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重载齿轮的渗氮热处理 渗氮热处理主要用于模数在12mm及以下的重载齿轮，主要分为: 在冲击载荷下工作要求表面耐磨、心部韧性高的齿轮，材料为30CrNi3、35CrMo钢等;重载条件下工作要求表面耐磨、心部强度高的重载齿轮，材料为35CrMoV、40CrNiMo、42CrMo、25Cr2MoV、 30Cr3NiVNbAl、20Cr2MoV和31CrMoV9钢等; 重载及冲击条件下工作要求表面耐磨、心部强度高、韧性高的齿轮，材料为30CrNiMo、40CrNiMo、34CrNi3Mo和40CrNi2Mo钢等;截面尺寸大、承受载荷很大并要求有足够韧性的重载齿轮，材料为35CrNi2Mo、40CrNi2Mo、30CrNi3、34CrNi3Mo、37CrNi3A和37SiMn2MoV钢等。 渗氮重载齿轮齿坯在粗车之后必须进行调质处理，以获得均匀细针状的回火索氏体，要求游离铁素体含量＜5%，以保证齿轮心部的力学性能，并有利于获得均匀一致的渗氮层。调质处理的淬火和回火工艺规范对渗氮质量和工件的力学性能都有很大的影响，正确选择淬火和回火温度是齿轮调质是否合格的关键。 20世纪80至90年代，李元开等对42CrMo钢重载齿轮进行热处理时，为解决用整体调质、中频加热沿齿沟喷水淬火时常出现应变裂纹，使用中也不断发生脆性断裂使用寿命短的问题，改用开齿调质强韧化、辅以氮碳共渗补充回火工艺，提高稳定性，提高设备的使用寿命。开齿调质可使齿截面上硬度分布均匀合理，而氮碳共渗补充回火使工件的表面形成压应力，表面层弯曲疲劳极限再度提高，静力弯曲强度也增大。由于渗氮层深一般在0.1～0.8mm之间，这也是渗氮热处理相较于渗碳热处理的局限性。王斌生等采用LD-60kW离子渗氮炉、自制3kW保护气氛淬火炉、D8型低温箱和25kW低温回火炉来探究 20CrMnTi钢渗氮、低温渗碳淬火复合热处理，分别研究渗氮热处理，不同方式的渗氮+渗碳热处理。渗氮后经低温渗碳加热过程中，钢件表面渗氮层在650℃开始分解，700℃以上完全分解，表面渗层氮原子损失掉一部分，一部分氮原子向内扩散溶入奥氏体内。由于氮溶入奥氏体内，含氮渗层内的奥氏体化温度将降低。在840～860℃温度下钢渗碳过程得以进行。这样可以使渗碳温度降低60～80℃，减少热应力引起的变形。该文作者认为在20CrMnTi钢的热处理工艺中，渗氮热处理可作为减少渗碳热处理所难以解决的变形问题的解决方案，也即一种辅助手段而使用。在实际生产应用中，如20CrMnTi钢数控机床刀柄通常情况下，刀柄经渗碳后的变形径跳量大大超过0.30mm，一般都需要进行校直，而使用渗氮热处理作为辅助之后，既能达到刀柄表面硬度要求，又能明显减少渗碳温度高造成的渗碳淬火变形，满足了刀柄热处理变形径跳量的技术要求。 2004年，刘园园等指出渗氮可用于低速重载齿轮的热处理。这一点有些难以置信，因为在试验中对模数为10mm的38CrMoAl 钢气体渗氮齿轮进行单齿弯曲疲劳试验，其弯曲疲劳强度较高，但曲线斜率很小，过载能力很低。不过渗氮工艺有其独特的优点，特别是无法磨加工的大型人字齿轮，采用渗氮工艺处理具有显著的经济效益。所以需要研究新的工艺来解决渗氮热处理所面临的问题。 2014年，Goman等对渗氮热处理进行深入探究。他们利用离子束氮化技术完成渗氮热处理，对齿轮进行强化，强化后的齿轮的承载能力是传统渗氮齿轮的1.31 倍，耐磨性比普通热处理齿轮高2倍。2016年，Cˇelko等研究了等离子渗氮对淬火回火50CrV4低合金铬钢沙漏钢试样疲劳极限的影响，并在154Hz旋转弯曲试验后进行了研究。该试验是在500 ℃下进行离子渗氮20h形成化合物，即由 ε-氮化物和 γ'-氮化物组成的厚度约为3.72μm 的白亮层，以及厚度为212μm的氮化物层。疲劳极限的增加是通过增加疲劳极限来确定的，该疲劳极限分别达到等离子体处理材料450MPa和等离子渗氮材料705MPa。 等离子渗氮对低合金钢50CrV4的抗疲劳性的积极影响因此增加了57%，并且在某些情况下超过了等离子渗氮对类似低合金钢的影响。作者认为，等离子渗氮50CrV4钢可用于生产例如柴油发动机的曲轴，由于其表层深度在推荐的127～254μm范围内; 这种材料也适用于制造直径为20mm的齿轮。2018年，冯显磊等针对目前国内外内齿圈最 终热处理普遍采用中频感应淬火或渗碳淬火，但是淬火后工件变形量0.5～0.7mm达不到工艺设计要求的问题，采用真空离子渗氮，其加工路线为:锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→去应力退火→精加工→离子渗氮，调质工艺为加热温度 820～840 ℃，保温2 h，水冷淬火，回火温度560～570℃。退火温度520～540℃。离子渗氮工艺为渗氮温度510～520℃，保温70h，渗氮介质采用氨气，流量700～900mL/min，压力250～350MPa。由此得到内齿圈的变形量≤0.15 mm，表面硬度高，耐磨性好。经过离子渗氮的齿轮在同等载荷条件与一定渗层深度的渗碳齿轮接触疲劳磨损性能相当。通过装机验证，在各种工况下服役验证均达到技术要求。 渗氮热处理相较于渗碳热处理而言，具有温度低、变形小、成本较低、工序简单等特点，它能使钢材表面获得更高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗腐蚀性等，但由于普通渗氮工艺的氮化层较薄，一般不超过1mm，其承载能力、抗冲击能力都不足以满足重载齿轮的需要，因此重载齿轮很少会使用渗氮热处理的方法。在2018年，张民等的研究中，570℃离子渗氮处理的42CrMo钢的各项性能参数仍低于其所做的另外3组渗碳热处理的产品的性能，在某些应用方 面渗氮热处理依然无法使用。 近年来，优化渗氮工艺、快速渗氮技术及其相结合的复合强化方法不断出现，如稀土催渗、表面预氧化、周期性循环渗氮、离子渗氮等优化渗氮工艺，以及表面纳米化预处理等新技术，可以期待渗氮技术在不断革新中在重载齿轮上展现出更广阔的应用前景。 完 意大利瑟肯渗碳／氮化／防氧化保护涂料 |
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