高强度汽车齿轮表面强化技术的研究现状和发展趋势（一）

齿轮的强度和使用寿命是制约我国汽车及其他高端机电装备国产化的重要因素。根据近年来国际上高强度汽车齿轮研究与应用成果表明，表面强化技术已经成为实现高强度齿轮的疲劳极限、疲劳耐久寿命和最佳摩擦因数等高性能要求的核心技术。尤其是对齿轮主要材料中合金成分影响和齿轮弯曲疲劳和接触疲劳破损机理的研究、开发齿轮的汽车齿轮渗碳和碳氮共渗等热处理新技术、以及强力喷丸、微粒喷丸、复合喷丸、磷酸锰转化涂层、二硫化钼与微粒子复合喷涂等表面强化等新技术都越来越受到到国内外的重视。

文中根据表面强化技术的最新研究现状，重点论述了齿轮在应用中经常出现的主要损伤形式以及最新的防止损伤的一些表面强化新技术，阐述了这些新技术的表面强化机理和应用效果；同时分析了高强度齿轮表面强化技术面临的问题和发展趋势。

引言

齿轮是机械装置中传递动力的重要零部件，日本机械学会曾对各行业的齿轮传动失效实例进行过系统调查研究，约74%的齿轮传动副失效因齿轮表面疲劳失效而引起，这充分说明，齿轮的强度和使用寿命与机械装置优劣紧密相关。近年来，随着现代汽车和新能源汽车、军用车辆、舰艇、航空航天器、高速铁路设施等技术的进步发展，其动力传动机构进一步要求齿轮具有高强度化、高速度化、高效率、高寿命、轻量化和小型化(四高一轻小)等特点。这不仅对齿轮的设计提出了新的课题，也为开发新材料和创新型材料加工技术带来新的研发任务。其中表面强化技术是保证齿轮实现四高一轻小的关键。

目前，我国在高强度齿轮设计与制造技术方面与欧、美、日等国家相比还存在相当差距，特别是表现在高档汽车和机械产品的零部件与国外产品的强度和使用寿命等方面的差距尤为突出，制约了我国汽车自动变速器及其他高端机电装备的发展，因此全面提升高端齿轮的高强度化成为势在必行的重要课题。众所周知，根据研究实践表明，提高齿轮的疲劳强度寿命极限，既需要改善优化材料的合金成分、渗碳、碳氮共渗热处理技术，还必须与齿轮的表面强化处理技术的研究开发结合起来，即实现综合的齿轮表面完整性得到更佳的齿轮抗疲劳性能，才能实现对高强度齿轮接触疲劳极限、弯曲疲劳极限、疲劳耐久寿命、最佳摩擦因数的高性能要求。

近年来，各汽车公司为了开发新的市场都在不断地提高汽车保证行驶里程，许多国际上著名的汽车公司都已经把保证行驶里程提升至34万公里以上。为了达到这个性能指标，美国、日本、欧洲等汽车公司都提出了更严格的市场规范要求，加大了对提高齿轮疲劳强度寿命的研究力度，并从多要素综合指标的角度深入开展研究开发。这主要包括齿轮合金材料的分析优化、齿轮最优热处理技术、齿轮表面强化技术，如磷酸锰转化涂层化学处理、齿面复合喷丸、二硫化钼加微粒喷丸齿面喷涂等齿轮表面强化技术的研究，并在轿车自动及手动变速器的应用中取得了良好的实践效果。

汽车齿轮材料技术及研究现状

1.1 国内外汽车齿轮材料及齿轮工艺参数

模数是齿轮重要的参数，选取汽车齿轮模数通常要考虑强度、噪声、轻量化及加工工艺等因素。表1为乘用车和商用车齿轮常用模数及直径工艺参数范围。

　　表 1 车用齿轮模数与简要工艺参数

汽车齿轮在传递扭矩和改变速度过程中，通常处于高速、高载荷、交变冲击载荷等工作环境中。汽车齿轮材料不仅需要良好的机械加工性能和热处理渗碳淬火性能，还必须满足合理的成本需求。为保证齿面和齿顶端淬火深度的稳定性，通常选用碳质量分数为0.2%左右，单独或复合添加Ni、Cr、Mn、Mo等合金元素的渗碳合金钢。日本、德国在汽车高强度齿轮低碳合金钢材料领域进行了长期的研究开发，表2为常用汽车齿轮材料的成分组成， 目前国内外汽车齿轮用钢主要为20CrMnTi(国内)、20MnCrS(德系)、20CrMoH(日系)，表中钢种A、B、C为高疲劳用钢。

