后,再在170℃下回火1h(無需保護氣氛)。應(yīng)該注意的是,表面致密化后的齒輪只是齒面及齒根的密度被提高了,其它外表面的密度仍然在7.2g/cm3左右。這一密度下,燒結(jié)體仍存在大量的開孔,碳在這些低密度表面上具有很強的穿透能力,從而導(dǎo)致齒輪部分表面因滲碳層過厚而降低齒輪的整體韌性。解決這一問題可采用不同的方法:可在這些低密度表面上涂敷一層特殊的涂劑,以在表面熱處理過程中阻止過多的碳原子滲入;也可對這些低密度表面進行噴丸處理,使其表面開孔閉合,達到控制碳量的目的。3表面致密化效果以及燃燒齒輪性能的測定3.1金相密度觀察將經(jīng)過表面致密化后的齒輪沿垂直于齒面的方向剖開,并對剖面進行適當?shù)膾伖?。在金相顯微鏡下就可以觀察齒輪從其表面到內(nèi)部的密度分布,必要時可使用專門的圖象處理軟件計算出從表面到內(nèi)部不同區(qū)域的密度值。用該方法,可以測定表面致密層的厚度并判斷致密化的效果。3.2顯微硬度的測定按3.1所述方法制樣。只是使用顯微硬度計在剖面上從齒表面到內(nèi)部的不同位置處測定其顯微硬度,所測的深度一般在0.05～1.5mm范圍內(nèi)。硬度的分布在很大程度上同時受表面致密化程度、所選的材料及表面熱處理的影響,它對燒結(jié)齒輪的性能具有重要的作用。這種測量一般適用于經(jīng)過表面致密化及表面熱處理后的齒輪。3.3金相組織觀察使用3.1所述的樣品,在對拋光面進行適當?shù)幕瘜W腐蝕后便可進行金相組織觀察。其目的主要是通過觀察由齒表面到內(nèi)部顯微組織的變化來判斷合金成分及熱處理工藝是否符合設(shè)計要求。這種觀察也適用于經(jīng)過表面致密化及表面熱處理后的齒輪。3.4齒輪疲勞強度的測定齒根疲勞性能是用專門的齒根疲勞試驗機測定的(見圖6)。將交變載荷施加到被測齒輪的第一及第五個齒上。規(guī)定經(jīng)過107周次的循環(huán)加載而50%被測齒沒發(fā)生破壞的最高載荷為該齒輪的齒根疲勞強度。因為齒輪的幾何形狀較為復(fù)雜,齒輪的齒根疲勞強度只能用載荷而不能用應(yīng)力來表示。3.5滾壓下的滾壓試驗齒輪在運行過程中,主動輪與被動輪的齒面之間存在著大量的滾動接觸,有時還加有一定量的滑動(sliding)磨損。由于不同齒輪的尺寸及形狀有很大的差異,很難用同一個測試設(shè)備對其滾動接觸疲勞強度加以測量。因此,以模擬齒面工作狀態(tài)為目標的滾動接觸疲勞測試機被設(shè)計出來,如圖7a所示。三個尺寸相同的加載輪將被測試樣夾在中央。試樣由PM燒結(jié)體經(jīng)加工而成,其幾何尺寸見圖7b。試驗過程中,加到試樣表面的載荷可以通過三個加載輪來調(diào)整。如果三個加載輪與被測試樣接觸面的線速度相同,它們與被測試樣之間就是純粹的滾動接觸關(guān)系;如果三個加載輪與被測試樣接觸面的線速度不相同,它們與被測試樣之間是滾動+滑動的接觸關(guān)系。試樣的損壞以其表面出現(xiàn)點蝕(pitting)為標志,整個試驗需在80℃的機油中完成,并規(guī)定經(jīng)過5×107周次而試樣表面沒發(fā)生破壞的最高壓力(赫茲壓力Hertzianpressure)為該試樣的滾動接觸疲勞強度。圖8示出表面及亞表面出現(xiàn)破壞的幾種不同的方式:表面點蝕(圖8a),亞表面裂紋(圖8b)及表面裂紋(圖8c)。圖9示出了Astaloy85Mo+0.5%C燒結(jié)態(tài)和未經(jīng)滾壓就表面熱處理后的滾動接觸疲勞強度;三種燒結(jié)材料在表面滾壓處理后再經(jīng)表面熱處理后的滾動接觸疲勞強度以及普通鋼16MnCr5表面熱處理后的滾動接觸疲勞強度?？梢?經(jīng)表面滾壓處理后的燒結(jié)材料(尤其是以AstaloyMo為基的燒結(jié)材料)與普通鋼16MnCr5的滾動接觸疲勞強度十分接近。