帶磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層的自動變速器齒輪疲勞特性的試驗研究?

臧立彬，陳 勇，冉立新，賈 森，高茂忠，李 凱，曹 展

(1.河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300130； 2.殼牌(上海)技術(shù)有限公司，上海 201210)

帶磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層的自動變速器齒輪疲勞特性的試驗研究?

臧立彬1，陳 勇1，冉立新2，賈 森1，高茂忠2，李 凱1，曹 展1

(1.河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，天津 300130； 2.殼牌(上海)技術(shù)有限公司，上海 201210)

為提高自動變速器合金鋼齒輪的接觸疲勞壽命，將表面轉(zhuǎn)化涂層技術(shù)應(yīng)用到齒輪的抗疲勞點蝕中。運用化學(xué)轉(zhuǎn)化膜原理在齒輪表面生成數(shù)微米的軟質(zhì)磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層，利用SRV多功能摩擦磨損試驗機對涂層的摩擦學(xué)性能進行評價，采用共焦激光顯微鏡和掃描電子顯微鏡對涂層表面微觀形貌進行觀察，對不同配對副的齒輪接觸疲勞特性進行了單對齒輪動力循環(huán)疲勞試驗和自動變速器疲勞試驗，對比分析兩種自動變速器油對齒輪副疲勞點蝕的影響，對磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層的抗點蝕機理進行了討論。結(jié)果表明，具有磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層對齒輪副的嚙合初期磨合性有明顯改善，齒輪表面產(chǎn)生數(shù)微米的軟質(zhì)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(yīng)力和金屬表面摩擦因數(shù)，改善了齒輪嚙合時的油膜和潤滑狀況。對不同表面加工方式的齒輪采用磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層和合理選用潤滑油可大幅提高齒輪抗接觸疲勞能力，可作為提高汽車變速器齒輪疲勞壽命的有效方法。

磷酸錳涂層；自動變速器齒輪；接觸疲勞壽命；摩擦磨損

前言

齒輪是汽車傳動系統(tǒng)最重要的一種核心零件。為滿足汽車燃油經(jīng)濟性、舒適性和環(huán)保要求，汽車自動變速器不斷朝著高速化、小型化、輕量化、高可靠性和寬速比的方向發(fā)展[1]，進一步對變速器齒輪的強度極限和壽命提出更高的要求。隨著汽車技術(shù)水平的不斷提高，對齒輪的強度極限和疲勞壽命提出了越來越高的要求[2-4]。在傳動過程中，齒輪要承受接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和沖擊力。導(dǎo)致齒輪特別容易出現(xiàn)多種形式的失效，包括疲勞點蝕、剝落、磨損、擦傷和彎曲疲勞。彎曲疲勞損傷和接觸疲勞損傷無疑會降低變速器的可靠性和使用壽命。近年來，噴丸強化技術(shù)在齒輪表面的應(yīng)用，使齒根彎曲疲勞極限大幅提高，疲勞點蝕已成為齒輪接觸疲勞最典型的特征之一[5]。當前，為提高變速器的動力傳動效率，自動變速器中常會選用低黏度的潤滑油，使齒輪產(chǎn)生疲勞性點蝕的可能性增加，齒面接觸疲勞損傷成為影響自動變速器壽命的主要因素。僅采用常規(guī)滲碳、淬火和回火工藝不足以提高齒輪的耐點蝕性。與其它工業(yè)機器中的齒輪不同，汽車齒輪是大量生產(chǎn)的，因此延長齒輪壽命的基本條件是低成本和穩(wěn)定的性能。據(jù)此，本文中將重點研究通過磷酸錳涂層提高齒輪耐點蝕性和承載能力的方法。

20世紀40年代，磷酸錳涂層被用于進行防銹處理，它是一種在材料表面形成結(jié)晶涂層的化學(xué)轉(zhuǎn)化處理方法[6]。近年來，控制涂層的晶粒尺寸和厚度的技術(shù)得到了改進，齒輪表面通過化學(xué)處理獲得一種微孔結(jié)構(gòu)的磷酸錳軟質(zhì)涂層，能有效降低輪齒表面的摩擦因數(shù)，防止膠合或擦傷[7-8]。目前，關(guān)于磷化處理的配方和工藝方面的研究較多[9-15]，但就磷酸錳涂層在自動變速器齒輪中的作用效果、涂層齒輪的接觸疲勞特性和摩擦學(xué)機理的研究尚不多見[16]。磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層工藝在提高傳動部件表面強度的應(yīng)用最早出現(xiàn)在軸承滾子的疲勞壽命改善方面[17]。