　　表 2 国内外汽车常用合金钢齿轮材料的成分组成

1.2 齿轮失效形式及机理

汽车齿轮处于连续负荷工作的状态，齿轮的啮合面之间既有滚动，又有滑动，同时齿根部还受脉冲与交变弯曲应力作用。齿轮通常有4种不同破坏形式：① 轮齿折断；② 宏观点蚀与微观点蚀；③ 磨损；④ 齿面胶合[8]。图1所示为齿轮的损伤位置模型。

图 1 齿轮损伤失效位置模型

上述齿轮的失效多数源自于齿面或齿根的表面，由此看出齿轮的表面非常重要，齿轮表面完整性是指无损伤或强化后的表面状态及由其决定的性能，齿轮表面完整性包括表面残余应力、显微硬度、表面粗糙度、微观结构等，对于齿轮表面涂层改性还需考虑厚度和结合强度等因素。无论表面化学热处理，还是喷丸形变强化处理，均对齿轮的表面完整性的表面粗糙度、形态特征、组织结构、硬度、残余应力等产生影响，而齿轮的表面完整性与其弯曲疲劳抗力及接触疲劳抗力之间有密切的关系。

1.2.1 齿轮弯曲疲劳破损机理及材料研究

齿轮强度主要是齿轮的弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度。图2为齿轮的弯曲折断破损，主要原因是齿轮根部受到反复的集中应力作用下产生裂纹并逐步扩大致失效，弯曲疲劳裂纹从齿轮表层部的晶界氧化层产生，沿着表层下方的奥氏体晶界扩展至硬化层深处，进而引起结晶粒界破坏。

图 2 齿轮弯曲折断破损实例

材料表层部的晶界氧化层主要由Si、Mn、Cr等可提高淬火性能的合金元素组成，其晶界边缘易产生局部不完全淬火领域，形成由屈氏体和贝氏体构成的不完全渗碳异常层。图3所示为20CrMoH试料渗碳淬火后的晶界氧化组织，由表面向内部延伸的黑色须状成分为Si、Mn、Cr的氧化物。

图 3 齿轮表层部晶界氧化层组织

提高齿轮弯曲疲劳强度通常采用加大齿根R角，高压力角设计，热处理采用渗碳淬火或碳氮共渗热处理及喷丸强化等表面处理技术。例如，改善不完全渗碳异常层的方法一般可采用提高淬火速度，但要注意避免产生较大的齿面变形；或是采用降低Si、Mn、Cr等元素含量的同时增加Ni，Mo等利于提高淬火性能的合金元素。

1.2.2 齿面接触疲劳机理及材料研究

齿面疲劳破损是齿轮对在齿面接触应力和齿面啮合相对滑动速度不同时所产生的拉伸应力的反复作用下造成的。破损形式以表面破坏点蚀和剥落为主，图4为齿轮点蚀破损实例。

图 4 齿面疲劳性点蚀实例

齿面疲劳点蚀寿命与齿轮啮合时的表面温度、齿面粗糙度、摩擦因数呈正比，与润滑油动黏度成反比。通常提高材料高温状态硬度和回火软化抵抗可有效地增加齿轮的齿面疲劳寿命，试验表明，将齿面的碳质量分数由0.8%~1.0%提高到2.0%~3.0%可抑制材料表层的高温软化，但高浓度渗碳时由于微小碳化物大量析出，渗碳时间和扩散时间需要严格控制。图5为高浓度渗碳和普通渗碳的硬度与表面距离及表面温度的关系。

图 5 高浓度渗碳与普通渗碳对齿面硬度的比较

另一种方法是材料中适当提高Si、Cr等合金元素的含量并实施碳氮共渗热处理方法可使齿面接触疲劳寿命大幅提高，如图6所示为不同合金成分组成的齿轮钢在动力循环试验台上的点蚀疲劳实验结果对比(CQT: 渗碳，CNQT: 碳氮共渗)。

