脉冲磁处理对齿轮钢接触疲劳性能影响探讨

本文是一篇机械论文，本文用自主设计的试验机，对 20Cr2Ni4A 齿轮钢进行脉冲磁处理试验，观测并测量不同磁处理强度下微观组织和力学性能的影响，结合 COMSOL 多物理场仿真探究了脉冲磁处理对齿轮钢滚动接触疲劳性能的影响机理，但由于课题涉及机械、材料等多方面的知识，任务量和工作难度较大。

1 绪论

1.1 课题研究背景
齿轮传动机构是机械传动中应用最广泛的传动机构，具有功率范围大、传动比准确、传动效率高、使用寿命长、工作安全等优点。20Cr2Ni4A 齿轮钢作为一种优质合金渗碳钢，在重载车辆齿轮中应用广泛，重载设备自重较重，动力需求高，齿轮承受载荷大，服役环境恶劣，齿轮承受很大的冲击载荷，重载齿轮容易发生齿面点蚀、磨损、变形、胶合等失效[1-3]，一旦出现故障，严重影响机动性。重载齿轮齿面失效形式与接触疲劳寿命有很大关系，因此提高接触疲劳性能直接影响到齿轮的服役寿命和质量，尤其是在国防装备中，齿轮传动的精度和稳定性直接影响到装备的可靠性和安全性，为保证齿轮满足服役要求，需要对齿轮进行强化。

图 1-1 齿轮主要失效形式

国内外通常使用的方法是运用热处理、渗碳、喷丸强化等工艺来改善齿轮钢的性能[4-6]。但这些方法存在明显的缺点，像热处理虽然能得到性能优越的相组织，随之而来的却是对原有组织的改变和应力集中；通过引入强化元素的方法，在生成高强度、硬度或塑性颗粒的同时，也会引起有害组织的生成，而且经历的高温容易使材料产生形变；喷丸工艺主要对材料表面进行强化，但是经过冲击材料表面易形成微裂纹，并且粗糙度较差。齿轮高端制造需要满足，制造过程应生成有利于提高承载能力、抵抗微小损伤的微观组织，并在制造全流程及服役过程稳定保持一定时间，精确控制应力演化与最终状态，具有可适应性的效率等。
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1.2 强磁场技术的发展现状
强磁场在改变和调控材料性能方面发挥着重要作用，是非常有效的研究、控制物理物质状态的方法，强磁场已经被用于国际性大工程的新材料的定性和改变，研究显示磁场越高，新现象、新物态出现的机率就越大，给科学研究带来越大的机遇。例如热核聚变实验堆中需要强磁场，与其他大型仪器（中子、同步加速器、自由电子激光器等）相结合，旨在加强这些设备的科研潜力。许多国家为了提升强磁场领域实验研究，已经建成了自己的强磁场实验室，截至目前全球已建成 30 多个脉冲强磁场实验室，主要分布在美国、欧洲等发达国家，尤为显著的是为了保证欧洲在超强磁场生产与利用方面的世界领先地位，法国、德国和荷兰联合成立了强磁场网络欧洲磁场实验室（EMFL），足以证明强磁场在科研领域的重要地位。
强磁场实验装置作为发展较为成熟的大型科研设施，被广泛应用于化学、物理、医学、生物及材料等领域，蕴含着不可估量的应用前景。国外强磁场实验室主要在美国、德国、法国、英国、荷兰、日本和俄罗斯等国家。1960 年，麻省理工学院（MIT）建成了世界上第一个国家高场磁体实验室。其中，美国强磁场国家实验室（NHMFL）是世界上规模最大、功率最高、创造世界记录最多的国家强磁场实验室，并且于 2000 年通过混合磁体产生了 45T 的最高稳态强磁场，在 2012 年利用四线圈磁体实现了 100.7T 的世界纪录。2015年，四个欧洲现有的高磁场实验室—Dresden High Magnetic Field Laboratory (德国 HLD)、Grenoble 和 Toulouse (法国)的国家脉冲强磁场实验室(LNCMI)以及位于 Nijmegen (荷兰HFML)的强磁场磁体实验室组成了欧洲磁场实验室(EMFL)，整合成为了统一的联合体，该联合体将确保技术和专业知识的相互融合以及专业化的进一步发展。此外，日本拥有国家物质材料研究机构的筑波磁体实验室和东京大学物理研究所国际超强磁场科学实验室。目前，接近 90%的强磁场实验室可以实现 60T 的脉冲磁场，有 10%的实验室可以实现 70T以上的磁场。在破坏性磁体方面，前苏联得到了 1600T 的超强磁场，日本东京大学实验室产生了 1200T 的磁场，美国洛斯－阿拉莫斯脉冲强磁场国家实验室获得 1000T 超强磁场。
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2 实验材料及设备

