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        硫氮共滲齒輪的干摩擦特性試驗(yàn)研究

        2022-11-30 08:39:44謝茂青羅怡沁趙早君
        機(jī)床與液壓 2022年22期
        關(guān)鍵詞:氮化磨損量齒面

        謝茂青,羅怡沁,趙早君

        (1.杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院,浙江杭州 311402;2.浙江鐵流離合器股份有限公司,浙江杭州 311100;3.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江寧波 315211)

        0 前言

        齒輪是汽車、機(jī)床等各種機(jī)械裝置中起重要作用的機(jī)械元件。因此,對其耐磨性、強(qiáng)度等各種性能提出了較高的要求。為發(fā)揮和維持最佳性能,基于齒輪的傳動部件之間的潤滑也很重要。在使用齒輪傳動的情況下,考慮到減輕齒輪磨損、減輕摩擦產(chǎn)生的發(fā)熱以及冷卻等問題,通常使用液體潤滑劑[1-4],一般為油和潤滑脂等。

        雖然液體潤滑劑在真空和極端溫度環(huán)境等苛刻條件下也可使用,但會導(dǎo)致潤滑劑老化和揮發(fā)加劇問題[5-6]。與此相反,固體潤滑由于其物質(zhì)本身可以起到潤滑劑的作用,即使在惡劣工況也可以正常使用[7]。硫氮共滲是在金屬表面形成固體潤滑層的表面處理技術(shù)之一。硫氮共滲處理通過反應(yīng)氣體,可以在金屬最表面生成有助于減輕摩擦阻力的硫化物層,其次是生成有助于提高耐磨性和強(qiáng)度的氮化物層[8]。田斌等人[9]在有潤滑條件下對硫氮共滲35CrMo鋼的磨損性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析,結(jié)果表明硫氮共滲處理可賦予固體潤滑作用,可適用于不能使用液體潤滑劑的工況。WONG-NGEL等[10]的試驗(yàn)結(jié)果表明,相比于氮化處理、滲碳淬火、高頻淬火等技術(shù),硫氮共滲不但有助于提高耐磨損性和強(qiáng)度,還能起到潤滑作用。

        目前,尚未查到對鋼制齒輪硫氮共滲后摩擦磨損性能評估的研究。因此,本文作者采用不同表面處理技術(shù)制備各種鋼制齒輪,包括未處理、氮化處理、滲碳淬火、高頻淬火、硫氮共滲和氮化+硫氮共滲,并對無潤滑條件下各種齒輪的磨損性能進(jìn)行評價。結(jié)果表明:硫化氮化處理對減少齒輪的磨損是有效的。

        1 試驗(yàn)方法

        制備齒輪的材質(zhì)為45鋼[11],分度圓直徑為105 mm,模數(shù)為1.5 mm,齒數(shù)為70。驅(qū)動側(cè)齒輪的齒寬為10 mm,驅(qū)動側(cè)沒有實(shí)施表面處理。從動側(cè)齒寬為3 mm,實(shí)施表面處理。所用表面處理除硫氮共滲(Sulfonitriding,SN)外,還采用未處理(Non Treated,NT)、氮化處理(Nitrided,N)[12]、滲碳淬火(Carburized Quenching,CQ)[13]、高頻淬火(Induction Hardening,IH)[14]、氮化和硫氮共滲的復(fù)合(SN+N)。表面處理齒輪的處理條件和外觀如表1所示。

        表1 表面處理齒輪的處理條件和外觀

        試驗(yàn)條件:轉(zhuǎn)速為200 r/min,壓力為200 N,試驗(yàn)時間為4 h。試驗(yàn)采用東京技術(shù)TTI150E齒輪檢測儀測量軸距,并將其變化作為磨損量。齒輪試驗(yàn)示意如圖1所示。

        圖1 齒輪試驗(yàn)示意

        該試驗(yàn)機(jī)是齒輪形狀測定試驗(yàn)用的,具有可調(diào)的齒輪轉(zhuǎn)速、軸間距離和軸間壓力。通常情況下轉(zhuǎn)速和軸間距離是固定的,通過在軸間加壓(對齒面加壓)模擬齒輪的高負(fù)荷環(huán)境。齒輪試驗(yàn)環(huán)境如圖2所示。

        圖2 齒輪試驗(yàn)環(huán)境

        磨損試驗(yàn)是在大氣常溫下且不使用潤滑劑進(jìn)行的。同時,使用吉蒂艾思MPX-3W摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測量各種表面處理的摩擦因數(shù)[15]。測量條件:荷載為10 N,轉(zhuǎn)速為0.31 m/s,測試時間為1 800 s,球類材質(zhì)為GCr15。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 各種齒輪試驗(yàn)后軸間距離變化量

        齒輪磨損試驗(yàn)前后的軸間距離變化量越大,意味著齒輪的磨損更加惡化。6種表面處理齒輪的軸距變化量與時間的關(guān)系如圖3所示??芍罕砻嫖刺幚淼凝X輪試件在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了較大的機(jī)械噪聲和振動,并且隨著試驗(yàn)的進(jìn)行越來越大,在這種狀態(tài)下很難繼續(xù)試驗(yàn),判斷為危險,0.5 h后強(qiáng)制結(jié)束了試驗(yàn),在此0.5 h的測試時間內(nèi),其軸間距離變化量為121 μm;其他5種齒輪的測試持續(xù)4 h;在所有齒輪試驗(yàn)中,軸間距離變化量均隨著時間的推移而增加;隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,軸間距離變化量呈現(xiàn)出指數(shù)增長趨勢。

