作者：郁俐，涂小龙

单位：杭州前进齿轮箱集团股份有限公司

磨损、腐蚀、断裂是机器零部件的三大失效模式，齿轮的失效主要以齿面剥落，点蚀或断裂等失效形式，其中以断裂失效的灾难与损失最大。而断裂失效又以疲劳断裂模式所占比例最高。因此，从设计、材料、工艺等各方面想办法提高齿轮的疲劳寿命。齿轮强力喷丸是提高齿轮疲劳寿命的手段之一。

我国强力喷丸工艺在机械行业也是从20世纪80年代起，特别是近二十年随着汽车制造业的崛起、风电发电工业的发展才得以重视，并带动喷丸强化用介质、设备和工艺技术的发展。介绍各种强力喷丸的资料不少，但对18CrNiMo7-6钢不同硬化层深度下，强力喷丸对齿轮性能的影响研究不多。本文就强力喷丸对18CrNiMo7-6钢不同硬化层深度齿轮的性能影响进行研究，为18CrNiMo7-6钢齿轮强力喷丸提供工艺试验依据。

1.试验材料和试验方法

试验用18CrNiMo7-6钢采用电弧炉真空脱气冶炼，浇注成钢锭，经开坯、锻造拨长，正火加高温回火预先热处理。粗加工后先进行调质处理后,分别加工成模数为6和15.25两种3齿块，齿宽为100mm，进行渗碳淬火、低温回火。试样化学成分为（wt，%）：C0.19，Si0.32，Mn0.72，P0.010，S0.008，Cr1.62，Mo0.28，Ni1.51，H≤2ppm，O≤20ppm，其余为Fe。

18CrNiMo7-6钢模数为6齿块在Aichelin可控气氛多用炉，随齿轮零件一起进行渗碳直接淬火，渗碳温度930℃，强渗碳势1.10%～1.20%，强渗时间4.5h，扩散碳势0.65%～0.75%，扩散时间2.5h，降温至830℃，保温0.5h直接在Ｇ油中淬火，160～200℃低温回火5h×2空冷，清理抛丸，渗碳直淬工艺曲线如图1所示。

图1  18CrNiMo7-6 6模数齿块渗碳直淬工艺曲线

18CrNiMo7-6钢模数为15.25齿块在Aichelin可控井式炉渗碳，强渗期碳势1.10%～1.20%，扩散期碳势0.65%～0.75%，进行不同时间渗碳后850℃出炉缓冷；然后在Aichelin可控气氛多用炉加热淬火，加热温度820～850℃保温5h后在Ｇ油中淬火，160～200℃低温回火5h×2空冷，清理抛丸。渗碳淬火工艺曲线如图2所示。

在KXS-226P数控喷丸机进行强力喷丸，弹丸为S330铸钢丸，弹丸直径0.8～1.0mm，弹丸硬度48～52HRC，用阿尔门A试片弧高值测定喷丸强度，弧高值为0.42～0.43mm，进行强力喷丸，覆盖率200%以上。利用HR－150A洛氏硬度计测表面硬度，利用FM－700半自动显微硬度计检验有效硬化层深度，利用AXIO OBSERVER.AI金相显微镜观察组织，由上海交大材料科学和工程学院，利用Proto-iXRD型X射线应力仪，Cr-Kσ辐射，1mm准直管，（211）衍射晶面，X射线弹性常数-S1=1.28×10-6mm2/N，及S2/2=5.92×10-6mm2/N，测试执行ASTME975-84及GB7704-87标准检测齿根表面残余压应力。

图2  1818CrNiMo7-6 6模数齿块渗碳加热淬火工艺曲线

2.试验结果与讨论

18CrNiMo7-6钢模数为6齿块在Aichelin可控气氛多用炉随齿轮零件一起进行渗碳直接淬火，渗碳温度930℃，强渗碳势1.10%～1.20%，强渗时间4.5h，扩散碳势0.65%～0.75%，扩散时间2.5h，降温至830℃，保温0.5h直接入光亮淬火油淬火，160～200℃低温回火5h×2空冷，清理抛丸，在KXS-226P数控喷丸机进行强力喷丸，喷丸强度为阿尔门A试片弧高值0.4～0.45mm，表面覆盖率为200%。

试验结果：渗碳淬火后渗碳层组织见图3，为马氏体和少量残留奥氏体，硬化层深度为550HV1＝1.35mm，强力喷丸前表面硬度59～60HRC，强力喷丸后表面硬度60～61HRC，齿根表面应力为－601MPa，见表1。从表1数据可知，18CrNiMo7-6钢6模数齿块经渗碳直接淬火低温回火，强力喷丸后，硬度提高了1～2HRC。