3.6衍射測定的測定表面殘余應(yīng)力的分布是通過對試樣表面進行電腐蝕及X射線衍射測定的。如果齒輪的表面處于壓應(yīng)力狀態(tài),其抗表面接觸疲勞、齒根疲勞的能力將有所改善,但如果齒面處于張應(yīng)力狀態(tài),其表面接觸疲勞、齒根疲勞性能及齒輪的壽命都將降低。4采用表面致密技術(shù)研究了新型聚在一起齒輪的示例和成本比較4.1齒輪表面致密化及顯微硬度分布與其它擋的齒輪相比,該車第五擋齒輪工作狀態(tài)是轉(zhuǎn)速高、載荷低及齒面間壓力小,所以表面滾動接觸疲勞破壞程度較低(因為赫茲壓力較低),而齒根疲勞(高周疲勞)破壞顯得更為主要。這些特點決定了該齒輪的生產(chǎn)最容易由與表面致密化技術(shù)相結(jié)合的PM方法替代傳統(tǒng)方法。該齒輪的尺寸及其它技術(shù)要求見表2,形狀如圖10所示。為了與目前使用的普通鋼齒輪的性能進行對比,根據(jù)2.1的要求我們選擇了兩種燒結(jié)材料(代號A和B)與普通鋼(代號R)進行比較,其材料牌號及化學成分見表3。表3中同時列入了對于不同粉末添加的石墨量及材料的密度。作為樣品齒輪的開發(fā),首先根據(jù)本文2.2的要求加工出兩種燒結(jié)材料的圓柱形毛坯,然后外圓,鉆中心孔,并滾銑出齒輪的齒,這樣便加工成了“預(yù)齒輪”。普通鋼的齒輪因無需滾壓,因此使用上述方法直接加工出最終尺寸的樣品齒輪以待熱處理用。需要先指出的是,為了表面致密化后在齒輪的齒面及齒根得到滿意的致密層厚度及齒表面輪廓,正如本文2.4中所討論的,需要小批量機加工出尺寸不同但形狀接近的“預(yù)齒輪”,以優(yōu)化“預(yù)齒輪”的尺寸參數(shù)及表面致密化過程中的滾壓工藝參數(shù)。待所有參數(shù)被優(yōu)化后,方可設(shè)計用于大批量生產(chǎn)PM齒輪的模具。到時,用PM方法生產(chǎn)出的“預(yù)齒輪”應(yīng)不需要進行任何機加工便可直接進行表面致密化處理,這樣就可降低齒輪生產(chǎn)的總成本。A、B兩種PM材料燒結(jié)后的硬度分別為130HV10及120HV10,經(jīng)表面滾壓處理后與普通鋼(R材料)的齒輪一起進行熱處理。考慮到材料的成分不同,在使用本文2.5所述方法對A、B兩種燒結(jié)材料進行熱處理時,其奧氏體化時間分別為160min及80min。為防止非滾壓面的過度滲碳,熱處理前將一種特殊的涂劑(DURFERRITCONDURSALWSC200)涂于非滾壓表面。此方法僅用于材料B。滾壓處理后的齒輪由齒根到齒頂表面致密化的程度不同,其中齒根最大,齒面次之,齒頂最小,此現(xiàn)象對材料B尤為明顯,如圖11所示(圖中tD為表面致密層厚度)。圖12示出了B材料齒輪經(jīng)表面致密化處理后齒面部位(toothflank)的密度分布。圖13示出經(jīng)表面滾壓處理的A、B兩種材料齒輪滲碳后齒剖面的低倍金相照片。接近齒面的光亮處為高碳馬氏體。隨著碳含量及密度的降低,A、B兩種材料的顯微組織發(fā)生不同的變化(見圖14)。A材料齒輪齒表面及亞表面主要為高碳馬氏體摻雜少量殘余奧氏體;再往心部,因碳含量及冷卻速度的降低,其顯微組織主要為低碳馬氏體(見圖14A)。B材料齒輪齒表面及亞表面也主要為高碳馬氏體摻雜少量殘余奧氏體;再往里,發(fā)現(xiàn)貝氏體的產(chǎn)生,齒心部的顯微組織主要為貝氏體及少量的低碳馬氏體(見圖14B)。此外還發(fā)現(xiàn)B材料齒輪齒頂?shù)奶己勘三X面及齒根處明顯偏低,可見熱處理前該處的涂層對控制碳的擴散發(fā)揮了作用。圖15示出了經(jīng)表面滾壓及滲碳后A材料齒輪不同部位顯微硬度的分布。規(guī)定顯微硬度達到550HV0.1處的深度為滲碳層(處理層)厚度。