工程机械齿轮的表面改性层及其摩擦磨损性能

张明永

南京高精齿轮集团有限公司

摘要：为了满足工程机械齿轮高硬度、常温和高温耐磨性的要求，采用双层辉光等离子表面改性技术在齿轮钢基体上制备了W-Mo共渗层，对W-Mo共渗层的成分与显微形貌进行了分析，并与齿轮钢基体和固体渗碳层的硬度和耐磨性能进行了对比分析。

关键词：工程机械齿轮；表面改性层；摩擦磨损性能

随着中国制造2025、工业4.0等概念的提出，工程机械制造领域迎来了巨大的发展机遇，由于工程机械齿轮需要长期在高载荷和高转速的苛刻环境中运行，同时工作温度已经提高至350℃及以上，这对齿轮钢的表面性能提出了越来越高的要求。虽然采用传统热处理的方法可以实现齿轮钢的表面强化，但是提高幅度有限，且在高温作用下会发生软化而降低使用性能等。

一、试验材料及方式方法

近年来，随着表面改性技术的快速发展以及齿轮服役环境的日益恶化，高能束表面强化、离子注入等表面处理技术不断应用到齿轮上，虽然各自都取得了一定进展，但是又存在明显局限性，如激光淬火所需的设备大、成本高、扫描区之间存在软带，离子注入深度不足，改性层与基体结合力低等。双辉等离子表面冶金技术作为一种新型表面改性技术，在高速钢锯条、胶体磨、化工零件和低碳钢上都有成功应用，因此，本文拟以具有高熔点、高硬度的W、Mo元素为原料，采用双辉等离子表面改性技术在工程机械齿轮上制备W-Mo共渗层，其结果对于齿轮钢表面技术的发展以及齿轮服役性能的提高都具有重要的参考意义。选用商业16Cr3NiWMoVNbE齿轮钢为试验原料。在进行表面改性处理前，采用线切割方法加工成15mm×15mm×5mm试样，60～800号砂纸逐级打磨后，采用金刚石研磨膏抛光后，清水冲洗后置于酒精中超声波清洗，然后吹干备用。分别对齿轮钢试样进行双辉W-Mo共渗和固态渗碳:①采用NMH-3型双层辉光等离子表面冶金试验炉在试样表面制备W-Mo共渗改性层，源极材料为100mm×5mm的20%W-80%Mo合金靶材，保护气为纯度高于99.6%的高纯氩气，温度860℃、源极电压为950V、阴极电压500V、气压38Pa、极间距18mm，保温时间为3h;②在QNT-12-3箱式电阻炉中对试样表面进行固体渗碳处理，具体过程包括将试样置于渗碳剂中并加热至930℃保温4h，之后出炉油淬并进行360℃×2h回火处理，然后空冷至室温。

二、试验结果及分析

2.1表面形貌中可见改性层均匀、致密，未见明显裂纹、气孔或者夹杂等缺陷存在，但是局部可见棱锥形状的颗粒均匀分布在改性层表面，这可能是由于辉光共渗过程中W和Mo元素发生择优生长形成;能谱分析表明改性层表面主要含有41．07wt%W和58．93wt%Mo，与溅射靶材的成分有一定差异，这主要是由于表面改性层的成分除与溅射靶材的成分组成相关外，还与靶材中各元素的扩散系数等有关。表面改性层厚度约为12mm，改性层中未见裂纹、气孔或者夹杂等缺陷存在;改性层与基体之间存在明显的相互扩散层，扩散层与基体结合较为紧密，实现了良好的冶金结合，扩散层主要是由双辉共渗过程中原子的相互扩散形成;元素线扫描分析结果表明，改性层中的表面沉积层厚度约为9mm，扩散层厚度约为3mm，沉积层中W和Mo元素分布较为均匀，扩散层中Mo和W元素从沉积层至基体呈现梯度递减特征，而Fe元素呈现逐渐增加趋势。

