本发明涉及齿轮加工以及表面处理领域，具体涉及一种齿轮表面复合强化的方法。
背景技术：
低碳合金钢齿轮广泛应用于汽车变速器、高速铁路等传动机械中，随着传动系统不断朝着高转速化、高扭矩化、小型化、轻量化方向发展，对齿轮的疲劳强度及疲劳寿命提出更高的要求，传统的低碳合金钢齿轮渗碳淬火热处理工艺难以满足苛刻工况、高转速高扭矩条件下的传动齿轮疲劳强度及疲劳寿命要求。
喷丸技术是当前采用的一种提高齿轮弯曲疲劳寿命的方法，现有普通微粒子强力喷丸技术使表面粗糙度得到改善，但其齿根表面硬化程度较低，残余应力层深度相对较浅，对齿轮弯曲疲劳寿命和疲劳极限提高有限。强力喷丸处理(钢丸粒径≥0.6mm)可使齿轮的弯曲疲劳寿命得到大幅提高，但对于齿面接触疲劳寿命提高效果不明显，较大直径的喷丸钢粒(≥0.3mm)还会使齿面光洁度降低，对接触疲劳寿命产生不利影响。
为了增强齿轮的耐磨性，使其获得较好的传动性能，李国云等将二硫化钼制成0.3mm的微粒子，运用二硫化钼微粒子对钢蜗轮副齿面进行喷丸处理，使其齿面获得二硫化钼固体润滑涂层(参见“表面改质钢蜗轮副的传动性能”，李国云，姜宏伟，陈勇，等，兰州理工大学学报，2009,35(5):32-35)。该技术虽然能对齿轮表面的耐磨性进行改善，但是二硫化钼微粒子颗粒过大，喷丸后在齿轮表面有残留，且使用二硫化钼制成的微粒子硬度较低，喷丸强度不够，齿轮的残余压应力和表面硬度提高有限，无法对材料的疲劳强度进行有效改善。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种齿轮表面复合强化的方法，利用强力喷丸和二硫化钼与微粒子混合喷丸处理两种工艺的耦合效应，实现了比单一表面处理工艺更深的齿面压应力幅值，大幅度提高齿面硬度。同时改善齿轮表面的润滑性，降低了齿轮表面的摩擦系数，提高润滑能力及表面光洁度，降低了齿轮啮合的振动噪声。同时大幅提高齿轮的弯曲疲劳寿命和接触疲劳寿命。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种齿轮表面复合强化的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)使用粒径为0.6-1mm的钢丸对齿轮表面进行喷丸处理；
(2)将二硫化钼与粒径为0.05-0.1mm的微粒混合后对步骤(1)喷丸处理后的齿轮继续进行喷丸，获得表面得到复合强化的齿轮。
本发明首先对齿轮进行强力喷丸(钢丸粒径≥0.6mm)，获得了较大的残余压应力以及较深的残余应力层深度，提高了齿根弯曲疲劳寿命与疲劳极限，但是齿面的粗糙度有所增加。然后将二硫化钼与0.05-0.1mm的钢丸混合后对齿轮进行喷丸处理，进一步提高了残余压应力，大幅度提高齿面硬度；超微硬粒子在齿面上形成数量可观的可储存润滑油的凹微坑，同时在齿面表层产生数微米覆盖二硫化钼固体润滑粒子的涂层，有效的改善齿轮表面的润滑性，降低齿轮表面的粗糙度和摩擦系数，进而实现大幅提高齿轮的接触疲劳寿命和抗磨损能力。表面复合强化后齿轮表面的最大残余压缩应力为1250-1400MPa，表面硬度达到760-865HV，同时大幅提高齿轮的抗弯曲疲劳强度和抗齿面接触疲劳强度。
根据本发明，步骤(1)所述钢丸的粒径为0.6-1mm，例如可以是0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
强力喷丸的粒径过小，齿根表面硬化程度较低，残余应力层深度相对较浅，对齿轮弯曲疲劳寿命和疲劳极限提高有限；强力喷丸粒径过大，会导致齿轮表面粗糙度急剧升高，且通过后续喷丸处理难以消除，降低喷丸强化效果。
