0引言

    齒輪是機械裝置中傳遞動力的重要零部件，日本機械學會曾對各行業的齒輪傳動失效實例進行過系統調查研究，約74%的齒輪傳動副失效因齒輪表面疲勞失效而引起，這充分說明，齒輪的強度和使用壽命與機械裝置優劣緊密相關。近年來，隨著現代汽車和新能源汽車、軍用車輛、艦艇、航空航天器、高速鐵路設施等技術的進步發展，其動力傳動機構進一步要求齒輪具有高強度化、高速度化、高效率、高壽命、輕量化和小型化（四高一輕小）等特點。這不僅對齒輪的設計提出了新的課題，也為開發新材料和創新型材料加工技術帶來新的研發任務。其中表面強化技術是保證齒輪實現四高一輕小的關鍵。目前，我國在高強度齒輪設計與制造技術方面與歐、美、日等國家相比還存在相當差距，特別是表現在高檔汽車和機械產品的零部件與國外產品的強度和使用壽命等方面的差距尤為突出，制約了我國汽車自動變速器及其他高端機電裝備的發展，因此全面提升高端齒輪的高強度化成為勢在必行的重要課題。眾所周知，根據研究實踐表明，提高齒輪的疲勞強度壽命極限，既需要改善優化材料的合金成分、滲碳、碳氮共滲熱處理技術，還必須與齒輪的表面強化處理技術的研究開發結合起來，即實現綜合的齒輪表面完整性得到更佳的齒輪抗疲勞性能，才能實現對高強度齒輪接觸疲勞極限、彎曲疲勞極限、疲勞耐久壽命、最佳摩擦因數的高性能要求。

    近年來，各汽車公司為了開發新的市場都在不斷地提高汽車保證行駛里程，許多國際上著名的汽車公司都已經把保證行駛里程提升至34萬公里以上。為了達到這個性能指標，美國、日本、歐洲等汽車公司都提出了更嚴格的市場規范要求，加大了對提高齒輪疲勞強度壽命的研究力度，并從多要素綜合指標的角度深入開展研究開發。這主要包括齒輪合金材料的分析優化、齒輪最優熱處理技術、齒輪表面強化技術，如磷酸錳轉化涂層化學處理、齒面復合噴丸、二硫化鉬加微粒噴丸齒面噴涂等齒輪表面強化技術的研究，并在轎車自動及手動變速器的應用中取得了良好的實踐效果。

    1汽車齒輪材料技術及研究現狀

    1.1國內外汽車齒輪材料及齒輪工藝參數

    模數是齒輪重要的參數，選取汽車齒輪模數通常要考慮強度、噪聲、輕量化及加工工藝等因素。表1為乘用車和商用車齒輪常用模數及直徑工藝參數范圍。

    表 1 車用齒輪模數與簡要工藝參數

    汽車齒輪在傳遞扭矩和改變速度過程中，通常處于高速、高載荷、交變沖擊載荷等工作環境中。汽車齒輪材料不僅需要良好的機械加工性能和熱處理滲碳淬火性能，還必須滿足合理的成本需求。為保證齒面和齒頂端淬火深度的穩定性，通常選用碳質量分數為0.2%左右，單獨或復合添加Ni、Cr、Mn、Mo等合金元素的滲碳合金鋼。日本、德國在汽車高強度齒輪低碳合金鋼材料領域進行了長期的研究開發，表2為常用汽車齒輪材料的成分組成，目前國內外汽車齒輪用鋼主要為20CrMnTi（國內）、20MnCrS（德系）、20CrMoH（日系），表中鋼種A、B、C為高疲勞用鋼。

    表 2 國內外汽車常用合金鋼齒輪材料的成分組成

    1.2齒輪失效形式及機理

    汽車齒輪處于連續負荷工作的狀態，齒輪的嚙合面之間既有滾動，又有滑動，同時齒根部還受脈沖與交變彎曲應力作用。齒輪通常有4種不同破壞形式：①輪齒折斷；②宏觀點蝕與微觀點蝕；③磨損；④齒面膠合。圖1所示為齒輪的損傷位置模型。

    上述齒輪的失效多數源自于齒面或齒根的表面，由此看出齒輪的表面非常重要，齒輪表面完整性是指無損傷或強化后的表面狀態及由其決定的性能，齒輪表面完整性包括表面殘余應力、顯微硬度、表面粗糙度、微觀結構等，對于齒輪表面涂層改性還需考慮厚度和結合強度等因素。無論表面化學熱處理，還是噴丸形變強化處理，均對齒輪的表面完整性的表面粗糙度、形態特征、組織結構、硬度、殘余應力等產生影響，而齒輪的表面完整性與其彎曲疲勞抗力及接觸疲勞抗力之間有密切的關系。