本文中對低碳合金鋼齒輪進行磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層處理，并采用多功能SRV摩擦磨損試驗機對涂層的摩擦學(xué)性能進行了試驗研究。對比分析不同表面處理的滲碳斜齒輪的點蝕疲勞強度，包括剃齒、磨齒和磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層(Mn-P)，試驗在動力循環(huán)式齒輪疲勞試驗臺上進行，采用兩種類型的自動變速器潤滑油。利用能量吸收式自動變速器疲勞試驗臺模擬變速器的實際運行工況，進行磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層齒輪在自動變速器單元中的疲勞點蝕壽命試驗。基于表面強化技術(shù)和齒面改質(zhì)理論，探討了齒輪表面磷酸錳涂層的強化機理。最終目的是驗證磷酸錳涂層對齒面點蝕疲勞強度的影響，為汽車自動變速器齒輪高抗接觸疲勞提出指導(dǎo)理論。

1 涂層標準試件摩擦學(xué)性能試驗

1.1 試驗樣品與涂層制備

根據(jù)自動變速器的齒輪和軸承等摩擦件的用材特點，本次試驗采用的磷化處理試件的基體為低碳合金鋼，試件狀態(tài)如表1所示。

表1 試件材料及其處理條件

圖1為標準試樣處理前后的表面形貌對比，經(jīng)磷酸錳處理后的金屬表面的光澤被覆蓋。磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層處理過程包括：試樣預(yù)處理→脫脂(浸泡)→水洗→純水洗→表面調(diào)整→磷化→水洗→吹干。

圖1 標準試樣磷酸錳處理前后對比

圖2 為通過共焦激光顯微鏡觀察磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層的表面形貌，可見磷化物排列狀態(tài)和部分微孔隙的分布。分析可知該轉(zhuǎn)化涂層較為致密，磷化晶粒度較細，直徑約為0.2～0.5μm，少量孔隙的存在利于儲油并形成潤滑油膜。

1.2 試驗設(shè)備與參數(shù)

圖2 磷化試件轉(zhuǎn)化涂層在共焦激光顯微鏡下的表面形貌

摩擦磨損試驗采用SRV多動能摩擦磨損試驗機進行，它是一種應(yīng)用廣泛的摩擦磨損與摩擦因數(shù)測試評定裝置。圖3為摩擦磨損試驗的原理。球狀試件在承受載荷的情況下做行程為1mm的往復(fù)運動。

圖3 SRV摩擦磨損試驗原理

磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層摩擦磨損試驗的主要參數(shù)見表2，試驗標準參照ASTM Standards D7421。潤滑油品選用轎車自動變速器用潤滑油(ATF)，潤滑方式為試驗前一次性在試樣下表面滴油0.3mL。為確保試驗結(jié)果的準確性，每組試驗按照同一規(guī)范條件重復(fù)3次取平均值。

表2 摩擦磨損試驗參數(shù)

1.3 試驗結(jié)果

1.3.1 磨合期摩擦因數(shù)

圖4為磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層和未處理試件在磨合期摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線對比，載荷設(shè)定為50N。由圖4可知，曲線較為平直，表明涂層摩擦副表面處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，涂層與基體的結(jié)合強度較好，涂層后摩擦副的摩擦因數(shù)低于原始試件，說明磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層具有良好的減摩作用。

圖4 磨合期摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線

1.3.2 磨損過程的摩擦因數(shù)

圖5為在200N恒定載荷下，磨損過程磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層處理與未處理試件的摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線對比。在整個試驗過程中，摩擦因數(shù)經(jīng)短時間波動而平穩(wěn)后逐漸下降，磷酸錳涂層的摩擦因數(shù)較低，且具有持續(xù)穩(wěn)定的減摩性能。

圖5 磨損期摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線

2 涂層齒輪疲勞特性試驗

2.1 試驗齒輪的材料與相關(guān)參數(shù)

試驗齒輪選用某5擋自動變速器(5AT)的主減速齒輪對。圖6(a)為5AT變速器剖面圖。圖6(b)為經(jīng)磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層處理后的變速器齒輪。

圖6 5擋自動變速器剖面圖和磷酸錳涂層齒輪

試驗齒輪材料為日系材料SCr420H，其化學(xué)成分(質(zhì)量百分數(shù))如表3所示。

表3 試驗齒輪材料的成分

材料的力學(xué)性能：抗拉強度為1 080MPa，屈服強度為850MPa。齒輪具體的相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表4 試驗齒輪的相關(guān)參數(shù)