根据本发明，步骤(1)所述喷丸处理的强度为3.5-4.5Mpa，例如可以是3.5Mpa、3.6Mpa、3.7Mpa、3.8Mpa、3.9Mpa、4Mpa、4.1Mpa、4.2Mpa、4.3Mpa、4.4Mpa或4.5Mpa，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，步骤(1)所述喷丸处理的时间为85-95s，例如可以是85s、86s、87s、88s、89s、90s、91s、92s、93s、94s或95s，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，步骤(2)所述微粒的粒径为0.05-0.1mm，例如可以是0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm或0.1mm，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
微粒的粒径过小，影响表面残余压应力的增长，不利于对齿轮的进一步强化；微粒的粒径过大，齿轮的表面粗糙度增加，二硫化钼对于齿面光洁度的改善作用减弱。
根据本发明，步骤(2)所述二硫化钼与微粒的质量比为(15-25):1，例如可以是15:1、16:1、17:1、18:1、19:1、20:1、21:1、22:1、23:1、24:1或25:1，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
二硫化钼与微粒的质量比过大，喷丸后残余压应力不足，强化作用减弱；二硫化钼与微粒的质量比过小，二硫化钼对齿面的改善作用降低，难以获得理想的光洁度、润滑性以及摩擦系数。
本发明中步骤(2)所述二硫化钼与微粒的质量比优选为20:1。
根据本发明，步骤(2)所述微粒为钢丸。
将二硫化钼与的钢丸混合后，混合丸料的硬度得到提高，用其继续对齿轮进行喷丸，进一步提高了齿轮的残余压应力和表面硬度。选择粒径为0.05-0.1mm的钢丸与二硫化钼混合，能够保证足够的喷丸强度以获得较高的残余应力，同时避免了因钢丸的粒径过大而导致齿轮表面粗糙度增加，进而削弱二硫化钼对齿面的光洁度的改善作用。
根据本发明，步骤(2)所述喷丸的强度为0.3-0.6MPa，例如可以是0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa或0.6MPa，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
本发明对步骤(2)中二硫化钼与微粒混合喷丸的时间不做特殊限定，在处理过程中可以根据不同要求对喷丸时间进行实际调整，示例性的，所述喷丸时间可以为30-50s，但非仅限于此。
根据本发明，步骤(2)的具体步骤为：
(a)将0.05-0.1mm的钢丸置于喷丸材料仓中，预热后加入其质量15-25倍的二硫化钼并充分混合；
(b)将冷却至0℃的惰性气体喷射到步骤(1)喷丸处理后的齿轮表面，然后将未冷却的惰性气体通入喷丸材料仓中推动钢丸与二硫化钼的混合料对齿轮表面进行喷丸处理，喷丸的强度为0.3-0.6MPa。
根据本发明，步骤(a)所述预热的温度为50-300℃，例如可以是50℃、100℃、150℃、200℃、250℃或300℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
根据本发明，步骤(b)所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中的任意一种或至少两种的组合，例如可以是氮气、氩气或氦气中的任意一种，典型但非限定性的组合为氮气和氩气，氮气和氦气，氩气和氦气，氮气、氩气和氦气。
根据本发明，步骤(b)所述对齿轮表面进行喷丸处理后将钢丸与二硫化钼的混合料回收到喷丸材料仓继续使用，能够节省成本。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)齿轮表面复合处理后齿轮表面的最大残余压缩应力为1250-1400MPa，表面硬度达到760-865HV，在较大幅度提高齿轮的弯曲疲劳寿命的同时其接触疲劳寿命也大幅提高。
(2)利用强力喷丸和二硫化钼与微粒子混合喷丸处理两种工艺的耦合效应，实现了比单一表面处理工艺更深的齿面压应力幅值，同时大幅度提高齿面硬度。
(3)齿轮表面复合处理能够有效改善齿轮的表面形貌，提高润滑能力及表面光洁度，降低齿轮表面的摩擦系数和齿轮啮合的振动噪声。