此材料在齒面處的滲碳層厚度為0.7mm,在齒根處的滲碳層厚度為0.5mm,而在齒頂處因其顯微硬度超過了550HV0.1而無法定義。我們知道齒頂處為高碳馬氏體結(jié)構(gòu),其硬度較高但韌性較差,因此容易在齒頂發(fā)生脆性斷裂。圖16示出了經(jīng)表面滾壓及滲碳后B材料齒輪不同部位顯微硬度的分布?？梢婟X面處的滲碳層厚度為0.35～0.45mm,滿足了預(yù)設(shè)的滲碳層厚度為0.15～0.2法向模數(shù)的條件。此外,因為齒頂涂層對控制碳擴散發(fā)揮了作用,所以其滲碳層厚度也滿足了要求。圖17示出了經(jīng)滲碳后基準材料R齒輪不同部位顯微硬度的分布。從中可見,齒面處的滲碳層厚度為0.9mm左右,其齒面的顯微硬度明顯低于材料B。齒根疲勞試驗如3.4所述。為保證加載裝置與被測齒在試驗中一直保持接觸,設(shè)定載荷比(最小載荷/最大載荷)為0.1。每種材料測定兩個齒輪,每個齒輪測定大約15個試驗點,所測的最高周次為3×107。圖18示出三種材料齒輪經(jīng)滲碳后的齒根疲勞強度?？梢?由普通鋼(材料R)制做的齒輪具有最高的齒根疲勞強度,材料B的齒輪次之,達到前者的94%,而材料A的齒輪僅為材料R的86%。圖19示出三種齒輪的齒根疲勞曲線,可見三者齒根疲勞強度的分散度(scatter)非常接近。上述工作雖然只是用PM方法開發(fā)Volvo某一傳動齒輪的前瞻性嘗試,但結(jié)果卻非常令人鼓舞。4.2齒輪表面熱處理加工工藝的比較由于在變速箱中所處的位置(見圖20),Scania載重車變速箱中的行星齒輪(見圖21)具有中等模量(moderatemodule)及正向齒高修正(positiveaddendummodification)等特點,其重量為700g左右。表4列出了該齒輪的尺寸參數(shù)。目前該齒輪的生產(chǎn)是用合金鋼(瑞典標準SS92506,或DIN21NiCrMo2)經(jīng)機加工及表面熱處理制成的。如果該齒輪的生產(chǎn)能為PM方法所替代,其總成本將會降低20%～30%。為了比較不同材料及生產(chǎn)工藝對PM齒輪性能的影響,同時也為了比較PM方法及傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的齒輪在性能上的差異,此處選用三種材料(兩種PM材料,一種合金鋼,表5列出了所選材料的化學成分)及四種齒輪的生產(chǎn)工藝(見圖22)。與本文4.1節(jié)相似,由于目前尚無用于PM生產(chǎn)該齒輪的模具,工藝1、2及3所需的齒輪都是根據(jù)2.2的要求用PM方法制做出圓柱形毛坯,然后機加工成所要求的齒輪。工藝4中的齒輪直接由SS92506合金鋼加工而成。需要說明的是,工藝1、2及4直接加工出所需(樣品)齒輪的最終尺寸以待表面熱處理,而工藝3加工出的齒輪實際上是前面所述的“預(yù)齒輪”,其尺寸應(yīng)略大于樣品齒輪的最終尺寸以待經(jīng)表面致密化后達到其最終尺寸。表面致密化過程是在為普通鋼齒輪最終拋光用的加壓拋光機上完成的。為了減少表面熱處理因素的影響,對上述四種工藝所加工出的最終尺寸的齒輪進行了同樣的表面滲碳處理。其工藝參數(shù)取自Scania用于普通鋼齒輪熱處理的標準生產(chǎn)工藝。待上述所有工作完成之后,對四種不同工藝所生產(chǎn)出的齒輪進行了如下的測試:齒面表層密度分布,顯微硬度分布,齒根疲勞性能及齒表面下的殘余應(yīng)力分布,其結(jié)果見圖23～圖26。齒表面層密度分布的檢測量只用于經(jīng)表面致密化處理(工藝3)的齒輪,見圖23。經(jīng)過本文所使用的致密化處理,其齒面(flank)的致密層的厚度約為0.5mm。圖24示出不同工藝加工出的齒輪經(jīng)表面熱處理后從齒表面到其內(nèi)部的顯微硬度分布。