    1.2.1齒輪彎曲疲勞破損機理及材料研究

    齒輪強度主要是齒輪的彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度。圖2為齒輪的彎曲折斷破損，主要原因是齒輪根部受到反復的集中應力作用下產生裂紋并逐步擴大致失效，彎曲疲勞裂紋從齒輪表層部的晶界氧化層產生，沿著表層下方的奧氏體晶界擴展至硬化層深處，進而引起結晶粒界破壞。

    材料表層部的晶界氧化層主要由Si、Mn、Cr等可提高淬火性能的合金元素組成，其晶界邊緣易產生局部不完全淬火領域，形成由屈氏體和貝氏體構成的不完全滲碳異常層。圖3所示為20CrMoH試料滲碳淬火后的晶界氧化組織，由表面向內部延伸的黑色須狀成分為Si、Mn、Cr的氧化物。

    提高齒輪彎曲疲勞強度通常采用加大齒根R角，高壓力角設計，熱處理采用滲碳淬火或碳氮共滲熱處理及噴丸強化等表面處理技術。例如，改善不完全滲碳異常層的方法一般可采用提高淬火速度，但要注意避免產生較大的齒面變形；或是采用降低Si、Mn、Cr等元素含量的同時增加Ni,Mo等利于提高淬火性能的合金元素。

    1.2.2齒面接觸疲勞機理及材料研究

    齒面疲勞破損是齒輪對在齒面接觸應力和齒面嚙合相對滑動速度不同時所產生的拉伸應力的反復作用下造成的。破損形式以表面破壞點蝕和剝落為主，圖4為齒輪點蝕破損實例。

    齒面疲勞點蝕壽命與齒輪嚙合時的表面溫度、齒面粗糙度、摩擦因數呈正比，與潤滑油動黏度成反比。通常提高材料高溫狀態硬度和回火軟化抵抗可有效地增加齒輪的齒面疲勞壽命，試驗表明，將齒面的碳質量分數由0.8%~1.0%提高到2.0%~3.0%可抑制材料表層的高溫軟化，但高濃度滲碳時由于微小碳化物大量析出，滲碳時間和擴散時間需要嚴格控制。圖5為高濃度滲碳和普通滲碳的硬度與表面距離及表面溫度的關系。

    另一種方法是材料中適當提高Si、Cr等合金元素的含量并實施碳氮共滲熱處理方法可使齒面接觸疲勞壽命大幅提高，如圖6所示為不同合金成分組成的齒輪鋼在動力循環試驗臺上的點蝕疲勞實驗結果對比（CQT：滲碳，CNQT：碳氮共滲）。

    2熱處理技術

    2.1齒輪材料熱處理基礎研究

    通過齒輪材料的基因分析和基礎性能實驗掌握材料基本參數與強度特性對熱處理數值模擬，預測熱處理變形和強度至關重要。由于熱處理中滲碳滲氮的擴散過程，溫度變化、相變生成、應力應變是多場耦合行為的動態過程，掌握多場耦合的動態過程是獲得齒輪最優熱處理工藝的關鍵。例如，齒輪鋼在熱處理過程中會產生相變塑性，其行為將直接影響齒輪在熱處理后的變形和殘余應力。因此，進行齒輪的熱處理模擬時，若不考慮相變塑性往往很難預測并控制齒輪的熱處理變形，無法確定熱處理前機械加工余量。圖7為齒輪鋼在熱處理中相變塑性試驗概況。

    作者之一根據連續體熱力學理論和相變熱力學理論，開發了熱處理數值模擬C O S M A P（Computer simulation of manufacturing process）軟件，可以對齒輪淬火、滲碳、滲氮以及局部加熱或冷卻等熱處理過程進行數值模擬。圖8為通過模擬得到SCM420H試樣測定點在不同拉應力載荷下的應變-溫度曲線，圖9為根據相變塑性理論和實驗獲得的相變塑性系數。

    2.2熱處理

    齒輪熱處理強化技術應當注重表面完整性的控制，即控制表面硬化層的組織結構、硬化層深度、心部硬度、殘余應力等。齒輪熱處理控制不當易導致表層出現過度晶界氧化層組織、脫碳、微觀裂紋等缺陷。