2.2 試驗方案

涂層齒輪的疲勞試驗分單對齒輪的疲勞點蝕試驗和自動變速器疲勞性能試驗。

2.2.1 單對齒輪疲勞點蝕試驗

單對齒輪疲勞試驗分組如表5所示，試驗主動齒輪采用剃齒、磨齒不同的齒面加工處理方式，對磨齒后的齒輪進行磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層處理。為保證齒輪具有足夠的抗彎曲疲勞強度，試驗齒輪均進行了復(fù)合噴丸處理，第1次噴丸強度約為1.0mmA，第2次噴丸強度約為0.3mmN。

表5 單對齒輪疲勞試驗分組

2.2.2 自動變速器疲勞性能試驗

自動變速器疲勞耐久試驗采用的齒輪副有3種方式，如表6所示。

表6 變速器齒輪疲勞試驗分組

2.2.3 潤滑油

試驗采用兩種自動變速器潤滑油(ATF-A，ATF-B)，其性能參數(shù)如表7所示。

表7 潤滑油性能參數(shù)

2.3 試驗設(shè)備與條件

2.3.1 單對齒輪疲勞點蝕試驗

圖7為單對齒輪疲勞點蝕試驗所用的動力循環(huán)式齒輪試驗臺測試原理圖[18]。

圖7 動力循環(huán)式齒輪疲勞試驗臺

單齒循環(huán)試驗方案：設(shè)定驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)速為1 600r/min，潤滑油溫度為110±2℃。潤滑油從齒輪嚙合位置的頂端以2.4L/min的速度進行潤滑。同時，在安裝齒輪的軸承位置正上方布置振動加速度傳感器，通過振動信號進行輪齒損傷狀態(tài)的實時監(jiān)測，以確定試驗齒輪的疲勞點蝕壽命。準確選取齒輪試驗機停止時間，對點蝕發(fā)展過程進行全面觀測，并測量點蝕面積率(即點蝕區(qū)域的面積和輪齒表面的有效接觸面積的比值)。

2.3.2 自動變速器疲勞性能試驗

圖8為功率吸收式自動變速器疲勞試驗臺原理圖。

圖8 功率吸收式齒輪試驗裝置

變速器疲勞性能試驗所用潤滑油的油品和溫度與單對齒輪副的測試時相同。為使齒輪得到充分潤滑，潤滑油(ATF-A)的高度保持在距末端傳動齒輪下端數(shù)毫米以上，以實現(xiàn)良好的飛濺潤滑效果。設(shè)定減速齒輪轉(zhuǎn)速為950r/min，試驗前先經(jīng)磨合。在變速器頂部的通孔安裝振動加速度傳感器，并使其測點位置盡可能接近減速齒輪，以便能較容易周期性地觀察齒輪表面，并記錄點蝕和擦傷情況。

2.4 試驗結(jié)果

2.4.1 單對齒輪疲勞試驗點蝕壽命

在齒面接觸點最大壓力為1 900MPa，齒根最大滑動速度為7.9m/s的條件下，齒輪的疲勞點蝕試驗結(jié)果如圖9所示，圖中的點蝕面積率為主動齒輪和從動齒輪點蝕面積率之和。由圖可以看出，①同一種油品下，試驗組3：驅(qū)動齒輪磨齒后采用磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層處理，從動齒輪采用剃齒加工(G(Mn-P)＆S)，在 ATF-A 潤滑油條件下 1.1×107循環(huán)后未發(fā)生點蝕，與試驗組1：兩個齒輪均為剃齒加工(S＆S)，以及試驗組2：驅(qū)動齒輪為磨齒加工，從動齒輪為剃齒加工(G＆S)相比，經(jīng)磷酸錳涂層處理后齒面疲勞壽命約為未處理的3～5倍；②不同油品對于齒輪的疲勞點蝕有較大影響，ATF-A的抗點蝕性能強于ATF-B，相同循環(huán)次數(shù)時試驗組3在ATF-A潤滑條件下未發(fā)生點蝕，ATF-B的點蝕面積率約為7%。

圖9 齒輪疲勞壽命和點蝕面積率

2.4.2 自動變速器疲勞試驗齒輪點蝕壽命

測試條件為齒面接觸點的最大壓力為1 730MPa，齒根最大滑動速度為3.2m/s時，自動變速器5AT疲勞試驗的測試結(jié)果如圖10所示。由圖可見，經(jīng)磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層處理后的兩個嚙合齒輪與未經(jīng)處理的嚙合齒輪相比，疲勞點蝕壽命提高兩倍以上。此外，試驗組5：驅(qū)動小齒輪經(jīng)磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層處理，從動齒輪未處理(H(Mn-P)＆H)的齒輪副表現(xiàn)出更長的疲勞耐久壽命。