2.1 实验材料
实验材料为未渗碳的 20Cr2Ni4A 齿轮钢，基体材料成分、物理性能和力学性能分别如表 2-1、表 2-2 和表 2-3 所示，对材料依次经过 860℃×1h 等温淬火和 620℃×2h 回火，使其具有优良的综合力学性能。
为模拟齿轮在实际工况中的疲劳情况，设计了滚动接触疲劳实验，探究材料抗疲劳性能。脉冲磁处理对金属材料力学性能的改变，众多研究指向残余应力的改变，并且力学性能和材料内部微观组织有直接关系，像晶粒组织的变化对硬度和残余应力都有影响，位错结构的变化也会引起力学性能的改变，对于本研究使用的 20Cr2Ni4A 钢具有铁磁性，内部有磁畴组织，在脉冲磁场中，磁畴组织也会随着磁场强度和施加方向而改变，因此，本章主要介绍本研究所需实验设备和功能参数，为达到对 20Cr2Ni4A 齿轮钢脉冲磁处理效果和磁场强度要求，需要特制脉冲磁处理实验设备，根据实际使用需求，我们自主设计了磁体及夹具，搭建了脉冲磁处理试验机。

表 2-1 20Cr2Ni4A 齿轮钢元素含量（%）

滚动接触疲劳实验环形试样，如图 2-1 所示，试样尺寸为外径 60mm、内径 32mm，厚度 6±0.05mm，保证试样厚度偏差在 0.05mm 范围内，在接触疲劳实验过程中受力均匀。为消除表面粗糙度对接触疲劳试验结果的影响，对试样经过打磨抛光使其端面粗糙度达到 0.8µm。
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2.2 脉冲磁处理试验机搭建
为达到对 20Cr2Ni4A 齿轮钢脉冲磁处理效果和磁场强度要求，需要特制脉冲磁处理实验设备，根据实际使用需求，自主设计了磁体及夹具，并与武汉国家脉冲磁场中心合作研制脉冲磁处理试验机。该设备达到安全性、功能性、可靠性要求，通过一组电容器电源带动多组线圈以产生磁场，特殊的线圈缠绕方式保证磁体经受住强大电磁力。
2.2.1 试验机指标参数
根据实验方案，预设磁体要达到最大磁场强度要求，磁体尺寸符合试样装夹规范，因此对脉冲磁处理试验机指标参数进行如下设计：
1、最大磁场强度达到 30T； 2、电容器电源最大放电电压 10kV，最大电流 50kA； 3、达到最大场强时间小于 8ms，单脉冲总脉宽 5ms； 4、磁体高度 50mm，磁体内外孔径 16mm、100mm； 5、储能达到 200kJ； 6、磁体满负荷寿命大于 1000 次； 7、工作温度小于 400K； 8、线圈最大受力低于抗拉强度 80%；
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3 脉冲磁处理多物理场仿真 .................................................... 27
3.1 脉冲磁场系统模型 ......................................... 27
3.1.1 电磁模型 .................................................... 27
3.1.2 磁热力耦合模型 ................................. 29
4 脉冲磁处理对 20Cr2Ni4A 微观组织的影响 ..................................... 39
4.1 试验参数设计 ........................................ 39
4.2 脉冲磁处理试验 ...................... 39
5 脉冲磁处理对 20Cr2Ni4A 接触疲劳寿命的影响 ..................................... 47
5.1 滚动接触疲劳试验结果分析 ............................................ 47
5.1.1 同一应力循环次数下抗疲劳性能 ......................................... 47
5.1.2 同一载荷下滚动接触疲劳寿命 ................................ 48