    2.2.1氮碳共滲

    氮碳共滲（軟氮化）與滲碳相比，處理溫度低，一般在460~600℃進行，因此齒輪變形小。滲氮可以提高齒輪表面硬度、耐磨性、疲勞強度及抗蝕能力。日本汽車公司對部分疲勞壽命極限要求不高，熱處理后不做齒面精加工的汽車齒輪，在熱處理時采用氮碳共滲工藝，通常以提高齒輪表面的耐磨性為主要目的。

    2.2.2表面淬火

    表面淬火主要包括感應淬火、激光淬火等。與滲碳淬火相比，表面淬火變形小。汽車齒輪表面淬火主要采用感應淬火。據齒輪模數的不同，采取不同方式的感應淬火，如齒輪模數為3~5 mm,采用高頻感應淬火；當模數增大到5~8 mm,一般選中頻感應淬火。高頻加熱淬火能得到沿齒輪廓均勻分布的淬硬層，應用高頻淬火熱處理對汽車轉向小齒輪進行強化，試件疲勞強度得到大幅提高。高頻熱處理具有CO2排放少，齒輪疲勞強度和耐磨性能高，畸變較小的突出優點。激光淬火具有淬火區晶粒細小且均勻、齒輪變形小等優點，為大模數、高精度的齒輪提供了一種有效的齒面強化途徑，但其成本較高。

    2.2.3滲碳

    滲碳是汽車齒輪表面處理中普遍應用的化學熱處理方法之一。經滲碳處理可使齒輪具有很好的綜合力學性能，有效防止輪齒折斷。

    目前滲碳的方法有氣體滲碳、真空滲碳以及等離子滲碳。氣體滲碳是低碳合金鋼齒輪廣泛采用的表面強化工藝，可使齒輪表面獲得較高硬度，提高其耐磨性，而心部仍為原始的板條狀馬氏體組織，以保持良好的韌性。

    高溫滲碳將齒輪滲碳溫度從900℃提高到1 050℃，可顯著縮短滲碳時間約50%以上，可有效提高生產效率。但是高溫滲碳容易導致奧氏體晶粒粗大化，降低齒輪疲勞性能，且變形大。為克服高溫滲碳時晶粒長大問題，國內外學者發現微合金化是抑制齒輪鋼的奧氏體晶粒長大的有效手段。日本的研究表明可以通過在熱處理過程中主動控制滲碳深度和表面硬度，可獲得最佳滲碳層深度和最小的變形。通過調整添加Nb、Ti和B等合金元素，有效控制了經高溫滲碳產生的奧氏體晶粒粗大化，較好的解決了上述問題。真空滲碳與等離子滲碳具有不產生晶界氧化，表面力學性能高，CO2排放較少，熱處理過程時間短節省能源消耗的優點，但成本較高。

    2.2.4碳氮共滲

    碳氮共滲熱處理，通過有效掌握氮濃度和加氮的時間節點就能較好提高齒輪強度和耐磨性，采用碳氮共滲熱處理法，有利于殘余奧氏體含量的調整抑制初期疲勞裂紋向深處發展。傳統的滲碳淬火鋼（20CrMoH）的滲碳異常層厚度約為15~20μm左右，采用碳氮共滲處理法的滲碳異常層厚度只有其1/2。

    碳氮共滲能有效提高滲層深度、細化奧氏體晶粒、減小齒輪變形、提高齒輪強度和耐磨性能。汽車用自動變速器滲碳齒輪嚙合的齒面工作實際瞬間溫度約達250~270℃，高于常用回火溫度范圍150~200℃，較高嚙合溫度將導致齒面硬度下降，易產生疲勞點蝕現象。采用碳氮共滲工藝，通過調整滲氮量，提高抗回火性能，抗回火溫度達到300℃左右。圖10所示為應用碳氮共滲工藝研究了氮含量對SCR420H鋼和鋼種C在170℃與300℃時齒面硬度的影響。

    3抗齒輪彎曲疲勞表面強化技術

    3.1齒輪基礎實驗

    日本、德國在齒輪的基礎研究領域做了大量研究。鋼輥（Steel roller）試驗是國外大學與研究機構齒輪基礎實驗研究普遍采用的方法，取得了大量的實驗數據和研究成果。例如，日本應用鋼輥試驗進行齒輪粗糙度和模擬加工缺陷對接觸疲勞壽命影響的研究。

    表3所示為幾種不同鋼材的鋼輥表面粗糙度（表中A：JIS S48C,鍛造材料；B：JIS S48C,延壓材料；C：JIS S50C,延壓材料）。

    表 3 鋼輥表面粗糙度

    圖11所示為鋼輥試件的形狀和尺寸示意圖。

    圖12所示為不同表面粗糙度齒輪材料鋼輥試件的最大赫茲接觸應力與疲勞循環次數關系。研究表明表面粗糙度最低的C鋼輥具有較高的接觸疲勞壽命極限，有模擬加工直徑0.1 mm小孔的表面缺陷的C′鋼輥接觸疲勞壽命最低。