图 6 齿轮疲劳性点蚀试验结果

热处理技术

2.1 齿轮材料热处理基础研究

通过齿轮材料的基因分析和基础性能实验掌握材料基本参数与强度特性对热处理数值模拟，预测热处理变形和强度至关重要。由于热处理中渗碳渗氮的扩散过程，温度变化、相变生成、应力应变是多场耦合行为的动态过程，掌握多场耦合的动态过程是获得齿轮最优热处理工艺的关键。例如，齿轮钢在热处理过程中会产生相变塑性，其行为将直接影响齿轮在热处理后的变形和残余应力。因此，进行齿轮的热处理模拟时，若不考虑相变塑性往往很难预测并控制齿轮的热处理变形，无法确定热处理前机械加工余量。图7为齿轮钢在热处理中相变塑性试验概况。

图 7 测量相变塑性的试验设备示意图

作者之一根据连续体热力学理论和相变热力学理论， 开发了热处理数值模拟C O S M A P(Computer simulation of manufacturing process)软件，可以对齿轮淬火、渗碳、渗氮以及局部加热或冷却等热处理过程进行数值模拟。图8为通过模拟得到SCM420H试样测定点在不同拉应力载荷下的应变-温度曲线，图9为根据相变塑性理论和实验获得的相变塑性系数。

图 8 不同应力下SCM420H钢的应变与温度关系

图 9 不同钢种塑性应变和应力的关系

2.2 热处理

齿轮热处理强化技术应当注重表面完整性的控制，即控制表面硬化层的组织结构、硬化层深度、心部硬度、残余应力等。齿轮热处理控制不当易导致表层出现过度晶界氧化层组织、脱碳、微观裂纹等缺陷。

2.2.1 氮碳共渗

氮碳共渗(软氮化)与渗碳相比，处理温度低，一般在 460~600 ℃进行，因此齿轮变形小。渗氮可以提高齿轮表面硬度、耐磨性、疲劳强度及抗蚀能力。日本汽车公司对部分疲劳寿命极限要求不高，热处理后不做齿面精加工的汽车齿轮，在热处理时采用氮碳共渗工艺，通常以提高齿轮表面的耐磨性为主要目的。

2.2.2 表面淬火

表面淬火主要包括感应淬火、激光淬火等。与渗碳淬火相比，表面淬火变形小。汽车齿轮表面淬火主要采用感应淬火。据齿轮模数的不同，采取不同方式的感应淬火，如齿轮模数为3 ~5 mm，采用高频感应淬火；当模数增大到5~8 mm，一般选中频感应淬火。高频加热淬火能得到沿齿轮廓均匀分布的淬硬层，应用高频淬火热处理对汽车转向小齿轮进行强化，试件疲劳强度得到大幅提高。高频热处理具有CO2排放少，齿轮疲劳强度和耐磨性能高，畸变较小的突出优点。激光淬火具有淬火区晶粒细小且均匀、齿轮变形小等优点，为大模数、高精度的齿轮提供了一种有效的齿面强化途径，但其成本较高。

2.2.3 渗碳

渗碳是汽车齿轮表面处理中普遍应用的化学热处理方法之一。经渗碳处理可使齿轮具有很好的综合力学性能，有效防止轮齿折断。

目前渗碳的方法有气体渗碳、真空渗碳以及等离子渗碳。气体渗碳是低碳合金钢齿轮广泛采用的表面强化工艺，可使齿轮表面获得较高硬度，提高其耐磨性，而心部仍为原始的板条状马氏体组织，以保持良好的韧性。高温渗碳将齿轮渗碳温度从900 ℃提高到1 050 ℃，可显著缩短渗碳时间约50%以上，可有效提高生产效率。但是高温渗碳容易导致奥氏体晶粒粗大化，降低齿轮疲劳性能，且变形大。为克服高温渗碳时晶粒长大问题，国内外学者发现微合金化是抑制齿轮钢的奥氏体晶粒长大的有效手段。

日本的研究表明可以通过在热处理过程中主动控制渗碳深度和表面硬度，可获得最佳渗碳层深度和最小的变形。通过调整添加Nb、Ti和B等合金元素，有效控制了经高温渗碳产生的奥氏体晶粒粗大化，较好的解决了上述问题。真空渗碳与等离子渗碳具有不产生晶界氧化，表面力学性能高，CO2排放较少，热处理过程时间短节省能源消耗的优点，但成本较高。