(4)本发明工艺简单，条件灵活，可进行批量生产，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例2、对比例1、对比例2和对比例3分别得到的齿轮表层的残余应力分布曲线。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
本发明所有实施例和对比例的齿轮均为同一批次相同规格的低碳合金钢齿轮。
实施例1
(1)使用粒径为0.6mm的钢丸，在3.5Mpa的压力下对低碳合金钢齿轮进行喷丸95s；
(2)将0.05mm的钢丸置于喷丸材料仓中，加热至50℃，然后加入其质量15倍的二硫化钼并充分混合；
(3)将冷却至0℃的氮气喷射到步骤(1)喷丸处理后的齿轮表面，然后将未冷却的氮气通入喷丸材料仓中推动钢丸与二硫化钼的混合料对齿轮表面进行喷丸处理，喷丸的强度为0.3MPa，喷丸时间为50s，喷丸结束后获得表面得到复合强化的齿轮；
(4)将步骤(3)喷丸结束后从齿轮表面脱落的钢丸回收到喷丸材料仓继续使用。
实施例2
(1)使用粒径为0.8mm的钢丸，在4Mpa的压力下对低碳合金钢齿轮进行喷丸90s；
(2)将0.08mm的钢丸置于喷丸材料仓中，加热至180℃，然后加入其质量20倍的二硫化钼并充分混合；
(3)将冷却至0℃的氮气喷射到步骤(1)喷丸处理后的齿轮表面，然后将未冷却的氮气通入喷丸材料仓中推动钢丸与二硫化钼的混合料对齿轮表面进行喷丸处理，喷丸的强度为0.5MPa，喷丸的时间为40s，喷丸结束后获得表面得到复合强化的齿轮；
(4)将步骤(3)喷丸结束后从齿轮表面脱落的钢丸回收到喷丸材料仓继续使用。
实施例3
(1)使用粒径为1mm的钢丸，在4.5Mpa的压力下对低碳合金钢齿轮进行喷丸85s；
(2)将0.1mm的钢丸置于喷丸材料仓中，加热至300℃，然后加入其质量25倍的二硫化钼并充分混合；
(3)将冷却至0℃的氮气喷射到步骤(1)喷丸处理后的齿轮表面，然后将未冷却的氮气通入喷丸材料仓中推动钢丸与二硫化钼的混合料对齿轮表面进行喷丸处理，喷丸的强度为0.6MPa，喷丸时间30s，喷丸结束后获得表面得到复合强化的齿轮；
(4)将步骤(3)喷丸结束后从齿轮表面脱落的钢丸回收到喷丸材料仓继续使用。
对比例1
对低碳合金钢齿轮进行渗碳淬火处理。
对比例2
即与实施例2相比，除了去掉步骤(2)、步骤(3)以及步骤(4)之外，其他部分与实施例2相同。
即只进行强力喷丸的步骤。
对比例3
与实施例2相比，除了去掉步骤(1)之外，其他部分与实施例2相同。
即只进行二硫化钼与微粒子混合喷丸的步骤。
对比例4
(1)使用粒径为0.8mm的钢丸，在4Mpa的压力下对低碳合金钢齿轮进行喷丸90s；
(2)将二硫化钼制成粒径为0.3mm的微粒，在0.5MPa下对步骤(1)喷丸的后齿轮继续喷丸40s。
即强力喷丸后，将二硫化钼制成微粒进行喷丸，不与钢丸混合。
对比例5
与实施例2相比，除了将步骤(1)中钢丸的粒径修改为0.2mm外，其他部分与实施例2相同。
即强力喷丸钢丸粒径过小。
对比例6
与实施例2相比，除了将步骤(1)中钢丸的粒径修改为1.5mm外，其他部分与实施例2相同。
即强力喷丸钢丸粒径过大。
对比例7
与实施例2相比，除了将步骤(2)中钢丸的粒径修改为0.01mm外，其他部分与实施例2相同。
即二硫化钼和微粒混合喷丸微粒粒径过小。
对比例8
与实施例2相比，除了将步骤(2)中钢丸的粒径修改为0.2mm外，其他部分与实施例2相同。
即二硫化钼和微粒混合喷丸微粒粒径过大。
图1为实施例2、对比例1、对比例2和对比例3分别得到的齿轮表层的残余应力分布曲线。由图1可知，与单独进行渗碳淬火、强力喷丸以及二硫化钼与微粒混合喷丸相比，对齿轮进行复合强化处理，一方面可以拥有比单独强力喷丸或二硫化钼与微粒子混合喷丸更大的残余应力峰值，从而大幅增加齿轮的疲劳寿命；另一方面，复合强化处理后的残余应力的峰值出现在比单一的二硫化钼与微粒子混合喷丸齿轮更深处的表层，这会使齿轮的具有更高的表层硬度，增强齿轮的承载能力。
性能测试：
测试实施例1-3与对比例1-8中各项性能，结果如表1所示。
表1
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。