5 脉冲磁处理对 20Cr2Ni4A 接触疲劳寿命的影响

5.1 滚动接触疲劳试验结果分析
5.1.1 同一应力循环次数下抗疲劳性能
疲劳试验时，由于轴向载荷使轴承的滚珠压在试样表面，出现一条典型圆形磨痕，随着应力循环次数的增加，试样表面开始出现麻点，检测到的振动信号逐渐增强，直至点蚀坑的出现，振动信号达到阈值，试验机自动停机，此时记录下屏幕上的旋转次数 n，因为本试验所用推力球轴承为 11 个滚珠，所以试样失效前的应力循环次数 N =11n ，通过三维形貌仪观测到磨痕带上有分布不均的点蚀坑，如图 5-1 所示，疲劳试验的磨痕带呈现黄色，相对于试样表面较低，点蚀坑的深度为 30µm 左右，点蚀坑的直径在 170µm 左右。

图 5-1 疲劳试验后试样表面形貌

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6 结论与展望

6.1 结论
为达到对 20Cr2Ni4A 齿轮钢脉冲磁处理效果和磁场强度要求，需要特制脉冲磁处理实验设备，根据实际使用需求，我们自主设计了磁体及夹具，搭建磁处理对微观组织的影响，晶粒、位错、析出物等都会引起力学性能的改变。为模拟齿轮实际疲劳过程，对 20Cr2Ni4A 齿轮钢做了滚动接触疲劳实验，分别研究了同一应力循环次数下的抗疲劳性能和同一载荷下接触疲劳寿命，通过观察表面点蚀情况可以探究试样抗磨损性能，以此推断脉冲磁处理对齿轮钢的影响，另外通过威布尔寿命分布可直观的得出疲劳性能提升效果。滚动接触疲劳和硬度、表面残余应力都有关系，想探究脉冲磁处理对疲劳性能的影响机制，需要从这两个因素入手。本文的主要结论如下：
（1）脉冲磁处理过程中，试样内部会形成感应电流，影响了磁场在试样内的分布，出现趋肤效应，合理调控脉冲磁处理时间可以减小涡流效应引起的温升。试样在脉冲磁场中产生磁致伸缩现象，4 T 和 9 T 试样的磁致伸缩量和内应力接近，说明在该参数下试样磁致伸缩量趋于饱和，在脉冲磁处理实验时可以此作为磁场参数。
（2）在试样经过磁场的磁化作用后，材料内部存在的板条马氏体晶粒发生明显的细化现象，晶粒细化后，夹杂物附近的基体更快的发生应变强化，减少夹杂物附近的应变累积，延缓裂纹的萌生，且随磁场强度增加，晶粒细化现象愈发明显。脉冲磁处理后，试样内部出现析出物，析出相为 Fe、Ni、Cr 的化合物，当磁场强度为 9 T 时，析出相分布更加均匀。引入磁场后，位错开始增殖运动，堆积的位错分散，随着磁场强度的增加位错分散加剧，4 T 磁场强度处理后晶界处的位错向晶内移动，9 T 处理后试样晶粒内出现大量位错，分布趋于均匀。磁畴随磁场方向发生转变，迷宫畴逐渐变为条状畴，当磁感应强度为 9 T 时，磁畴尺寸转变达到最大值，磁畴结构的相位差比未进行脉冲磁感应处理的样品有所提高。
参考文献（略）