本發明涉及齒輪加工以及表面處理領域，具體涉及一種齒輪表面復合強化的方法。
背景技術：
低碳合金鋼齒輪廣泛應用于汽車變速器、高速鐵路等傳動機械中，隨著傳動系統不斷朝著高轉速化、高扭矩化、小型化、輕量化方向發展，對齒輪的疲勞強度及疲勞壽命提出更高的要求，傳統的低碳合金鋼齒輪滲碳淬火熱處理工藝難以滿足苛刻工況、高轉速高扭矩條件下的傳動齒輪疲勞強度及疲勞壽命要求。
噴丸技術是當前采用的一種提高齒輪彎曲疲勞壽命的方法，現有普通微粒子強力噴丸技術使表面粗糙度得到改善，但其齒根表面硬化程度較低，殘余應力層深度相對較淺，對齒輪彎曲疲勞壽命和疲勞極限提高有限。強力噴丸處理(鋼丸粒徑≥0.6mm)可使齒輪的彎曲疲勞壽命得到大幅提高，但對于齒面接觸疲勞壽命提高效果不明顯，較大直徑的噴丸鋼粒(≥0.3mm)還會使齒面光潔度降低，對接觸疲勞壽命產生不利影響。
為了增強齒輪的耐磨性，使其獲得較好的傳動性能，李國云等將二硫化鉬制成0.3mm的微粒子，運用二硫化鉬微粒子對鋼蝸輪副齒面進行噴丸處理，使其齒面獲得二硫化鉬固體潤滑涂層(參見“表面改質鋼蝸輪副的傳動性能”，李國云，姜宏偉，陳勇，等，蘭州理工大學學報，2009,35(5):32-35)。該技術雖然能對齒輪表面的耐磨性進行改善，但是二硫化鉬微粒子顆粒過大，噴丸后在齒輪表面有殘留，且使用二硫化鉬制成的微粒子硬度較低，噴丸強度不夠，齒輪的殘余壓應力和表面硬度提高有限，無法對材料的疲勞強度進行有效改善。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的不足，本發明提供一種齒輪表面復合強化的方法，利用強力噴丸和二硫化鉬與微粒子混合噴丸處理兩種工藝的耦合效應，實現了比單一表面處理工藝更深的齒面壓應力幅值，大幅度提高齒面硬度。同時改善齒輪表面的潤滑性，降低了齒輪表面的摩擦系數，提高潤滑能力及表面光潔度，降低了齒輪嚙合的振動噪聲。同時大幅提高齒輪的彎曲疲勞壽命和接觸疲勞壽命。
為達此目的，本發明采用以下技術方案：
第一方面，本發明提供一種齒輪表面復合強化的方法，所述方法包括以下步驟：
(1)使用粒徑為0.6-1mm的鋼丸對齒輪表面進行噴丸處理；
(2)將二硫化鉬與粒徑為0.05-0.1mm的微粒混合后對步驟(1)噴丸處理后的齒輪繼續進行噴丸，獲得表面得到復合強化的齒輪。
本發明首先對齒輪進行強力噴丸(鋼丸粒徑≥0.6mm)，獲得了較大的殘余壓應力以及較深的殘余應力層深度，提高了齒根彎曲疲勞壽命與疲勞極限，但是齒面的粗糙度有所增加。然后將二硫化鉬與0.05-0.1mm的鋼丸混合后對齒輪進行噴丸處理，進一步提高了殘余壓應力，大幅度提高齒面硬度；超微硬粒子在齒面上形成數量可觀的可儲存潤滑油的凹微坑，同時在齒面表層產生數微米覆蓋二硫化鉬固體潤滑粒子的涂層，有效的改善齒輪表面的潤滑性，降低齒輪表面的粗糙度和摩擦系數，進而實現大幅提高齒輪的接觸疲勞壽命和抗磨損能力。表面復合強化后齒輪表面的最大殘余壓縮應力為1250-1400MPa，表面硬度達到760-865HV，同時大幅提高齒輪的抗彎曲疲勞強度和抗齒面接觸疲勞強度。
根據本發明，步驟(1)所述鋼丸的粒徑為0.6-1mm，例如可以是0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm，以及上述數值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
強力噴丸的粒徑過小，齒根表面硬化程度較低，殘余應力層深度相對較淺，對齒輪彎曲疲勞壽命和疲勞極限提高有限；強力噴丸粒徑過大，會導致齒輪表面粗糙度急劇升高，且通過后續噴丸處理難以消除，降低噴丸強化效果。
根據本發明，步驟(1)所述噴丸處理的強度為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，以及上述數值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
根據本發明，步驟(1)所述噴丸處理的時間為85-95s，例如可以是85s、86s、87s、88s、89s、90s、91s、92s、93s、94s或95s，以及上述數值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