    3.2齒輪噴丸強化

    噴丸強化通過機械手段在齒輪表面產生壓縮變形，使表面產生形變改性層，從而使表面強度提高，是齒輪提高齒輪疲勞強度廣泛應用的方法。噴丸處理使齒面強化層內產生很大的塑性變形，齒面表層殘余奧氏體向馬氏體轉變，誘發轉變成的馬氏體有方向性，并沿滑移線平行成束排列，原始馬氏體的位錯密度增加，結構得到細化，噴丸使得齒輪的表面顯微硬度和齒面數十微米下的殘余壓應力提高，可大幅度提高汽車齒輪的彎曲疲勞強度極限和使用壽命。噴丸處理使得齒輪表面完整性發生下列主要變化，即①引入殘余壓應力場；②形變細化組織結構；③表面硬度的變化；④表面粗糙度改變；其中①②③前4種表層變化，均可改善齒輪的疲勞壽命，而噴丸帶來的表面粗糙度增加則可能降低材料疲勞性能，對齒輪的噪聲產生惡化，不利于汽車的振動噪聲特性。通過控制噴丸強度、丸粒直徑等工藝參數、采取復合噴丸來改善噴丸對齒輪表面完整性的影響。齒輪噴丸強化表面完整性的控制關鍵則主要體現在對齒面殘余應力分布狀態與表面粗糙度的控制，避免出現“欠噴”和“過噴”兩種不當的噴丸強化。

    3.2.1強力噴丸

    日本在汽車齒輪抗彎曲疲勞強度表面強化技術研究方面，研究開發了多種形式的齒輪表面噴丸強化處理技術。如圖13所示，為齒輪表面噴丸強化示意圖。

    日本馬自達汽車公司首先研究開發了高壓噴嘴形齒輪表面強力噴丸處理技術。該處理技術在室溫條件下，用可控性極好的噴嘴形噴丸機使高硬度鑄造鋼丸（Φ0.4~0.6 mm）在高壓下高速碰撞齒輪表面，使齒面在受到反復加熱和急冷瞬間得到強化，齒輪表層附近的殘留壓縮應力顯著提高，從而抑制疲勞裂紋的進展。圖1 4所示為采用Φ0.6 mm鋼丸在不同壓力條件表面噴丸強化處理后齒面表層附近的殘余壓縮應力分布，其齒面硬度也發生一定的加工硬化。

    圖15所示，為低碳合金鋼齒輪采用強力噴丸后與在未噴丸之前表層殘余奧氏體含量隨深度的變化曲線對比。未噴丸之前表層奧氏體質量分數為20%~25%左右，在噴丸過程中奧氏體轉變為馬氏體，表層0~50μm的奧氏體質量分數為0.3%~12%。通常在其他條件相同的情況下，噴丸強度越大，殘余奧氏體轉變為馬氏體的深度越深，同時，殘余奧氏體轉變為馬氏體的量也越多；即噴丸強度與馬氏體的轉變深度和轉變量均成正比。

    3.2.2微粒噴丸

    強力噴丸可大幅度提高齒輪表層附近的殘余壓縮應力，促使殘余奧氏體轉變為馬氏體，提高了齒輪的彎曲疲勞強度，然而也使得齒輪表面的粗糙度增加。微粒噴丸（≤Φ0.1 mm）技術既可提高齒輪表層附近的殘余壓縮應力，又能有效降低噴丸對齒輪表面的粗糙度的影響，滿足了齒輪對表面粗糙度的要求。

    3.2.3復合噴丸

    日產汽車自動變速器研發中心采用高壓強力復合噴丸強化技術對變速器齒輪進行了表面改性強化研究，較大幅度的提高了齒輪的疲勞壽命。即首先采用高硬度較大丸粒（Φ0.6~1.0 mm）在高壓、高速條件下噴丸，然后再用直徑較小的高硬丸粒（Φ0.1~0.2 mm）進行噴丸，在齒輪表面形成復合殘余壓縮應力，減輕表面加工硬化，改善表面粗糙度，提高表面硬度，齒面附近的殘余壓縮應力得到顯著提高，進而抑制齒輪疲勞裂紋的展開。既保證了齒輪齒根附近有較大的殘余壓應力又不使齒面粗糙度有大的變化。具體的強力噴丸強度大小，一般采用試片進行噴丸強度的測量。