2.2.4 碳氮共渗

碳氮共渗热处理，通过有效掌握氮浓度和加氮的时间节点就能较好提高齿轮强度和耐磨性，采用碳氮共渗热处理法，有利于残余奥氏体含量的调整抑制初期疲劳裂纹向深处发展。传统的渗碳淬火钢(20CrMoH)的渗碳异常层厚度约为15~20 μm左右，采用碳氮共渗处理法的渗碳异常层厚度只有其1/2。

碳氮共渗能有效提高渗层深度、细化奥氏体晶粒、减小齿轮变形、提高齿轮强度和耐磨性能。汽车用自动变速器渗碳齿轮啮合的齿面工作实际瞬间温度约达250~270 ℃，高于常用回火温度范围150~200 ℃，较高啮合温度将导致齿面硬度下降，易产生疲劳点蚀现象。采用碳氮共渗工艺，通过调整渗氮量，提高抗回火性能，抗回火温度达到300 ℃左右。图10所示为应用碳氮共渗工艺研究了氮含量对SCR420H钢和钢种C在170 ℃与300 ℃时齿面硬度的影响。

图 10 氮含量与齿轮表面硬度关系

抗齿轮弯曲疲劳表面强化技术

3.1 齿轮基础实验

日本、德国在齿轮的基础研究领域做了大量研究。钢辊(Steel roller)试验是国外大学与研究机构齿轮基础实验研究普遍采用的方法，取得了大量的实验数据和研究成果。例如，日本应用钢辊试验进行齿轮粗糙度和模拟加工缺陷对接触疲劳寿命影响的研究。

表3所示为几种不同钢材的钢辊表面粗糙度(表中A：JIS S48C，锻造材料；B：JIS S48C，延压材料；C：JIS S50C，延压材料)。图11所示为钢辊试件的形状和尺寸示意图。

图 11 钢辊试件的形状尺寸

图12所示为不同表面粗糙度齿轮材料钢辊试件的最大赫兹接触应力与疲劳循环次数关系。研究表明表面粗糙度最低的C钢辊具有较高的接触疲劳寿命极限，有模拟加工直径0.1 mm小孔的表面缺陷的C′钢辊接触疲劳寿命最低。

图 12 最大赫兹应力与齿面疲劳寿命关系

3.2 齿轮喷丸强化

喷丸强化通过机械手段在齿轮表面产生压缩变形，使表面产生形变改性层，从而使表面强度提高，是齿轮提高齿轮疲劳强度广泛应用的方法。喷丸处理使齿面强化层内产生很大的塑性变形，齿面表层残余奥氏体向马氏体转变，诱发转变成的马氏体有方向性，并沿滑移线平行成束排列，原始马氏体的位错密度增加，结构得到细化，喷丸使得齿轮的表面显微硬度和齿面数十微米下的残余压应力提高，可大幅度提高汽车齿轮的弯曲疲劳强度极限和使用寿命。

喷丸处理使得齿轮表面完整性发生下列主要变化，即① 引入残余压应力场；② 形变细化组织结构；③ 表面硬度的变化；④ 表面粗糙度改变；其中①②③前 4种表层变化，均可改善齿轮的疲劳寿命，而喷丸带来的表面粗糙度增加则可能降低材料疲劳性能，对齿轮的噪声产生恶化，不利于汽车的振动噪声特性。通过控制喷丸强度、丸粒直径等工艺参数、采取复合喷丸来改善喷丸对齿轮表面完整性的影响。齿轮喷丸强化表面完整性的控制关键则主要体现在对齿面残余应力分布状态与表面粗糙度的控制，避免出现“欠喷”和“过喷”两种不当的喷丸强化。