用工藝1生產(chǎn)出的齒輪,經(jīng)過適用于普通鋼齒輪滲碳工藝參數(shù)處理后,因其密度較低(約7.0g/cm3),表面又未經(jīng)過致密化處理,因此從表面到內(nèi)部的碳濃度的分布比較均勻,顯微硬度變化亦不大。工藝2的齒輪是經(jīng)溫壓生產(chǎn)出來的,其密度約為7.4g/cm3。在這種密度下,材料內(nèi)部的孔隙大部分為閉孔,滲碳過程中,在同樣的溫度下,碳的擴散行為比前者(工藝1)大大降低,因此從其表面到內(nèi)部的顯微硬度的分布比前者有較大的改善,其滲碳層的厚度為1.1mm。這一指標達到了設(shè)計的要求。但是可以看出,其表層最大的顯微硬度還明顯低于工藝3和工藝4生產(chǎn)出的齒輪。用工藝3和工藝4生產(chǎn)出的齒輪,其表層顯微硬度分布狀態(tài)明顯優(yōu)于工藝1和工藝2生產(chǎn)出的齒輪。其中經(jīng)表面致密化處理的齒輪(工藝3),其滲碳層的厚度為1.2mm左右。此外,其表層最大的顯微硬度還明顯高于后者(工藝4)?？梢姳砻嬷旅芑幚韺Ω纳讫X輪的齒面顯微硬度的分布狀態(tài)及增加齒面硬度具有明顯的作用。圖25為不同工藝生產(chǎn)出的齒輪的齒根疲勞曲線。從中可見,工藝1和工藝2生產(chǎn)出的齒輪,其齒根疲勞性能仍遠低于普通鋼齒輪(工藝4),盡管溫壓有效地增加了齒輪的整體密度(工藝2)。而經(jīng)表面致密化處理過的齒輪(工藝3),雖然其整體密度低于溫壓齒輪(工藝2)及合金鋼齒輪(工藝4),但其齒根疲勞強度(33kN)仍優(yōu)于合金鋼齒輪(31kN)。這說明表面致密化處理對改善齒輪的齒根疲勞性能具有非常明顯的作用。齒表層殘余應(yīng)力的分布如圖26所示?？梢?經(jīng)工藝1生產(chǎn)出的齒輪因其從表面到心部的顯微硬度無明顯變化,金相組織的變化也不是很大,所以齒面表層幾乎沒有產(chǎn)生任何的殘余壓應(yīng)力。經(jīng)溫壓加工的齒輪(工藝2)熱處理后,在其齒表層產(chǎn)生一定量的殘余壓應(yīng)力。而合金鋼齒輪(工藝4)熱處理后,在齒面表層產(chǎn)生一定量的殘余張應(yīng)力,而在在一定厚度之下,其應(yīng)力狀態(tài)則為壓應(yīng)力。與其他工藝相比,經(jīng)過表面致密化處理的齒輪(工藝3)經(jīng)熱處理后無論在其齒面表面及表層都產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力。可以預(yù)測,在這種應(yīng)力狀態(tài)下齒輪的抗疲勞性能及其壽命都將有所改善。4.3生產(chǎn)工藝的固本率量化為了便于讀者對使用不同工藝批量生產(chǎn)齒輪的成本有更直觀的認識,本文選用四種不同工藝生產(chǎn)出同樣的齒輪,前三種用PM方法而后一種用傳統(tǒng)方法。在分解了每種生產(chǎn)工藝所有過程的基礎(chǔ)上,量化出每一過程的生產(chǎn)成本,其結(jié)果見表6。需要說明的是,生產(chǎn)成本的量化只是一個相對的定義,它不僅與生產(chǎn)過程中的設(shè)備、材料、能耗及勞動力等可見因素有關(guān),而且還與地理環(huán)境等諸多不可見因素有關(guān)。雖然表6所列出的生產(chǎn)成本只是一個相對的概念,但其結(jié)果卻是令人振奮:工藝2(PM+表面致密化)與工藝4(傳統(tǒng)方法)相比,其總成本降低了60%。從已經(jīng)完成的項目我們得知,實際生產(chǎn)中由工藝2替代工藝4的總成本降低率為20%～40%。5表面致密化技術(shù)綜上所述,經(jīng)表面致密化處理的燒結(jié)齒輪與普通燒結(jié)齒輪相比,在生產(chǎn)成本相近的前提下具有明顯的性能優(yōu)勢;與傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的普通合金