2.2在齿轮钢基体、固体渗碳试样和W-Mo共渗试样表面进行显微硬度测试。5个不同位置的平均值测试结果表明，无论是试样基体，还是固体渗碳和W-Mo共渗试样，表面硬度分布较为均匀，未出现明显的硬度波动;从显微硬度平均值测试结果来看，W-Mo共渗试样的表面硬度最高，其次为固体渗碳试样，且都明显高于齿轮钢基体，固体渗碳和W-Mo共渗试样的表面硬度分别约为基体的3.07倍和1.80倍。W-Mo共渗试样的显微硬度是三者中最高的，这主要是因为表面W-Mo共渗层由于形成了无限固溶体而具有较高的硬度。从位移与载荷的变化曲线可见，当载荷为150mN时，齿轮钢基体、固体渗碳试样和W-Mo共渗试样的压入深度分别为1．27、0．89和0．69μm，其中，W-Mo共渗试样具有最小的压入深度;从硬度和弹性模量测试结果来看，齿轮钢基体、固体渗碳试样和W-Mo共渗试样的纳米硬度分别为3．34、7．10和11．63GPa，弹性模量分别为200、297和382GPa，在三组试样中，W-Mo共渗试样的纳米硬度和弹性模量都为最大值，其次为固体渗碳试样，固体渗碳试样之所以具有较高的硬度和弹性模量是因为碳原子渗透到合金元素的“缝隙”中，加强了元素与元素之间的稳定性，从而也就提高了表面硬度，而W-Mo共渗试样是由于W和Mo的固溶强化作用而具有高硬度;此外，固体渗碳试样和W-Mo共渗试样虽然都可以极大提高硬度，但是弹性模量的增加却降低了基体的韧性。

2.33种不同试样在磨损过程中都经历了跑合阶段(摩擦因数随时间增加而增大)和稳定阶段(摩擦因数随时间增加而略有波动)。在温度为25℃时，齿轮钢基体、固体渗碳试样和W-Mo共渗试样的摩擦因数随时间的变化幅度都不大，表明此时的磨损都相对较小;升高温度至350℃和500℃，齿轮钢基体、固体渗碳试样和W-Mo共渗试样的摩擦因数随时间的波动幅度都变大，但基体试样的摩擦因数变化幅度最大，且齿轮钢基体和固体渗碳试样在温度为500℃时的摩擦因数波动都较为剧烈，这主要是由于齿轮钢基体的硬度较低，而固体渗碳试样在高温下会发生软化所致。同时对比分析可见，W-Mo共渗试样在高温下(350℃和500℃)的摩擦因数波动幅度都相对较小，表明此时的磨损仍然较轻。

结语

齿轮钢基体、固体渗碳试样和W-Mo共渗试样的磨痕深度和磨痕宽度都会随着温度的升高而增加;相同温度下，W-Mo共渗试样的磨痕深度和磨痕宽度最小，而齿轮钢基体的磨痕深度和磨痕宽度最大，固体渗碳试样的磨痕深度和磨痕宽度介于二者之间。从磨损体积上来看，温度为25、350和500℃时的磨损体积从高至低顺序都为齿轮钢基体＞固体渗碳试样＞W-Mo共渗试样。

参考文献;

[1]张新亮.预先热处理对工程机械齿轮材料性能的影响分析[J].山东工业技术,2018(01):54.

[2]王晓燕.预先热处理对工程机械齿轮材料性能的影响研究[J].热加工工艺,2016,45(14):243-246.

[3]张寒羽,叶勤,李健.DOE实验设计在工程机械螺旋锥齿轮强度分析中的应用[J].机械工程师,2016(06):192-193.

[4]黄祖顺.行星齿轮转动在工程机械中的应用及传动比的计算[J].科技传播,2015,7(24):67+80.

[5]冯跃霞,聂福全.刮齿工艺在工程机械变速器硬齿面齿轮加工中的应用[J].工程机械,2012,43(06):50-53+8-9.

[6]黄宗益,李兴华.工程机械液力变速器(第四讲)行星齿轮变速器分析方法[J].工程机械,2007(03):60-63.