根據本發明，步驟(2)所述微粒的粒徑為0.05-0.1mm，例如可以是0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm或0.1mm，以及上述數值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
微粒的粒徑過小，影響表面殘余壓應力的增長，不利于對齒輪的進一步強化；微粒的粒徑過大，齒輪的表面粗糙度增加，二硫化鉬對于齒面光潔度的改善作用減弱。
根據本發明，步驟(2)所述二硫化鉬與微粒的質量比為(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，以及上述數值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
二硫化鉬與微粒的質量比過大，噴丸后殘余壓應力不足，強化作用減弱；二硫化鉬與微粒的質量比過小，二硫化鉬對齒面的改善作用降低，難以獲得理想的光潔度、潤滑性以及摩擦系數。
本發明中步驟(2)所述二硫化鉬與微粒的質量比優選為20:1。
根據本發明，步驟(2)所述微粒為鋼丸。
將二硫化鉬與的鋼丸混合后，混合丸料的硬度得到提高，用其繼續對齒輪進行噴丸，進一步提高了齒輪的殘余壓應力和表面硬度。選擇粒徑為0.05-0.1mm的鋼丸與二硫化鉬混合，能夠保證足夠的噴丸強度以獲得較高的殘余應力，同時避免了因鋼丸的粒徑過大而導致齒輪表面粗糙度增加，進而削弱二硫化鉬對齒面的光潔度的改善作用。
根據本發明，步驟(2)所述噴丸的強度為0.3-0.6MPa，例如可以是0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa或0.6MPa，以及上述數值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
本發明對步驟(2)中二硫化鉬與微粒混合噴丸的時間不做特殊限定，在處理過程中可以根據不同要求對噴丸時間進行實際調整，示例性的，所述噴丸時間可以為30-50s，但非僅限于此。
根據本發明，步驟(2)的具體步驟為：
(a)將0.05-0.1mm的鋼丸置于噴丸材料倉中，預熱后加入其質量15-25倍的二硫化鉬并充分混合；
(b)將冷卻至0℃的惰性氣體噴射到步驟(1)噴丸處理后的齒輪表面，然后將未冷卻的惰性氣體通入噴丸材料倉中推動鋼丸與二硫化鉬的混合料對齒輪表面進行噴丸處理，噴丸的強度為0.3-0.6MPa。
根據本發明，步驟(a)所述預熱的溫度為50-300℃，例如可以是50℃、100℃、150℃、200℃、250℃或300℃，以及上述數值之間的具體點值，限于篇幅及出于簡明的考慮，本發明不再窮盡列舉所述范圍包括的具體點值。
根據本發明，步驟(b)所述惰性氣體為氮氣、氬氣或氦氣中的任意一種或至少兩種的組合，例如可以是氮氣、氬氣或氦氣中的任意一種，典型但非限定性的組合為氮氣和氬氣，氮氣和氦氣，氬氣和氦氣，氮氣、氬氣和氦氣。
根據本發明，步驟(b)所述對齒輪表面進行噴丸處理后將鋼丸與二硫化鉬的混合料回收到噴丸材料倉繼續使用，能夠節省成本。
與現有技術方案相比，本發明至少具有以下有益效果：
(1)齒輪表面復合處理后齒輪表面的最大殘余壓縮應力為1250-1400MPa，表面硬度達到760-865HV，在較大幅度提高齒輪的彎曲疲勞壽命的同時其接觸疲勞壽命也大幅提高。
(2)利用強力噴丸和二硫化鉬與微粒子混合噴丸處理兩種工藝的耦合效應，實現了比單一表面處理工藝更深的齒面壓應力幅值，同時大幅度提高齒面硬度。
(3)齒輪表面復合處理能夠有效改善齒輪的表面形貌，提高潤滑能力及表面光潔度，降低齒輪表面的摩擦系數和齒輪嚙合的振動噪聲。
(4)本發明工藝簡單，條件靈活，可進行批量生產，具有良好的應用前景。
附圖說明
圖1為實施例2、對比例1、對比例2和對比例3分別得到的齒輪表層的殘余應力分布曲線。
具體實施方式
下面結合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。
