齿轮渗氮技术优化方案

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：表5-110 预氧化两段快速渗氮工艺及效果5.齿轮的深层渗氮工艺齿轮接触疲劳强度与其硬化层深度／模数之比密切相关，为了提高齿轮承载能力和扩大应用范围，因而发展了深层渗氮工艺技术。常规渗氮层深度一般都小于0.6mm，而齿轮的深层渗氮可达1.1mm左右。美国费城齿轮公司生产的高参数齿轮中有43％采用渗氮处理，层深1mm的渗氮工艺周期为150h。

1）推荐在以下条件下选用齿轮渗氮工艺，见表5-94

表5-94 选用渗氮处理的推荐齿轮参数

2）齿轮模数与渗氮层深度。齿轮的渗氮层深度可根据模数按表5-95中推荐的数值选用

表5-95 齿轮模数与渗氮层深度的关系

注：目前渗氮齿轮的模数最大到10mm；为了提高承载能力，对高速重载齿轮其渗氮层深度已增加到0.7～1.1mm

3）影响渗氮齿轮力学性能的因素见表5-96

表5-96 影响渗氮齿轮力学性能的因素

1.渗氮齿轮的加工流程

渗氮齿轮的加工流程见表5-97

表5-97 渗氮齿轮的加工流程

2.预备热处理

齿轮渗氮前的预备热处理主要包括调质与正火处理

（1）调质与正火处理渗氮前的预备热处理主要采用调质处理，其淬火加高温回火后的组织为回火索氏体，满足了基体韧性与强度的要求。对于仅要求表面耐磨、承受载荷不高的齿轮也可以采用正火处理，但正火冷却速度要快。

1）常用渗氮齿轮钢材的调质工艺规范见表5-98。不同钢材齿轮（经预备热处理）渗氮层表面硬度参考范围见表5-99。

表5-98 常用渗氮齿轮钢材的调质工艺规范

表5-99 不同钢材齿轮（经预备热处理）渗氮层表面硬度参考范围

（续）

注：为了提高承载能力，对高速重载齿轮其心部硬度最好调质到300HBW以上

2）调质硬度不仅影响齿轮齿部强度，同时还影响表面渗氮硬度。渗氮齿轮的心部硬度一般不应低于300HBW，渗氮齿轮的心部硬度规定（美国）见表5-100，最高渗氮层硬度与心部硬度的关系（美国4340）钢见表5-101。

表5-100 渗氮齿轮的心部硬度规定（美国）

① 渗氮过程中硬度会因沉淀硬化提高到360～415HBW

表5-101 最高渗氮层硬度与心部硬度的关系（美国4340钢）

注：材料4340钢（相当于40CrNiMoA钢），渗氮524℃×40h

（2）去应力退火对于精度要求较高和容易畸变的齿轮，调质及机械粗加工后应进行一次或几次去应力退火（稳定化处理）。去应力退火温度低于调质回火温度而高于渗氮温度20～30℃。

3.齿轮的气体渗氮工艺

齿轮的渗氮工艺多采用气体渗氮工艺。日本在汽车变速器齿轮、摩托车主从动齿轮热处理时采用渗氮工艺，法国TM公司生产的“海豚”发动机中部分齿轮采用渗氮处理，提高了齿轮精度和使用寿命。

（1）气体渗氮齿轮材料为了提高气体渗氮齿轮表面硬度和心部硬度，应选用含有Cr、Mo W、V、Ti、Al等极易与氮形成稳定氮化物的中碳合金结构钢作为渗氮用钢。常用渗氮齿轮钢渗氮后的性能特点及其主要用途见表5-102。

表5-102 常用渗氮齿轮钢渗氮后的性能特点及其主要用途

38CrMoAl（A）是目前应用最成熟、最广泛的渗氮专用钢材，其临界点Ac1、Ac3、Ar分别为800℃、940℃和730℃。38CrMoAl（A）钢的常用热处理工艺见表5-103。

表5-103 38CrMoAl（A）钢的常用热处理工艺

（2）渗剂气体渗氮常用渗剂有氨、热分解氨、氨－氮混合气等。

（3）气体渗氮的工艺参数的选择渗氮工艺主要影响因素有渗氮温度、保温时间。不同加热、保温阶段渗氮炉罐内渗氮介质的氮势，直接影响到齿轮渗氮层的硬度、深度及齿轮的使用性能。