圖10 變速器單元測試時齒輪破壞情況

3 討論與分析

3.1 齒輪疲勞點蝕形成分析

自動變速器齒輪點蝕的初始階段，通常發(fā)生在齒面嚙合區(qū)靠近齒根處，最初形成一些小的凹坑(微點蝕)。在負載條件下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，點蝕向齒線方向擴展，逐步向齒頂方向發(fā)展而形成許多小片段的剝落區(qū)，造成疲勞點蝕。圖11(a)為試驗組1，選用A種自動變速器油，單齒疲勞試驗5×106次循環(huán)后齒輪疲勞點蝕情況；圖11(b)為試驗組2，采用B種自動變速器油，經(jīng)過單對齒疲勞試驗3×106次循環(huán)后齒輪副點蝕情況。試驗組3從動齒輪齒面進行了剃齒處理，主動輪齒面進行了磷酸錳涂層處理，選用A種自動變速器油齒面上沒有觀察到點蝕發(fā)生。

圖11 試驗后點蝕狀況

由于輪齒的彎曲變形，輪齒在高負荷下嚙合時會伴隨有沖擊載荷，輪齒表面集中應(yīng)力發(fā)生在驅(qū)動輪的齒根部，在該接觸區(qū)域內(nèi)，齒輪相對滑動速度高，摩擦易使接觸區(qū)域局部溫升過高。疲勞裂紋通常會發(fā)生在該區(qū)域內(nèi)。在正常工作條件下，自動變速器潤滑油的工作溫度通常會在80～110℃以上，齒輪表面接觸點的最大閃點溫度約可達250℃，因此，變速器齒輪的齒面溫度即使在正常的潤滑條件下也可能會高于正常的回火溫度(150℃)，造成齒面軟化而容易產(chǎn)生齒輪疲勞點蝕。回火軟化是影響疲勞點蝕壽命的一個重要因素。

3.2 磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層抗疲勞作用分析

從試驗結(jié)果看，無論是剃齒加工、珩齒加工處理，還是選用不同的自動變速器油，經(jīng)磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層處理后齒輪的抗疲勞點蝕性能均有明顯提高。

圖12示出通過掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-7100F)觀察的磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層處理的齒輪試驗前后節(jié)圓位置表面形貌。通過測試磷酸錳涂層的厚度約為5～7μm。由圖12(a)可看到試驗前齒面為黑色，外表無光澤，涂層具有不規(guī)則狀晶體顆粒結(jié)構(gòu)，顆粒的長度為0.5～2μm。由圖12(b)可見，試驗后齒輪表面較為平整，摩擦痕跡被涂層覆蓋，且表面形貌光滑，可認為引發(fā)點蝕的位于粗糙齒面上的“凹凸”已經(jīng)被磨平而減小了發(fā)生集中應(yīng)力的可能。且試驗齒輪表面涂層磨損后形成多孔組織，可作為儲存潤滑油的“油池”，更有利于潤滑油膜的形成。

圖12 齒輪磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層試驗前后表面形貌

圖13 為磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層輪齒兩粗糙平面接觸示意圖。在齒輪的磨合初期，磷酸錳軟質(zhì)涂層可填平齒輪加工的切削波紋而防止齒輪金屬表面直接接觸，甚至產(chǎn)生更光滑的滑動面，降低齒面間的摩擦因數(shù)，減少摩擦熱的產(chǎn)生。且涂層是下滲到粗糙紋路中數(shù)微米，即涂層磨損后，涂層成分仍存在于齒輪副的粗糙表面中，可防止?jié)櫥湍て茐摹Ｒ虼肆姿徨i涂層具有防止點蝕疲勞破壞的作用。

為進一步分析磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層的抗疲勞作用機理，對試驗后齒輪的輪廓度進行了測量。圖14為變速器測試后經(jīng)過與未經(jīng)過磷酸錳涂層處理的齒輪沿齒廓測得的齒面粗糙度對比。

