重載齒輪的滲氮熱處理

氮化熱處理主要用于模數(shù)在12mm及以下的重載齒輪，主要分為：沖擊載荷下高表面耐磨性和高韌性齒輪、30CrNi3、35 CrMo鋼等。在重載條件下，重載條件下，要求具有高表面耐磨性和高芯強(qiáng)度的重載齒輪在重載條件下工作。材料為35 CrMoV、40 CrNiMo、42 CrMo、25Cr2MoV、30Cr3NiVNbAl、20Cr2MoV和31CrMoV9鋼等，在重載和沖擊條件下，要求高表面耐磨性、高鐵心強(qiáng)度和高韌性的齒輪為30 CrNiMo、40CrNiMo、34CrNi3Mo和40Cr2Mo鋼。要求大截面尺寸、大載荷、足夠韌性的重載齒輪，材料為35CrNi2Mo、40CrNi2Mo、30CrNi3、34CrNi3Mo、37CrNi3A和37SiMn2MoV鋼等。

氮化重載齒輪坯必須經(jīng)過粗車淬火和回火，才能獲得均勻的細(xì)針狀回火索氏體，其游離鐵素體含量小于5%，以保證齒輪中心的力學(xué)性能，有利于獲得均勻的滲氮層。淬火回火處理的淬火回火工藝參數(shù)對(duì)工件的滲氮質(zhì)量和力學(xué)性能有很大的影響。正確選擇淬火回火溫度是齒輪是否合格的關(guān)鍵。

20世紀(jì)80至90年代，李元開等對(duì)42CrMo鋼重載齒輪進(jìn)行熱處理時(shí)，為解決用整體調(diào)質(zhì)、中頻加熱沿齒溝噴水淬火時(shí)常出現(xiàn)應(yīng)變裂紋，使用中也不斷發(fā)生脆性斷裂使用壽命短的問題，改用開齒調(diào)質(zhì)強(qiáng)韌化、輔以氮碳共滲補(bǔ)充回火工藝，提高穩(wěn)定性，提高設(shè)備的使用壽命。開齒調(diào)質(zhì)可使齒截面上硬度分布均勻合理，而氮碳共滲補(bǔ)充回火使工件的表面形成壓應(yīng)力，表面層彎曲疲勞極限再度提高，靜力彎曲強(qiáng)度也增大。由于滲氮層深一般在0.1～0.8mm之間，這也是滲氮熱處理相較于滲碳熱處理的局限性。王斌生等采用LD-60kW離子滲氮爐、自制3kW保護(hù)氣氛淬火爐、D8型低溫箱和25kW低溫回火爐來探究 20CrMnTi鋼滲氮、低溫滲碳淬火復(fù)合熱處理，分別研究滲氮熱處理，不同方式的滲氮+滲碳熱處理。滲氮后經(jīng)低溫滲碳加熱過程中，鋼件表面滲氮層在650℃開始分解，700℃以上完全分解，表面滲層氮原子損失掉一部分，一部分氮原子向內(nèi)擴(kuò)散溶入奧氏體內(nèi)。由于氮溶入奧氏體內(nèi)，含氮滲層內(nèi)的奧氏體化溫度將降低。在840～860℃溫度下鋼滲碳過程得以進(jìn)行。這樣可以使?jié)B碳溫度降低60～80℃，減少熱應(yīng)力引起的變形。該文作者認(rèn)為在20CrMnTi鋼的熱處理工藝中，滲氮熱處理可作為減少滲碳熱處理所難以解決的變形問題的解決方案，也即一種輔助手段而使用。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，如20CrMnTi鋼數(shù)控機(jī)床刀柄通常情況下，刀柄經(jīng)滲碳后的變形徑跳量大大超過0.30mm，一般都需要進(jìn)行校直，而使用滲氮熱處理作為輔助之后，既能達(dá)到刀柄表面硬度要求，又能明顯減少滲碳溫度高造成的滲碳淬火變形，滿足了刀柄熱處理變形徑跳量的技術(shù)要求。 

