关于齿轮表面强化技术分析

 在一系列机械传动系统中，齿轮发挥着十分关键的作用，是一类不可或缺的部件，所以，保证齿轮具有良好性能也便显得尤为重要了。本文将基于齿轮表面强化技术展开相应的分析，包括传统技术、新技术以及复合技术等，以期为齿轮表面强化工作提供一些有益的参考。

    齿轮表面强化概述
    随着应用环境的日益复杂，人们对齿轮表面性能提出了更高要求，不仅要求其具有一定的硬度、耐磨性，还要求其具有理想的心部韧性以及抗腐蚀性等。传统技术（渗碳等）开始难以满足实际需要，新的齿轮表面强化技术（如激光加热表面淬火技术、喷丸技术、表面镀膜技术等）陆续出现，并得到了广泛应用。
    齿轮表面强化技术
    2.1.传统技术
    以渗碳技术为例。对于汽车用齿轮而言，其制作工艺相对简单，绝大部分以普通低碳钢、低碳合金钢这两种钢材为原材料，先经过渗碳淬火处理，再经过低温回火处理制作而成。渗碳工艺通常在920-930℃这一温度条件下进行，能够在一个相对较短的时间内使得渗层达到既定深度。接下来，先予以淬火处理，在经过低温回火处理，便能够在齿轮表面形成一层高碳马氏体，不仅强化了齿轮表面硬度，还提高了齿轮表面的耐磨性。至于心部则为低碳马氏体，从而使其具有足够的韧性。在齿轮表面强化处理中，渗碳技术得到了广泛应用。需要指出的是，渗碳技术具有一系列难以克服的缺点，如需要较高的处理温度，容易导致工件变形，无法获得较高的表面精度等，上述缺点的存在使得该技术的实际应用存在一定的制约。当齿轮对自身表面硬度要求一般时，往往不采用该表面处理技术。
    2.2.新技术
    2.2.1.激光加热表面淬火技术
    该技术诞生于上世纪七十年代，其代表性的应用为美国通用汽车公司采用这一技术对动力转向变速箱的内表面予以处理。到上世纪八十年代中后期，激光加热表面淬火技术已经较为成熟，无论是理论发展，还是实际应用，均获得了空前发展。所谓激光表面加热淬火技术指的是，将激光有效地聚集在一起，然后对相应的工件进行加热，使其表面组织在极短时间内转变成奥氏体，自行冷却并最终在工件表面形成马氏体淬硬层。对齿轮表面进行强化时，如果采用的是传统技术，那么在沿齿廓方向上通常无法形成呈均匀分布状态的硬化层，然而，采用激光加热表面淬火技术却能够很好地实现上述目的，除保证淬硬层呈均匀分布状态外，还能使其具有一个较高硬度。
    2.2.2.喷丸技术
    所谓喷丸技术指的是，利用相应的机械手段向工件表面施加一定的压力，使其受压变形，借助形变这种方式于工件表面生成硬化层（其深度范围通常为0.5-1．5mm)。喷丸技术能够有效提高工件表面硬度以及强度，因而在金属表面改性加工中获得了广泛应用。在科学技术的带动下，新的喷丸工艺不断涌现，主要包括：一、激光喷丸。该技术能够实现对参数的有效控制，但存在残余应力偏大的缺憾；二、高压水射流喷丸。该技术有效解决了残余应力分布问题，因此，能够使得工件具有一个良好的周期抗疲劳强度；三、微粒冲击。该技术借助微小弹丸的冲击以完成表面处理工作，能够大幅提高工件表面的实际硬度，与此同时，不会出现表面粗糙度过大的问题；四、超声喷丸。可对材料表面进行纳米化处理，还有助于氮化温度的有效降低。喷丸技术不仅能够大幅强化工件的抗疲劳性能，还能够明显提升工件的抗腐蚀以及抗开裂能力，所以，在汽车齿轮表面强化方面得以广泛应用。
    2.2.3.表面镀膜技术
    在生产技术不断提升的带动下，工业领域对薄膜所具有的性能提出了更高的要求，一方面要求膜、衬底之间具有良好的附着性，另一方面要求膜具有理想的硬度，同时还应具有厚度较深的特点。为实现上述要求，基于传统沉积技术的离子镀膜技术应运而生。所谓离子镀膜技术指的是，在化学气相沉积领域有机引入低压气体放电技术，借助直流电场，或者是高频电场，又或者是微波场，给反应气体施加应的作用，使其发生辉光放电。在那些具有低温性质的等离子体中，高能电子、反应气体这两种物质将会发生一系列非弹性碰撞，如此一来，导致反应气体分子发生电离或者激发效应，从而减少了化合物形态转化过程中所需要的能量，使得反应温度得以进一步降低，当温度降低时，便能够于工件表面形成理想的化合物涂层。
    该技术的优势：一、镀膜操作时不需要过高温度，仅为500℃左右^[3]，如此一来，使得可用基材的选择范围得以大幅拓宽；二、形成的镀层不仅涂覆均匀，而且性能稳定，另外，技术支持工业化生产；三、对于离子体而言，其渗、镀工艺能够同炉完成，从而有效简化了工艺，使得效率得以明显提高；四、其薄膜成分具有良好的可控性，因而便于梯度沉积的实现。由于具有上述优点，该技术在那些对耐磨性有着较高要求的齿轮表面处理上得到了良好的应用。
    2.3.复合强化技术
    以传统技术和新技术的结合应用为例。对工件予以“等离子渗氮+类金刚石膜”复合强化处理之后，无论在表面硬度方面，还是在膜／基结合强度方面，又或者是耐磨性能方面，均明显强于仅采用镀类金刚石膜的那一类工件。氮化处理之后，将会于钢表面生成一定深度的硬化层，该硬化层为类金刚石膜提供了一个良好支撑体。硬化层硬度的大幅增加，使得类金刚膜表面、钢基体之间存在一个明显的硬度梯度，如此一来，使得材料表面获得了更为优异的性能，如良好的耐腐蚀性等。类金刚膜能够有效强化工件表面的抗磨损性能。这种复合强化技术能够对齿轮表面性能，尤其是耐磨性产生积极改善，所以，在齿轮表面强化方面具有理想的应用前景。

    目前，在齿轮表面强化方面，复合强化技术具有十分明显的优越性，因而获得了人们的普遍认可。越来越多的专家、学者开始致力于该领域的研究，相信不久的将来，复合强化技术将会在齿轮表面强化领域发挥出更大的作用。