    圖16所示，不同類型的表面噴丸強化處理后齒輪表面附近的殘余壓縮應力分布，其中復合噴丸比微粒噴丸和強力噴丸的強化效果更為明顯，表面最大殘余壓縮應力可達到1 300 MPa。

    圖17所示，通過采用回轉彎曲疲勞試驗做出多種噴丸強化處理方法的彎曲疲勞強度極限，噴丸強化處理后齒輪彎曲疲勞極限大幅提高。齒輪滲碳淬火后采用表面復合噴丸強化可使齒輪的彎曲疲勞極限提高兩倍以上。

    3.2.4其他噴丸新技術研究

    隨著科技的發展，作為導入殘余壓縮應力、改變表層材料組織結構、增強疲勞壽命的一項重要技術，新型新技術不斷被開發應用，例如，空化水噴丸、激光空穴噴丸、超聲波噴丸等。圖示18為空化水噴丸原理，該工藝利用微小空化氣泡潰滅時產生的沖擊波壓力和高速微射流打擊齒輪表面，使齒輪表面層內發生高密度位錯積累從而形成殘余壓縮應力層，來達到強化金屬表面的目的。

    激光空穴噴丸可以通過激光聚焦點處的微小空化氣泡潰滅產生的沖擊波對狹小的空間進行噴丸，參數可精確控制，殘余壓縮應力更大。超聲波噴丸中，彈丸從各方向以超聲頻撞擊已被固定的材料表面，由于其引入材料內部的能量較大，可用于實現材料表面的納米化，降低氮化溫度等方面。

    3.2.5影響噴丸效果的主要因素

    噴丸強化處理的最佳效果受到不同條件的相互影響，其主要工藝參數如下表4所示。

    表4齒輪噴丸強化工藝影響因素

    4抗齒面接觸疲勞表面強化技術

    圖19為德國慕尼黑工業大學教授Nieman做出的齒輪傳動的失效區示意圖，圖中的點線所示齒輪的抗彎曲折損強度低于齒面抗點蝕強度。

    但近年來由于齒輪表面噴丸強化處理技術的研究開發成果，使得齒輪彎曲疲勞強度壽命極限得到大幅度提高，齒輪抗彎曲疲勞強度極限超過了齒面接觸抗點蝕疲勞強度極限，如何進一步提高齒面接觸疲勞強度極限已成為高強度齒輪技術的最重要研究課題。

    齒輪對在齒面高接觸應力和齒面嚙合快速相對滑動產生的拉應力反復作用下會產生齒面疲勞損傷。為了防止這類損傷的產生，采用齒面改性涂層技術，可有效改善齒輪副的表面完整性和抗齒面疲勞性能。

    4.1磷酸錳轉化涂層

    磷酸錳轉化涂層工藝在提高傳動部件表面強度的應用最早出現在軸承滾子的疲勞壽命改善方面。齒輪表面磷化處理后獲得的磷酸錳轉化涂層可以有效降低摩擦副表面的摩擦系數，具有良好的抗咬合或擦傷性能。在日本，筆者在高強度齒輪研究實踐中首次將磷酸錳轉化涂層技術應用于汽車自動變速器齒輪上。重慶大學石萬凱與筆者在20Cr齒輪表面制備了超微細磷酸錳轉化涂層，研究了磷化晶粒尺寸與涂層表面孔隙的儲油特性的關系，結果表明在表面浸油潤滑條件下，鋼表面的超微細磷酸錳轉化涂層具有明顯的減摩與耐磨效果。Wang等對磷化膜后處理與潤滑狀況對其摩擦學特性的影響規律進行了研究。

    磷酸錳轉化涂層的制造工藝主要包括采用脫脂劑在溫度70~95℃脫脂槽內對齒輪表面進行前處理，水清洗，然后在處理溫度40~80℃條件下進行表面調整，磷化處理的溫度條件80~100℃，酸比控制在5.6~6.2,處理時間10~15 min。

    工藝流程如圖20所示，涂層的形成通過如下化學反應來實現：

    磷酸錳轉化涂層處理后，齒輪表面產生數微米的軟質層，填平了齒輪表面大部分凹凸切削波紋，降低了齒面的局部最大嚙合接觸應力和金屬表面摩擦因數，改善了齒輪嚙合時的油膜狀況和潤滑狀況。通過控制磷酸錳轉化涂層的工藝參數來影響涂層的密度和晶粒尺寸，可以獲得超微細磷酸錳轉化涂層，處理后齒面產生3~5μm的軟質層，生成的涂層密度約為2.2 g/m2,處理后通過SEM觀察表面形貌如圖21所示。普通磷酸錳涂層處理和超微細磷酸錳涂層處理的選取需要結合齒輪加工工藝和實際工作條件來判定。