3.2.1 强力喷丸

日本在汽车齿轮抗弯曲疲劳强度表面强化技术研究方面，研究开发了多种形式的齿轮表面喷丸强化处理技术。如图13所示，为齿轮表面喷丸强化示意图。

图 13 齿轮表面喷丸强化示意图

日本马自达汽车公司首先研究开发了高压喷嘴形齿轮表面强力喷丸处理技术[7]。该处理技术在室温条件下，用可控性极好的喷嘴形喷丸机使高硬度铸造钢丸(Φ0.4~0.6 mm)在高压下高速碰撞齿轮表面，使齿面在受到反复加热和急冷瞬间得到强化，齿轮表层附近的残留压缩应力显著提高，从而抑制疲劳裂纹的进展。图1 4 所示为采用Φ0.6 mm钢丸在不同压力条件表面喷丸强化处理后齿面表层附近的残余压缩应力分布，其齿面硬度也发生一定的加工硬化。

图 14 表面喷丸强化后齿轮表层残余应力分布

图15所示，为低碳合金钢齿轮采用强力喷丸后与在未喷丸之前表层残余奥氏体含量随深度的变化曲线对比。

图 15 渗碳淬火齿面残余奥氏体含量

未喷丸之前表层奥氏体质量分数为20%~25%左右，在喷丸过程中奥氏体转变为马氏体，表层0~50 μm的奥氏体质量分数为0.3%~12%。通常在其他条件相同的情况下，喷丸强度越大，残余奥氏体转变为马氏体的深度越深，同时，残余奥氏体转变为马氏体的量也越多；即喷丸强度与马氏体的转变深度和转变量均成正比。

3.2.2 微粒喷丸

强力喷丸可大幅度提高齿轮表层附近的残余压缩应力，促使残余奥氏体转变为马氏体，提高了齿轮的弯曲疲劳强度，然而也使得齿轮表面的粗糙度增加。微粒喷丸(≤Φ0.1 mm)技术既可提高齿轮表层附近的残余压缩应力，又能有效降低喷丸对齿轮表面的粗糙度的影响，满足了齿轮对表面粗糙度的要求。

3.2.3 复合喷丸

日产汽车自动变速器研发中心采用高压强力复合喷丸强化技术对变速器齿轮进行了表面改性强化研究，较大幅度的提高了齿轮的疲劳寿命。即首先采用高硬度较大丸粒(Φ 0.6~1.0 mm)在高压、高速条件下喷丸，然后再用直径较小的高硬丸粒(Φ 0.1~0.2 mm)进行喷丸，在齿轮表面形成复合残余压缩应力，减轻表面加工硬化，改善表面粗糙度，提高表面硬度，齿面附近的残余压缩应力得到显著提高，进而抑制齿轮疲劳裂纹的展开。既保证了齿轮齿根附近有较大的残余压应力又不使齿面粗糙度有大的变化。具体的强力喷丸强度大小，一般采用试片进行喷丸強度的测量。

图 16 不同类型表面喷丸强化后齿轮表层残余应力分布

图16所示，不同类型的表面喷丸强化处理后齿轮表面附近的残余压缩应力分布，其中复合喷丸比微粒喷丸和强力喷丸的强化效果更为明显，表面最大残余压缩应力可达到1 300 MPa。

图 17 弯曲强度极限比较

图17所示，通过采用回转弯曲疲劳试验做出多种喷丸强化处理方法的弯曲疲劳强度极限，喷丸强化处理后齿轮弯曲疲劳极限大幅提高。齿轮渗碳淬火后采用表面复合喷丸强化可使齿轮的弯曲疲劳极限提高两倍以上。

3.2.4 其他喷丸新技术研究

随着科技的发展，作为导入残余压缩应力、改变表层材料组织结构、增强疲劳寿命的一项重要技术，新型新技术不断被开发应用，例如，空化水喷丸、激光空穴喷丸、超声波喷丸等。图示18为空化水喷丸原理，该工艺利用微小空化气泡溃灭时产生的冲击波压力和高速微射流打击齿轮表面，使齿轮表面层内发生高密度位错积累从而形成残余压缩应力层，来达到强化金属表面的目的。

图 18 空化气泡的变化模式示意图

激光空穴喷丸可以通过激光聚焦点处的微小空化气泡溃灭产生的冲击波对狭小的空间进行喷丸，参数可精确控制，残余压缩应力更大。超声波喷丸中，弹丸从各方向以超声频撞击已被固定的材料表面，由于其引入材料内部的能量较大，可用于实现材料表面的纳米化，降低氮化温度等方面。

3.2.5 影响喷丸效果的主要因素

喷丸强化处理的最佳效果受到不同条件的相互影响，其主要工艺参数如下表4所示。