圖14 變速器單元試驗后齒輪表面粗糙度

由圖14可見，從反映表面粗糙度的Ra看，試驗組4和 5的 Ra值分別比試驗組 6小 0.010和0.012μm，說明經(jīng)磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層處理的輪齒，其表面更光滑；而從反映“油池”深度而影響齒輪滑動和潤滑的Rvk看，試驗組4和5的Rvk值分別比試驗組6大0.064和0.060μm，說明經(jīng)磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層處理后輪齒的“油池”更深，更利于潤滑油的貯存，從而提高齒輪嚙合時的潤滑性能。至于試驗組4和試驗組5之間的對比，前面(第2.4.2節(jié))的變速器疲勞試驗結(jié)果(見圖10)表明，試驗組5比試驗組4具有更高的抗點蝕疲勞壽命，而根據(jù)圖14的結(jié)果表明，從輪齒表面微觀輪廓粗糙度參數(shù)的角度觀察，兩者Ra和Rvk的變化趨勢相反，且數(shù)值接近，差別很小，難分仲伯。推測一對齒輪同時進行磷酸錳涂層處理后嚙合時齒面會產(chǎn)生相互的刮擦，從而產(chǎn)生更多的磨損，疲勞壽命低于單一齒輪處理，然而，僅單一齒輪和一對齒輪都進行磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層處理對齒輪抗疲勞性能的影響機理，還有待進一步深入探究。但有一點可以肯定的是，經(jīng)磷酸錳涂層處理的嚙合齒輪副具有更高的點蝕疲勞壽命。

4 結(jié)論

(1)磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層顯著提高了合金鋼的摩擦學(xué)性能，可有效降低摩擦副之間的摩擦因數(shù)，本次試驗條件下摩擦因數(shù)降低了4%左右，且涂層從磨合期到磨損期具有持續(xù)減摩效果。

(2)磷酸錳涂層可填充、覆蓋輪齒加工時留下的表面磨痕，從而改善輪齒加工表面的完整性，降低了輪齒表面的粗糙度和摩擦因數(shù)，因而具有更好的耐點蝕性。磷酸錳涂層齒輪在嚙合過程中因能使配對齒輪的表面更平滑，且能較好地保持齒形從而起到更好的減摩作用。

(3)輪齒表面生成的數(shù)微米磷酸錳轉(zhuǎn)化涂層表面具有較多的不規(guī)則孔隙，便于摩擦?xí)r儲油潤滑，形成吸附油膜，防止油膜被破壞，改善齒輪嚙合時的潤滑狀況，降低齒輪嚙合時直接接觸面積，減小集中應(yīng)力，即使涂層磨損，仍具有儲油潤滑性能。

(4)自動變速器油品對于齒輪的點蝕壽命具有重要的影響，低摩擦因數(shù)的潤滑油可降低摩擦熱從而使齒輪具有更高的點蝕疲勞壽命。

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An Experimental Study on the Fatigue Characteristics of Automatic Transmission Gearswith Manganese Phosphate Conversion Coating

Zang Libin1， Chen Yong1， Ran Lixin2， Jia Sen1， Gao M aozhong2， Li Kai1＆ Cao Zhan1
1.Institute ofMechanical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130； 2.Shell(Shanghai)Technology Ltd.， Shanghai 201210

In order to extend the contact fatigue life of alloy steel gears for automatic transmission(AT)，surface conversion coating technology is applied to gears for enhancing their fatigue pitting resistance.The principle of chemical conversion filming is employed to generate severalmicrons of softmanganese phosphate conversion coating on gear surfaces，the tribological performance of coatings is evaluated by SRV multifunctional friction and wear tester，and the surfacemicro-topography of coatings is observed by confocal laser scanningmicroscope(CLSM)and scanning electronmicroscope(SEM).The power cycle fatigue test of single gear pair and automatic transmission fatigue test are conducted on differentmatching gear pairs to compare their contact fatigue characteristics.The effects of two kinds of automatic transmission fluid(ATF)on the fatigue pitting of gear pairs are comparatively analyzed，and the pitting resistancemechanism ofmanganese phosphate conversion coatings is investigated.The results show that the initial running compatibility of gear pair with manganese phosphate conversion coatings is significantly improved.A soft layer of severalmicrons is generated on the surface of gear teeth that fills up themost cutting ripples on gear surface，and hence reduces themaximum localmeshing contact stress and the friction coefficient ofmetal surface and improves the conditions of oil film and lubrication during gearmeshing.In one word，applyingmanganese phosphate conversion coating to gearswith different surfacemachining and using properly selected ATF can significantly enhance the contact fatigue resistance of gears andmightbe an effectiveway of extending the fatigue life of automotive transmission gears.

manganese phosphate coating； AT gear； contact fatigue life； friction and wear

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.10.017

?河北省高等學(xué)校自然科學(xué)青年基金(QN2016197)和河北省研究生創(chuàng)新項目(CXZZSS2017017)資助。

原稿收到日期為2017年7月19日，修改稿收到日期為2017年8月25日。

陳勇，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：chenyong1585811＠163.com。