表1 18CrNiMo7-6钢m＝6齿块渗碳淬火后金相组织、硬化层深和强力喷丸后齿根表面应力

18CrNiMo7-6钢模数为15.25齿块在Aichelin可控井式炉与齿轮零件一起进行渗碳，渗碳温度930℃，强渗碳势1.10%～1.20%，强渗时间H1分别为20h、28h、40h，扩散碳势0.65%～0.75%，扩散时间H2分别为7h、9h、16h，然后降温至850℃入缓冷炉，温度降至600℃以下出炉空冷。在Aichelin可控气氛多用炉进行加热淬火，加热温度为820～850℃，保温5h入光亮淬火油淬火，160～200℃低温回火5h×2空冷，清理抛丸，在KXS-226P数控喷丸机进行强力喷丸，喷丸强度为阿尔门A试片弧高值0.4～0.45mm，表面覆盖率为200%。

试验结果：渗碳淬火后渗碳层组织见图4，为马氏体和少量残留奥氏体，硬化层深度，强力喷丸前表面硬度、强力喷丸后表面硬度，表面应力等见表2。从表2数据可知，18CrNiMo7-6钢，15.25模数齿块经渗碳缓冷，加热淬火，低温回火，强力喷丸后，硬度提高了2～3HRC，硬化层深度在550HV1为2.34mm、2.83mm、3.78mm强力喷丸后齿根表面压应力为-720.5MPa、-722MPa、-731.8MPa。

图3  18CrNiMo7-6 模数为6齿块渗碳淬火金相组织

图4   18CrNiMo7-6 模数为15.25齿块渗碳淬火金相组织

表2 18CrNiMo7-6钢 模数15.25齿块渗碳淬火后金相组织、硬化层深度和强力喷丸前后齿根表面应力

从表1和表2数据可知，18CrNiMo7-6钢经渗碳淬火低温回火后，模数为6齿块，硬层深度550HV1＝1.35mm和模数为15.25齿块，硬化层深度为550HV1分别为2.34mm、2.83mm、3.78mm，在相同强力喷丸参数下喷丸，齿根表面应力为压应力，且压应力值不同。m＝6齿块550HV1＝1.35mm，齿根表面压应力为-601MPa，m＝15.25齿块， 550HV1＝2.34mm，齿根表面压应力为-720.5MPa，550HV1＝2.83mm，齿根表面压应力为-722MPa，550HV1＝3.78mm，齿根表面压应力为-731.8MPa。模数为m＝15.25，硬化层深度550HV1分别为2.34mm、2.83mm、3.78mm，三种齿块在相同强力喷丸参数下喷丸，其齿根表面压应力值比较接近。从表1和表2还可知，18CrNiMo7-6钢，模数为m＝6齿块渗碳淬火低温回火后，硬度层深度550HV1＝1.35mm，齿顶硬度为59～60HRC，强力喷丸后齿顶硬度为60～61HRC，模数为m＝15.25齿块渗碳淬火低温回火后，硬化层深度为550HV1分别为2.34mm、2.83mm、3.78mm，齿顶硬度为59～60HRC，强力喷丸后齿顶硬度均为61～62HRC。模数为m＝15.25齿块渗碳淬火低温回火后，硬化层深度为550HV1分别为2.34mm、2.83mm、3.78mm强力喷丸后，齿顶硬度比模数为m＝6齿块渗碳淬火低温回火后，硬度层深度550HV1＝1.35mm的齿顶硬度高1HRC。

从表2数据还可知，模数为15.25齿块渗碳淬火低温回火后，硬化层深度为550HV1分别为2.34mm、2.83mm、3.78mm，强力喷丸前齿根表面为很小的压应力，分别为-22MPa、25MPa、-27MPa，强力喷丸后齿根表面压应力分别为-720.5MPa、-722MPa、-731.8MPa。强力喷丸后大大提高了齿根表面压应力。因为喷丸过程就是表层金属发生循环塑性变形的过程，并产生加工硬化的过程，从而提高表面硬度。同时强力喷丸使表面增加残余压应力。　　　　　　　　　

3.结语

通过对18CrNiMo7-6钢渗碳淬火低温回火后，进行强力喷丸，强度为阿尔门A试片弧高值0.4～0.45mm，表面覆盖率大于200%的强力喷丸工艺试验研究，得出如下结论：

（1）18CrNiMo7-6钢模数为6齿块，渗碳淬火低温回火后齿顶硬度为59～60HRC，硬化层深度为1.35mm，强力喷丸后齿顶硬度为60～61HRC，齿顶硬度提高1～2HRC；强力喷丸后，齿根表面为压应力，应力为-601MPa。

（2）18CrNiMo7-6钢模数为15.25齿块，渗碳缓冷，加热淬火低温回火后，硬度层深度分别为2.34mm、2.83mm、3.78mm，齿顶硬度为59～60HRC；强力喷丸后齿顶硬度为61～62HRC，齿顶硬度提高2～3HRC。  

（3）18CrNiMo7-6钢模数为15.25齿块，渗碳缓冷，加热淬火低温回火后，硬度层深度分别为2.34mm、2.83mm、3.78mm，测得齿根表面应力为-22MPa、-25MPa、-27MPa，强力喷丸后，测得齿根表面应力分别为-720.5MPa、-722MPa、-731.8MPa。