齒輪是汽車、機床等各種機械裝置中起重要作用的機械元件。因此，對其耐磨性、強度等各種性能提出了較高的要求。為發揮和維持最佳性能，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、減輕摩擦產生的發熱以及冷卻等問題，通常使用液體潤滑劑，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境等苛刻條件下也可使用，但會導致潤滑劑老化和揮發加劇問題。與此相反，固體潤滑由于其物質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。硫氮共滲是在金屬表面形成固體潤滑層的表面處理技術之一。硫氮共滲處理通過反應氣體，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度的氮化物層。田斌等人在有潤滑條件下對硫氮共滲35CrMo鋼的磨損性能進行了試驗分析，結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-ANGEL 等的試驗結果表明，相比于氮化處理、滲碳淬火、高頻淬火等技術，硫氮共滲不但有助于提高耐磨損性和強度，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行評價。結果表明：硫化氮化處理對減少齒輪的磨損是有效的。
一、試驗方法
制備齒輪的材質為 45 鋼，分度圓直徑為105 mm，模數為1. 5 mm，齒數為70。驅動側齒輪的齒寬為 10 mm，驅動側沒有實施表面處理。從動側齒寬為 3 mm，實施表面處理。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)、滲碳淬火( Carbu? rized Quenching，CQ)、高頻淬火( Induction Hard? ening，IH)、氮化和硫氮共滲的復合( SN+N) 。表面處理齒輪的處理條件和外觀如表 1 所示。
試驗條件：轉速為200 r / min，壓力為 200 N，試驗時間為4h。試驗采用東京技術 TTI150E 齒輪檢測儀測量軸距，并將其變化作為磨損量。齒輪試驗示意如圖 1 所示。
該試驗機是齒輪形狀測定試驗用的，具有可調的齒輪轉速、軸間距離和軸間壓力。通常情況下轉速和軸間距離是固定的，通過在軸間加壓(對齒面加壓)模擬齒輪的高負荷環境。齒輪試驗環境如圖 2 所示。
磨損試驗是在大氣常溫下且不使用潤滑劑進行的。同時，使用吉蒂艾思 MPX?3W 摩擦磨損試驗機測量各種表面處理的摩擦因數。測量條件：荷載為 10 N，轉速為 0. 31 m / s，測試時間為 1 800 s，球類材質為 GCr15。
二、試驗結果與分析
各種齒輪試驗后軸間距離變化量
齒輪磨損試驗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系如圖3所示。可知：表面未處理的齒輪試件在試驗過程中出現了較大的機械噪聲和振動，并且隨著試驗的進行越來越大，在這種狀態下很難繼續試驗，判斷為危險，0.5h后強制結束了試驗，在此0.5h的測試時間內，其軸間距離變化量為 121 μm;其他5種齒輪的測試持續 4 h；在所有齒輪試驗中，軸間距離變化量均隨著時間的推移而增加；隨著試驗的進行，軸間距離變化量呈現出指數增長趨勢。
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。
各種齒輪的試驗后齒面狀態
磨損試驗后 6 種齒面狀態的掃描電鏡 (Scanning Electron Microscope， SEM)圖像如圖 4 所示。
由圖 4 可以看出：因為比其他表面處理齒輪磨損更嚴重，NT 齒輪齒面端部出現了很多缺口，并且齒輪側面出現了很多變形的部分，而其他齒輪沒有出現大的缺口或變形;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。隨著磨損的進行，齒面形狀發生變化，在齒尖附近發現了許多縱向連續的劃痕。該劃痕在 IH、CQ 和 N 中被大量確認，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的，而 SN+N 則是連續的。綜合來說，SN+N 處理的齒輪表面變形小、劃痕小、表面更平整。
各種表面處理的摩擦因數測量
在室溫無液體潤滑劑條件下，6 種方法處理后的表面摩擦因數如圖 5 所示。
由于 NT 處理和 N 處理在試驗過程中球和盤之間的距離變大，超過了裝置的測量界限，中途強制結束了試驗。在這些試驗中，摩擦因數均呈升高趨勢。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，SN+N 的摩擦因數最低且穩定。
討論分析
根據齒輪軸間距離變化量，計算齒輪磨損量的示意如圖 6 所示。
齒輪磨損量 Δd 的公式如下：
式中：ΔD 為測量得到的齒輪軸間距離變化量；θ 為嚙合角。
從各齒輪磨損試驗的結果可知，與未處理試件相比，通過實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。SN處理的表面由氮化物層和硫化物層構成，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。經過 4 h 試驗后，各種表面處理齒輪的磨損結果如圖 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，摩擦因數也最低，比較穩定。這意味著即使固體潤滑層磨損，固體潤滑效果也能持續一段時間。維氏硬度與軸間距離變化量的關系如圖 9 所示。
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的齒面硬度和固體潤滑性能，磨損量最少。這與在試驗后齒面狀態觀察中，SN+N 齒面狀態變化比其他處理技術更少的結果一致。
三、結論
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 層的厚度相當于該齒面磨損量的 4%，因此可以認為，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，磨損量進一步減少。
參考文獻略