為更好地說明本發明，便于理解本發明的技術方案，本發明的典型但非限制性的實施例如下：
本發明所有實施例和對比例的齒輪均為同一批次相同規格的低碳合金鋼齒輪。
實施例1
(1)使用粒徑為0.6mm的鋼丸，在3.5Mpa的壓力下對低碳合金鋼齒輪進行噴丸95s；
(2)將0.05mm的鋼丸置于噴丸材料倉中，加熱至50℃，然后加入其質量15倍的二硫化鉬并充分混合；
(3)將冷卻至0℃的氮氣噴射到步驟(1)噴丸處理后的齒輪表面，然后將未冷卻的氮氣通入噴丸材料倉中推動鋼丸與二硫化鉬的混合料對齒輪表面進行噴丸處理，噴丸的強度為0.3MPa，噴丸時間為50s，噴丸結束后獲得表面得到復合強化的齒輪；
(4)將步驟(3)噴丸結束后從齒輪表面脫落的鋼丸回收到噴丸材料倉繼續使用。
實施例2
(1)使用粒徑為0.8mm的鋼丸，在4Mpa的壓力下對低碳合金鋼齒輪進行噴丸90s；
(2)將0.08mm的鋼丸置于噴丸材料倉中，加熱至180℃，然后加入其質量20倍的二硫化鉬并充分混合；
(3)將冷卻至0℃的氮氣噴射到步驟(1)噴丸處理后的齒輪表面，然后將未冷卻的氮氣通入噴丸材料倉中推動鋼丸與二硫化鉬的混合料對齒輪表面進行噴丸處理，噴丸的強度為0.5MPa，噴丸的時間為40s，噴丸結束后獲得表面得到復合強化的齒輪；
(4)將步驟(3)噴丸結束后從齒輪表面脫落的鋼丸回收到噴丸材料倉繼續使用。
實施例3
(1)使用粒徑為1mm的鋼丸，在4.5Mpa的壓力下對低碳合金鋼齒輪進行噴丸85s；
(2)將0.1mm的鋼丸置于噴丸材料倉中，加熱至300℃，然后加入其質量25倍的二硫化鉬并充分混合；
(3)將冷卻至0℃的氮氣噴射到步驟(1)噴丸處理后的齒輪表面，然后將未冷卻的氮氣通入噴丸材料倉中推動鋼丸與二硫化鉬的混合料對齒輪表面進行噴丸處理，噴丸的強度為0.6MPa，噴丸時間30s，噴丸結束后獲得表面得到復合強化的齒輪；
(4)將步驟(3)噴丸結束后從齒輪表面脫落的鋼丸回收到噴丸材料倉繼續使用。
對比例1
對低碳合金鋼齒輪進行滲碳淬火處理。
對比例2
即與實施例2相比，除了去掉步驟(2)、步驟(3)以及步驟(4)之外，其他部分與實施例2相同。
即只進行強力噴丸的步驟。
對比例3
與實施例2相比，除了去掉步驟(1)之外，其他部分與實施例2相同。
即只進行二硫化鉬與微粒子混合噴丸的步驟。
對比例4
(1)使用粒徑為0.8mm的鋼丸，在4Mpa的壓力下對低碳合金鋼齒輪進行噴丸90s；
(2)將二硫化鉬制成粒徑為0.3mm的微粒，在0.5MPa下對步驟(1)噴丸的后齒輪繼續噴丸40s。
即強力噴丸后，將二硫化鉬制成微粒進行噴丸，不與鋼丸混合。
對比例5
與實施例2相比，除了將步驟(1)中鋼丸的粒徑修改為0.2mm外，其他部分與實施例2相同。
即強力噴丸鋼丸粒徑過小。
對比例6
與實施例2相比，除了將步驟(1)中鋼丸的粒徑修改為1.5mm外，其他部分與實施例2相同。
即強力噴丸鋼丸粒徑過大。
對比例7
與實施例2相比，除了將步驟(2)中鋼丸的粒徑修改為0.01mm外，其他部分與實施例2相同。
即二硫化鉬和微粒混合噴丸微粒粒徑過小。
對比例8
與實施例2相比，除了將步驟(2)中鋼丸的粒徑修改為0.2mm外，其他部分與實施例2相同。
即二硫化鉬和微粒混合噴丸微粒粒徑過大。
圖1為實施例2、對比例1、對比例2和對比例3分別得到的齒輪表層的殘余應力分布曲線。由圖1可知，與單獨進行滲碳淬火、強力噴丸以及二硫化鉬與微粒混合噴丸相比，對齒輪進行復合強化處理，一方面可以擁有比單獨強力噴丸或二硫化鉬與微粒子混合噴丸更大的殘余應力峰值，從而大幅增加齒輪的疲勞壽命；另一方面，復合強化處理后的殘余應力的峰值出現在比單一的二硫化鉬與微粒子混合噴丸齒輪更深處的表層，這會使齒輪的具有更高的表層硬度，增強齒輪的承載能力。
性能測試：
測試實施例1-3與對比例1-8中各項性能，結果如表1所示。
表1
以上詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。
另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。
此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。