2004年，劉園園等人指出，滲氮可用于低速重載齒輪的熱處理。對(duì)模數(shù)為10 mm的38 CrMoAl鋼氣體滲氮齒輪進(jìn)行了單齒彎曲疲勞試驗(yàn)。彎曲疲勞強(qiáng)度高，但曲線斜率很小，過載能力很低。然而，氮化工藝有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，尤其是大型人字形齒輪不能接地，氮化工藝具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。因此，有必要研究一種新的工藝來解決滲氮熱處理所面臨的問題。

2014年，Goman等人。對(duì)滲氮熱處理進(jìn)行了深入研究.采用離子束滲氮技術(shù)完成滲氮熱處理，強(qiáng)化齒輪。強(qiáng)化齒輪的承載能力是傳統(tǒng)滲氮齒輪的1.31倍，強(qiáng)化齒輪的耐磨性是普通熱處理齒輪的2倍。2016年，C≤Elko等人。研究了等離子滲氮對(duì)50CrV4低合金鋼沙漏鋼淬火回火疲勞極限的影響，并進(jìn)行了154 Hz旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)采用離子滲氮法，在500℃下進(jìn)行20 h的離子滲氮，形成一層厚度約為3.72μm的明亮層和一層厚度為212μm的氮化物層，通過提高疲勞極限，分別達(dá)到等離子體處理材料450 MPa和等離子滲氮材料705 MPa。

因此，等離子滲氮對(duì)低合金鋼50CrV4抗疲勞性的正向影響增加了57%，在某些情況下超過了等離子滲氮對(duì)類似低合金鋼的影響。 作者認(rèn)為，等離子滲氮50CrV4鋼可用于生產(chǎn)曲軸，例如柴油機(jī)，因?yàn)槠浔砻嫔疃仍?27~254μm的推薦范圍內(nèi)；該材料也適用于制造直徑為20mm的齒輪。 馮顯磊等人在2018年國(guó)內(nèi)外對(duì)內(nèi)圈最終熱處理一般采用中頻感應(yīng)淬火或滲碳淬火.. 真空離子滲氮工藝路線為：鍛造→正火→粗加工→回火→半精加工→應(yīng)力退火，精加工→離子滲氮，回火工藝為加熱溫度820~840℃，保溫2h，水冷淬火，回火溫度560~570℃.. 退火溫度520~540℃。 離子滲氮工藝為510~520℃滲氮溫度，70h，采用氨氣保溫滲氮介質(zhì)，流量700~900mL/min，壓力250，350MPa.. 從而使內(nèi)圈變形≤0.15mm，表面硬度高，耐磨性好.. 在相同的加載條件下，電離氮化齒輪的接觸疲勞磨損性能與滲碳齒輪在一定深度下的接觸疲勞磨損性能相當(dāng).. 通過安裝驗(yàn)證，各種工況下的服務(wù)驗(yàn)證均滿足技術(shù)要求..

與滲碳熱處理相比，氮化熱處理具有低溫、變形小、成本低、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。它可以使鋼表面獲得較高的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、耐蝕性等。但是，由于普通滲氮工藝滲氮層較薄，一般小于1mm，其承載能力和抗沖擊能力不足以滿足重載齒輪的要求。因此，氮化熱處理在重載齒輪中很少使用。2018年張民等人提出，離子滲氮處理570℃的42 CrMo鋼的性能參數(shù)仍低于其它三組滲碳熱處理產(chǎn)品，仍不能用于某些應(yīng)用表面滲氮熱處理。

近年來，稀土催化滲氮、表面預(yù)氧化、周期性循環(huán)滲氮、離子滲氮等新技術(shù)，以及表面納米預(yù)處理等新技術(shù)，以及表面納米預(yù)處理等新技術(shù)的出現(xiàn)，使得氮化技術(shù)在重載齒輪上的不斷創(chuàng)新顯示出更廣闊的應(yīng)用前景。

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