        圖3 6種表面處理齒輪的軸距變化量與時間的關(guān)系

        在此次測試中,氮化處理軸距變化量為352 μm,滲硫氮化處理變化量為198 μm,滲碳淬火變化量為298 μm,高頻淬火變化量為232 μm,氮化處理+滲硫氮化處理變化量為106 μm。變化量由小到大依次為SN+N、SN、IH、CQ和N。

        2.2 各種齒輪的試驗(yàn)后齒面狀態(tài)

        磨損試驗(yàn)后6種齒面狀態(tài)的掃描電鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)圖像如圖4所示。

        圖4 6種齒面狀態(tài)的SEM圖像

        由圖4可以看出:因?yàn)楸绕渌砻嫣幚睚X輪磨損更嚴(yán)重,NT齒輪齒面端部出現(xiàn)了很多缺口,并且齒輪側(cè)面出現(xiàn)了很多變形的部分,而其他齒輪沒有出現(xiàn)大的缺口或變形;整體來看,與其他處理方式相比,SN+N處理的齒輪表面形狀變化較小,保持了均勻狀態(tài)。隨著磨損的進(jìn)行,齒面形狀發(fā)生變化,在齒尖附近發(fā)現(xiàn)了許多縱向連續(xù)的劃痕。該劃痕在IH、CQ和N中被大量確認(rèn),而在SN和SN+N中則較少。在齒底附近,由于磨損而形成的沉積物平坦地擴(kuò)大,以覆蓋的形式附著。SN+N的覆蓋面積最大。此外,其他5種齒輪的表面形狀是斷續(xù)的,而SN+N則是連續(xù)的。綜合來說,SN+N處理的齒輪表面變形小、劃痕小、表面更平整。

        2.3 各種表面處理的摩擦因數(shù)測量

        在室溫?zé)o液體潤滑劑條件下,6種方法處理后的表面摩擦因數(shù)如圖5所示。

        由于NT處理和N處理在試驗(yàn)過程中球和盤之間的距離變大,超過了裝置的測量界限,中途強(qiáng)制結(jié)束了試驗(yàn)。在這些試驗(yàn)中,摩擦因數(shù)均呈升高趨勢。NT、N、SN、CQ、IH、SN+N方法處理后的表面摩擦因數(shù)平均值分別為0.63、0.77、0.86、0.72、0.76、0.62。相比其他處理技術(shù),SN+N的摩擦因數(shù)最低且穩(wěn)定。

        圖5 6種表面處理的摩擦因數(shù)測量結(jié)果

        2.4 討論分析

        根據(jù)齒輪軸間距離變化量,計算齒輪磨損量的示意如圖6所示。

        圖6 計算齒輪磨損量的示意

        齒輪磨損量Δd的公式[16-17]如下:

        Δd=(ΔD/2)sinθ

        (1)

        式中:ΔD為測量得到的齒輪軸間距離變化量;θ為嚙合角。

        圖7 SN處理后齒面硫氮共滲層斷口的SEM結(jié)果

        從各齒輪磨損試驗(yàn)的結(jié)果可知,與未處理試件相比,通過實(shí)施表面處理可以減少磨損量。這是由于各種表面處理均提高了齒面的維氏硬度[18]。SN處理的表面由氮化物層和硫化物層構(gòu)成,由于該硫化物層起到了固體潤滑的作用,所以磨損量減少了。但是,發(fā)揮固體潤滑作用的硫化物層(FeS層)非常薄,只有幾微米,在齒輪磨損初期就會磨損。SN處理后齒面硫氮共滲層斷口的SEM結(jié)果如圖7所示。

        由圖7可知:SN處理齒輪最表面形成的FeS層的厚度約為1 μm。該值約為計算出的齒輪磨損量(33 μm)的4%。FeS層的厚度與齒輪磨損量相比非常薄,雖然很快就被磨損,但之后仍有助于減輕磨損。經(jīng)過4 h試驗(yàn)后,各種表面處理齒輪的磨損結(jié)果如圖8所示。

        由圖8可知:SN處理齒輪的磨損量明顯小于N、CQ和IH;采用SN+N處理齒輪的磨損量最少,摩擦因數(shù)也最低,比較穩(wěn)定。這意味著即使固體潤滑層磨損,固體潤滑效果也能持續(xù)一段時間。維氏硬度與軸間距離變化量的關(guān)系如圖9所示。

        圖8 4 h試驗(yàn)后各種表面處理齒輪的磨損結(jié)果 圖9 維氏硬度與齒輪磨損量的關(guān)系

        由圖9可知:齒面維氏硬度高的CQ和IH的磨損量,比維氏硬度低的SN的大。因此,SN處理不僅影響齒面的硬度,而且影響潤滑效果,減少了磨損量。此外,采用SN+N處理的齒輪兼具較優(yōu)的齒面硬度和固體潤滑性能,磨損量最少。這與在試驗(yàn)后齒面狀態(tài)觀察中,SN+N齒面狀態(tài)變化比其他處理技術(shù)更少的結(jié)果一致。

        3 結(jié)論

        本文作者評估了在不使用液體潤滑劑的干摩擦條件下,經(jīng)過SN處理的碳鋼齒輪的磨損情況,研究了SN處理在常溫常壓下用于齒輪固體潤滑的可行性。得出以下結(jié)論:

        (1)對比4 h測試時間后的磨損值,各種表面處理后的齒輪磨損量均有所減少,而SN+N表面處理的磨損量最低;

        (2)SN處理形成的FeS層的厚度為1 μm。由軸間變化量計算得出SN處理的齒輪磨損量為33 μm。FeS層的厚度相當(dāng)于該齒面磨損量的4%,因此可以認(rèn)為,雖然FeS層在較早階段就被磨損,但之后仍有助于減輕磨損。

        (3)采用SN+N方法處理的齒輪,由于氮化引起的表面硬化層變得更厚,磨損量進(jìn)一步減少。

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