    圖22為圓柱輥子對油膜的形成狀況，用分離電壓抵抗測定法觀察圓柱輥子油膜形成狀況，0 V為完全接觸，0.1 V為完全分離，磷酸錳涂層處理后的圓柱輥子分離電壓在30 min后開始上升，其油膜形成能力明顯優于無處理圓柱輥子。

    通過摩擦磨損性能試驗，評價涂層在一定工作條件下的摩擦學性能。如圖23所示，按照齒輪的工作載荷及潤滑條件，進行磷酸錳涂層試件的摩擦磨損試驗，超微細磷酸錳轉化涂層在低載荷與高載荷工況均具有良好持續減摩耐磨特性。

    圖24所示為日本JATCO自動變速器公司向大眾汽車提供的自動變速器按照耐久試驗要求，相同試驗條件下兩組AT齒輪對試驗后的表面形貌點蝕情況。兩組齒輪對均經過相同的加工工藝，B組齒輪對進行了磷酸錳轉化涂層處理，而A組齒輪對未作處理。

    如圖25所示，在齒面接觸點最大壓力Pmax為2 000 MPa和齒根最大滑動速度為7.8 m/s的條件下進行實驗，橫軸表示嚙合循環次數，縱軸顯示每次循環下的點蝕面積率。A組齒輪在3×106 rev循環下出現點蝕破損，而B組齒輪在1.1×107 rev循環后仍未出現點蝕。試驗表明，磷酸錳轉化涂層使變速器齒輪的抗點蝕疲勞壽命提高了3到4倍。

    4.2二硫化鉬（MoS2）鍍膜技術

    二硫化鉬（MoS2）作為一種優質的固體潤滑材料，具有良好的減摩、抗磨和承載能力。二硫化鉬（MoS2）膜具有層狀的結構，組成沉積膜層的粒子本身具有較低的硬度和較高的穩定性。

    通過采用MoS2來提高齒輪表面承載能力成為當前的一個研究熱點，國內外學者做了大量研究。R.I.Amaro等采用磁控濺射在花鍵齒輪上獲得MoS2潤滑膜，在高轉速下有效的降低摩擦，提高了疲勞壽命極限。K.H o l m b e r g等采用MoS2/Ti復合涂層技術能夠進一步降低摩擦因數，室溫下摩擦因數可低至0.07,有效減輕摩擦副運行中的摩擦和磨損。R.C.Martins等對二硫化鉬復合涂層涂鍍的齒輪進行了F Z G臺架試驗，MoS2涂鍍的齒輪在5級載荷3 000 r/min的條件下運轉的齒輪箱溫度和摩擦因數明顯下降。日本日產汽車和馬自達汽車公司研究在變速器齒輪的開發實踐中應用了表面二硫化鉬鍍膜處理技術。其主要原理是鍍MoS2膜后，在齒表面產生2~3μm的軟質涂層，可降低齒面局部最大嚙合接觸應力和表面摩擦系數，提高齒輪嚙合時的潤滑狀況。

    圖26為不同材料的齒輪和齒面經二硫化鉬（MoS2）表面鍍膜的齒輪疲勞壽命比較，圖中鋼種A（1Cr-0.4Mo）為常用齒輪鋼、鋼種B為釩添加齒輪鋼、鋼種C為Mn、Mo增量齒輪鋼。試驗結果表明表面二硫化鉬鍍膜處理后，齒輪初期嚙合運轉后齒面平滑性明顯提高，疲勞壽命提高了3倍以上。

    4.3超微細復合材料噴涂技術

    近年來，日本和臺灣的公司研究應用了含有MoS2和超微細金屬粒子復合材料的噴涂技術，其作為壓力噴涂領域的一種新工法，在高強度齒輪表面強化領域得到了很好的實踐效果，其工藝過程如圖27所示。

    主要是利用高壓惰性氣體推動球狀研磨滾珠及固態潤滑劑（MoS2）復合材料在高溫高壓的條件下撞擊齒輪表面，并滲透進齒面1~20μm深度，使金屬表面20μm深度的相組織發生改變，齒面因球形顆粒沖擊而形成多處微小孔洞，使其表面組織被細微壓縮而造成外應力減少，表面硬度顯著提高，并通過固態潤滑劑附著在表面，進而提高齒面的自潤性。降低齒面粗糙度，提高齒輪嚙合質量，降低嚙合噪聲。圖28所示，某變速器齒輪滾針軸承內緣經復合材料噴涂處理后表面壓痕平整度獲得較大改善，同時表面形成的無數細微凹坑，利于油膜的形成，進而提高摩擦表面的油膜附著性，增強疲勞極限。

