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噴丸對齒輪接觸疲勞作用
--西安交大 何家文
一、接觸疲勞的磨損和剝落
相對滑動物體表面的微突體接觸形成應力峰，致表面磨損或剝落如圖 1。按深度區分，磨損或點蝕深度約 10μ，剝落深度 20-100μ，如圖 2。
圖 1
圖 2
圖3 顯示磨損形貌和剝落裂紋。圖 4 是齒輪接觸疲勞不同失效形式發生幾率，磨損或點蝕為多數。
圖 3
圖 4
二、硬度和殘余應力作用
點蝕和剝落都由剪應力引起，赫芝應力在表下出現剪應力峰值是引發表下源的驅動力，有裂紋萌生和擴展過程。磨損在理論上也應該有裂紋萌生，擴展，但過程短且難區分，一般看作表面材料的移除，主要取決于硬度。滲碳齒輪硬度范圍內磨損量和硬度成正比如圖 5。
圖 5
三、接觸疲勞有自身強化作用
接觸疲勞時相對滑動，表面剪切變形，和噴丸、滾壓作用相似。圖 6 是中碳鋼表面接觸疲勞后生成細晶的白亮層，硬度比疲勞前提高一倍以上。圖 7 是鋼軌運行不同里程的表面組織, 經長期運行逐漸形成白亮層。故硬度隨往復次數逐漸上升。
圖6
圖7
四、噴丸既是強化也有損傷
噴丸和接觸疲勞有相同硬化機理，掌握”度”成為利弊的關鍵。圖 8 為 20CrMnTi 滲碳齒輪噴丸前后的硬度和接觸疲勞強度。存在最佳噴丸強度，過高強度造成損傷，降低壽命。
圖8
圖9 是齒輪噴丸后接觸疲勞試驗的 S-N 圖, 按原始接觸疲勞限 1580MPa 計，噴丸后提高近 15%。
圖9
圖10 是噴丸降低接觸疲勞壽命的實例。因為用玻璃丸噴丸，噴丸強度低，但接觸疲勞的載荷卻很高，噴丸未起強化作用，反使壽命下降。
噴丸的負面影響是粗糙度提高，摩擦系數增加。當今多用二次或多次噴丸，在保證強化的同時，改善表面形貌。
圖 10
五、噴丸強化提高接觸疲勞機理
接觸疲勞受剪應力控制，為方便，此處用拉伸曲線說明。周期載荷中有加載和卸載， 圖 11 曲線顯示在塑性區，用原來載荷加載，不會使材料變形，而是進入彈性安定狀態。只有高于原載荷才發生變形，出現棘輪效應。即接觸疲勞的應變是一個逐漸積累過程，積累到一定程度，塑性耗盡就發生磨損或剝落。
圖 11
正常情況下接觸疲勞的應變積累有相當長的過程如圖 12。噴丸強化可以很快達到飽和值如圖 13。強化后表面具有高屈服強度，改變棘輪效應的發展過程，可以提高接觸疲勞壽命。
圖12
圖13
表面強化的殘余壓應力是三維水靜應力，雖然測得的是正應力，但也可抑制傾斜裂紋的擴展。圖 14 是滾珠鋼的殘余壓應力對接觸疲勞破壞幾率的作用。圖 15 是不同殘余奧氏體經不同滾壓力滾壓后接觸疲勞強度值，具體數值歸納為圖 16。
圖14
圖15
圖 16
六、材質對接觸疲勞作用
剝落是裂紋萌生擴展過程，疲勞裂紋選擇最薄弱部位延伸，如圖 17，強烈變形可以使組織均勻化。圖 18 是不同缺陷數的接觸疲勞失效幾率，經表面均勻化，5 個缺陷的曲線可以和 1 個缺陷的曲線相重合。
圖 17
圖 18
七、潤滑液添加劑起重要作用
齒輪一般在潤滑條件下運行，潤滑油中的添加劑對接觸疲勞起關鍵作用。圖 19 是不同潤滑狀態，發生磨損多為邊界潤滑如圖 20。潤滑液中的添加劑在齒輪表面形成吸附膜或反應膜如圖 21。
齒輪用潤滑液添加劑主要為極壓抗磨型，如二烷基二硫代磷酸鋅，圖 22。硫、磷和鋼表面有很強親和力，易于形成反應膜。
圖22
圖 23 是金剛石鍍膜和鋼的磨損量比較。金剛石比鋼硬幾倍，無潤滑下抗磨性遠高于鋼，但用在有潤滑的齒輪上，磨損量卻高于鋼，就是因為添加劑無法在金剛石表面形成減磨膜所致。
圖23
添加劑的少量變化會導致摩擦、磨損改變，圖 24 是在基礎潤滑油中加 1%的不同添加劑，摩擦系數可能有成倍變化，且變化值隨外載而異。
圖24
目前國內齒輪的接觸疲勞試驗都是用臺架試驗，潤滑成為影響結果的重要因素。雖然可以用相同的潤滑油，但供油量，油品不同程度老化等因素導致的分散度不可忽略。
2018高精齒輪制造技術研討會參會代表合影留念