1）气体渗氮的工艺参数的选择见表5-104。

表5-104 气体渗氮的工艺参数的选择

（续）

图5-14所示为渗氮温度对38CrMoAl钢渗氮层深度及表面硬度的影响，采用一段法渗氮时渗氮层深度与渗氮时间的关系如图5-15所示。

图5-14 渗氮温度对38CrMoAl钢渗氮层深度及与表面硬度的影响

1—离子渗氮 2—气体渗氮

图5-15 38CrMoAl钢采用一段法渗氮时渗氮层深度与渗氮时间的关系

氨分解率与渗氮温度的关系见表5-105。氨分解率增加到60％～65％对硬度和深度的影响不大（见图5-16）。为了控制脆性ε相的生成，应增大氨分解率。

表5-105 氨分解率与渗氮温度的关系

图5-16 氨分解率对38CrMoAl钢渗氮层深度及硬度的影响

2）气体渗氮时氮势与氨分解率的关系见表5-106

表5-106 气体渗氮时氮势与氨分解率的关系（GB／T 18177—2008

（4）气体渗氮方法的选择

1）气体渗氮工艺方法、特点及适用范围见表5-107，供齿轮渗氮时参考

表5-107 气体渗氮工艺方法、特点及适用范围（摘自GB／T 18177—2008）

2）齿轮气体渗氮工艺方法及其应用见表5-108，可根据齿轮材料及不同技术要求进行选择

表5-108 齿轮气体渗氮工艺方法及其应用

3）对于表面硬度适当，要求具有高的疲劳强度、交变负荷、接触应力较大的齿轮，可选用表5-109所列的渗氮工艺规范。

表5-109 几种结构钢、球铁的渗氮工艺规范

（续）

4.预氧化两段快速渗氮工艺

对于要求渗氮层深度0.3～0.5mm的40Cr、38CrMoAl、42CrMo钢齿轮，采用传统渗氮工艺需要40～80h左右，生产周期长、效率低、成本高、齿轮畸变较大。对此，可采用预氧化两段快速渗氮工艺。预氧化两段快速渗氮工艺及效果见表5-110。

表5-110 预氧化两段快速渗氮工艺及效果

5.齿轮的深层渗氮工艺

齿轮接触疲劳强度与其硬化层深度／模数之比密切相关，为了提高齿轮承载能力和扩大应用范围，因而发展了深层渗氮工艺技术。常规渗氮层深度一般都小于0.6mm，而齿轮的深层渗氮可达1.1mm左右。

美国费城齿轮公司生产的高参数齿轮中有43％采用渗氮处理，层深1mm的渗氮工艺周期为150h。我国常规气体渗氮层深0.5mm，大约要80h。德国Clocker－离子公司将离子渗氮应用于汽车齿轮、蜗杆及机床齿轮。日本大阪制锁造机（株）对直径3m的大功率中速柴油机大齿轮采用0.8mm的深层渗氮取得良好的效果。

（1）深层气体渗氮工艺深层气体渗氮工艺与结果见表5-111～表5-113。

表5-111 单周期气体渗氮工艺

表5-112 单周期气体渗氮结果

表5-113 两周期气体渗氮结果^①

① 两周期工艺，即表5-112单周期气体渗氮工艺再重复一次，以达到深层渗氮的目的

（2）深层气体渗氮工艺应用实例（见表5-114）

表5-114 深层气体渗氮工艺应用实例

6.齿轮的快速渗氮技术

快速渗氮技术如离子渗氮、真空渗氮、催渗氮化（采用催渗剂）、通氧渗氮、电解气相渗氮等。采用这些渗氮工艺方法可以显著加快渗氮速度，缩短深层渗氮（＞0.6mm）的工艺周期。其中，催渗氮化用催渗剂的作用是能够破坏钢表面钝化膜，提高表面活性，从而加速氮原子的吸附过程。目前常用的催渗剂有氯化铵（NH₄Cl）、四氯化碳（CCl4）、四氯化钛（TiCl4）及稀土化合物等。

快速渗氮技术及其特点与工艺举例见表5-115。

表5-115 快速渗氮技术及其特点与工艺举例