    4.4齒輪表面復合強化技術

    隨著齒輪要求的不斷提高和齒輪表面加工工程技術不斷發展，將兩種或多種表面強化技術對齒輪進行復合處理，提高齒輪的表面完整性以滿足齒輪更加苛刻的使用要求，成為現如今齒輪領域的一種重要手段，如：QPQ（Quench polishquench）鹽浴復合處理技術、熱噴涂與噴丸結合的復合涂層技術、涂層與噴丸復合技術等。QPQ鹽浴復合處理技術是低溫鹽浴氮碳共滲加鹽浴氧化的一種高抗蝕性和耐磨性的金屬表面改性技術。通用汽車利用該技術提高了內燃機缸套的耐磨性。大眾汽車的凸輪軸與中國重汽的重型汽車減速器的內齒輪也采用了QPQ技術。熱噴涂與噴丸相結合的復合強化技術使齒輪既有高抗彎曲疲勞性能，也有良好的抗接觸疲勞性能，并增加了齒輪的減摩潤滑性能。

    4.5滾筒拋光研磨法和磨料流加工技術

    滾筒研磨石拋光研磨處理（Barrelling）在一定條件下，可較好地改善齒面粗糙度和齒輪疲勞壽命且成本低。圖29所示為滾筒拋光研磨法的處理概要，其處理過程采用不同種類材料數毫米直徑的研磨石和研磨粉的混合體與研磨處理槽朝著同一方向回轉（100 m/min），被加工齒輪的回轉方向與其相反，同時進行上下平移運動，處理時間約為15~30 min。日本佐賀大學穗屋下教授同筆者和日本住友重工公司共同研究了齒輪噴丸強化處理后的滾筒拋光研磨法，取得了較好的實驗效果，引起了美國和日本有關專家的關注。

    磨料流加工（Abrasive flow machining），一種用具有流動性的聚合物載體和磨料組成的彈性材料對工件進行表面拋光和去毛刺的新工藝技術。Xu等對斜齒輪進行了磨料流處理，通過仿真與試驗研究證明了AFM可以有效地提高斜齒輪的表面粗糙度質量。滾筒研磨拋光和磨料流技術中磨料介質的選擇及配比對加工的效果十分重要，繼續開展磨料對齒面粗糙度、疲勞強度的仿真與實驗研究，以及多種磨料介質的最優選取與配比研究十分重要。

    4.6油品對齒輪疲勞強度壽命和磨損的影響

    汽車自動變速器潤滑油（ATF）除要滿足齒輪和軸承的潤滑外還承擔著液壓控制油和離合器等部件的潤滑和冷卻作用以及動作平穩性的控制作用，對油品的動摩擦因數和靜摩擦因數及其氧化耐久性都有非常苛刻的要求。近年來由于汽車自動變速器對控制系統精度和滑動性要求的提高，油品對齒輪系統的潤滑面臨很大的挑戰。表5是汽車自動變速器兩種不同油品代表性狀。

    表 5 試驗ATF的代表性狀

    用于試驗的斜齒齒輪對分別做了復合噴丸和磷酸錳化學處理，圖30所示是動力循環式齒輪疲勞實驗臺。

    ATF在變速器中常用的工作溫度通常選擇在80~110℃之間，試驗在工作油溫80℃條件下測得在齒輪接觸應力為1 730 MPa時的齒輪疲勞點蝕率，結果如圖31所示，齒輪對A的疲勞點蝕面積率小于齒輪對B。

    圖32顯示齒輪底部的磨損量，齒輪對A的主動小齒輪遠大于齒輪對B的主動小齒輪。實驗表明齒輪磨損量與點蝕率成反比關系。

    5齒輪表面強化的科學問題與發展

    5.1齒輪表面強化的數值模擬研究與科學問題

    在科學研究和工程技術領域，數值模擬是理論分析和實驗測試并重的基礎研究方法。數值模擬技術的發展為齒輪表面強化技術的優化設計研究提供了平臺。

    在齒輪噴丸強化過程的力學數值模擬研究領域，國內外學者做了一定的研究應用，包括采用彈塑性模型的一維解析法對由噴丸殘余應力的預測，考慮噴丸強度因素進行二維噴射過程的模擬，運用有限元三維模型進行噴丸對微裂紋擴展、齒輪表面形貌的數值模擬研究等大量工作。然而對于噴丸強化材料納米尺度力學性能研究，噴丸參數與齒輪性能提高的定量關系，以及不同材質、直徑的彈丸多次連續撞擊情況的模擬仍然需要進一步深入研究。

