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樣品齒輪由標準結構鋼18CrNiMo7制成，經過機械處理后，再使用三種最常用的熱處理方法對此類零件進行進一步加工：滲碳（C）、氮化（N）和碳氮共滲（NC）。熱處理后，齒輪進行噴丸處理。我們選擇了冷噴丸和“熱”噴丸工藝，后者在高溫下進行。“熱”噴丸處理的目的是盡可能地封閉表面上的微裂紋，并在盡可能深的表面獲得更好的齒輪微硬度。試驗過程中選用了兩種彈丸：S110和S330。基礎噴丸處理后，某些樣品使用更細的彈丸Z150陶瓷珠進行再噴丸處理。加工完成后，對齒輪進行金相分析，以測量兩種不同荷載水平下齒輪的顯微硬度及其永久動態強度。

一、噴丸工藝

選擇以下彈丸進行噴丸處理：鋼丸S110、鋼丸S330和陶瓷丸Z150。后者用于再噴丸。通過調整噴嘴相對于齒輪的角度，我們獲得了齒根和齒頂的最佳平衡強度。在180℃下對滲碳齒輪及在320℃下對氮化齒輪同時進行了高溫（HT）下的噴丸處理。然而，碳氮共滲齒輪沒有在高溫下加工，因為這會抵消之前熱處理的作用。

二、噴丸強度

我們決定針對不同的彈丸選擇不同的噴丸強度，并盡最大努力調整齒輪的齒根和齒面強度。冷噴丸和熱噴丸工藝的強度結果是相同的。下表顯示了齒輪各部分在不同彈丸處理后的強度值。

不同彈丸下的噴丸強度  

三、測試和測量

動態強度測試是在一臺專用機器上進行的，其中對齒面施加兩種不同的交變荷載。荷載頻率為15 Hz，力各不相同：第一轉34 kN，第二轉40 kN。

測試期間齒輪夾持方式及荷載

噴丸處理后，對每個熱處理和噴丸處理方法組合進行齒面顯微硬度測量。這有助于確定噴丸處理對齒面表面深度的影響以及“熱”噴丸處理的影響。還確定了使用更細的彈丸再噴丸的效果。

滲碳齒輪隨深度變化的硬度分布

（HT–熱噴丸）

結果表明，傳統噴丸處理可使材料硬度相對于參考齒輪增加約80–100 HV。這種差異隨著與表面距離的增加而減小。從材料表面測量，作用深度為1–1.2 mm。另一方面，“熱”噴丸處理導致硬度降低約50 HV。

對于碳氮共滲齒輪，噴丸處理可使材料硬度增加約100 HV，并且隨著與齒面距離的增加，這種影響減小。該工藝的效果滲透到材料中約0.3 mm深。

對于氮化齒輪，檢測到相同的硬度增加模式。噴丸處理的效果僅滲透到齒輪齒面中 0.25 毫米深處。

四、動態齒根強度試驗

4.1 滲碳齒輪

冷噴丸工藝對滲碳齒輪動態齒根強度的影響如下圖所示。

冷噴丸處理對滲碳齒輪動態齒根強度的影響

如圖中所示，除S110+Z150組合外的所有噴丸方法都會導致滲碳齒輪的動態齒根強度降低10–50%。在S110+Z150噴丸處理的情況下，與用作參考的滲碳齒輪相比，較高荷載水平下的齒根強度降低，但另一方面，這種處理表明在較低荷載水平下的抵抗力顯著提高，其中齒面可以承受 >300,000 次荷載載循環而不會斷裂。

在“熱”噴丸處理的情況下，所有三種操作都會導致滲碳齒輪的動態齒根強度降低30–50%（下圖），使用鋼珠和陶瓷珠（HT-S110+Z150）的組合進行“熱”噴丸處理，再次成為最接近參考滲碳齒輪的方法。

熱噴丸對滲碳齒輪動態齒根強度的影響

4.2 碳氮共滲齒輪

對于碳氮共滲齒輪，使用S330和S110+Z150進行噴丸處理可提高齒根強度，尤其是使用鋼珠和陶瓷珠S110+Z150的組合。S110+Z150噴丸處理在兩種/應力/荷載/水平下都能使動態根部強度提高幾倍，而S330噴丸處理的動態根部強度提高約30%（下圖）。

冷噴丸處理對碳氮共滲齒輪動態齒根強度的影響

4.3 氮化齒輪

對于氮化齒輪，所有冷噴丸處理對動態齒根強度都有積極影響。在使用鋼珠和陶瓷珠（S110+Z150和S330+Z150）組合的處理中觀察到最大的影響，其中后者的組合尤其顯著地提高了較低荷載下的動態根部強度。“熱”噴丸處理也提高了氮化齒輪的動態齒根強度，主要是在較低的荷載水平下。提高幅度從30-40%到超過五倍。使用鋼和陶瓷珠 HT-S110+Z150 的組合再次實現了最顯著的提高。

冷噴丸處理對氮化齒輪動態齒根強度的影響

“熱”噴丸強化對氮化齒輪動態齒根強度的影響

五、結論

● 噴丸處理增加了齒輪表層的硬度，這適用于所有三種熱處理方法。在經過 S330 和 S330+Z150 處理的齒輪中觀察到最高硬度測量值，其次是 S110 和 S110+Z150。對于滲碳齒輪，“熱”噴丸降低了齒輪的表面硬度；然而，在氮化齒輪中，它確實增加了表面硬度，但程度低于冷噴丸處理。

● 齒輪動態齒根強度的比較表明，在滲碳齒輪中觀察到的強度最高，其次是碳氮共滲齒輪，而氮化齒輪的動態強度僅為滲碳齒輪的十分之一。另一方面，對于滲碳齒輪，所有后續冷噴丸處理（S110+Z150除外）都會導致動態齒根強度降低多達50%。然而，S110+Z150處理已被證明可以在較低荷載水平下提供顯著改善的齒根強度，特別是因為齒面可以承受超過300000次荷載循環而不會斷裂。通過“熱”噴丸處理，動態根部強度降低了兩倍。

● 對于碳氮共滲齒輪，S110+Z150和S330噴丸處理工藝提高了齒根強度，特別是在使用鋼珠和陶瓷珠的組合時，已經觀察到了幾倍的提高。其他噴丸操作對齒輪的動態齒根強度有負面影響，其降低幅度高達35%。

● 相比之下，滲氮齒輪上的所有噴丸操作（冷噴丸和熱噴丸）都大大提高了齒輪的動態齒根強度。同樣，鋼珠處理的影響最大，其次是陶瓷珠S110+Z150和S330+Z150。

● 根據結果，可以得出結論，最佳處理選擇是使用鋼和陶瓷珠（S110+Z150）的冷噴丸處理組合，無論采用何種熱化學處理，都可以提高齒輪的動態齒根強度。另一方面，噴丸強化工藝對提高氮化齒輪齒根強度的影響最大，而在滲碳和碳氮共滲齒輪的情況下，這種效果在很大程度上是負面的。這表明，熱處理或熱化學處理后的表面層越薄、越硬，噴丸處理過程取得的積極效果就越大。