    基于表面結構優化來改善齒輪副表面的摩擦磨損潤滑性能，該領域的研究一直是學術界和工程界長期關注的熱點。不同的加工及表面強化處理對齒面幾何形貌、粗糙度的影響直接關系到齒輪的潤滑狀態。因此，研究齒輪不同齒面形貌混合彈流潤滑特性，求解齒面彈性變形、表面溫升及接觸閃溫，分析不同涂層表面潤滑狀態下的熱解以及表面形貌與齒輪摩擦磨損的定量規律，對齒面失效機理研究與齒輪強度優化設計十分必要。

    由于齒輪傳動的內外部激勵和非線性因素豐富，工作環境復雜多變，使其動力學分析十分復雜，制造、加工、誤差、磨損、潤滑和運行環境等因素將導致齒輪系統激勵參數具有不確定性，多個不確定性因素同時存在，導致了齒輪系統問題的高維性，這使得齒輪失效機理與強化機理研究變得困難。因此，研究齒輪系統動力學，需要考慮不確定性優化設計方法與靈敏度分析方法。

    5.2齒輪表面強化技術的發展

    各種復雜工況下的齒輪傳動系統使齒輪表面強化技術不斷出現新的課題。例如，汽車傳動系統輕量化及新能源汽車變速器高轉速、高扭矩的工作狀況對汽車齒輪強度提出更高的要求，新能源電動汽車變速器工況由傳統汽車發動機的最高轉速6 500 r/min升至14 000 r/min,轉矩提高約30%,齒輪的疲勞壽命提高40%以上。單一的表面強化技術難以滿足綜合性能要求高的齒輪使用要求，多種復合表面強化技術進行復合處理的表面強化技術將在高強度齒輪領域得到研究應用。

    表面強化技術的發展需要適應齒輪高強度、高精度、高疲勞壽命、低噪聲的多目標要求。而各目標之間的非獨立性和矛盾性使復合表面強化技術絕非是單一強化技術的疊加。齒輪復合表面強化技術應建立齒輪表面復合強化的多目標優化方法，運用多目標優化設計理論，對齒輪表面熱處理、噴丸強化技術、表面轉化涂層等工藝的強化機理與齒輪表面完整性的科學理論關系進行系統的基礎研究。齒輪表面熱處理未來的研究重點包括，通過齒輪材料基因分析和基礎性能實驗掌握材料基本參數與強度特性，預測齒輪熱處理變形的數值模擬與控制技術研究、新型齒輪用鋼以及新型熱處理工藝的研發；齒輪噴丸強化技術的研究結合材料力學、現代力學，對噴丸參數與齒輪表面完整性（殘余應力場、粗糙度、納米尺度的力學性能等）關系；齒面各種涂層的摩擦學研究是齒輪研究的重要問題之一，基于齒輪實際工作狀況、瞬態溫度場和潤滑條件，深入開展齒輪涂層表面完整性對接觸疲勞壽命的影響規律研究。另一個重點是控制涂層組織中晶粒尺寸大小、分布以及晶界尺寸等，使涂層具有更高硬度與韌性，如何進一步實現對晶粒的控制成為研究的重要環節。

    6總結

    （1）表面強化技術是高強度汽車齒輪的重要技術之一，在汽車技術領域里占有重要的位置。目前，尚不能完全滿足汽車自動變速器在輕量化，高轉速、高扭矩、高耐久性的目標要求，應更加注重齒輪的材料與表面強化的基礎與應用研究。

    （2）齒輪表面熱處理、噴丸強化、表面涂層等表面強化技術對汽車變速器齒輪的疲勞強度極限提升有良好的實踐效果，在引進吸收國際技術的同時，進一步開展齒輪表面完整性與抗疲勞強化機理的研究是解決當前我國高強度齒輪技術問題重要任務之一。

    （3）齒輪表面強化的數值模擬研究應結合熱力學、相變熱力學、材料力學、固體力學、摩擦學及齒輪動力學等交叉學科，建立齒輪表面強化參數與齒輪性能提高的定量關系將是該領域研究的重點。齒輪高抗接觸疲勞、高抗彎曲疲勞的復合表面強化技術，應注重各表面強化處理的相互作用機理和基礎研究，從多要素綜合指標的角度，探索新型的齒輪復合表面強化方法，以實現齒輪發展的高強度化的目標要求。

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責任編輯：王元

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