滲氮齒輪代替滲碳齒輪研究的進(jìn)展

長(zhǎng)春金馬熱處理公司（吉林 130012）杜樹(shù)芳

一、傳統(tǒng)滲碳齒輪的改進(jìn)與發(fā)展

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中多數(shù)傳動(dòng)齒輪都是采用滲碳淬火工藝，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，大功率、高速度和高可靠性齒輪需求量日益增加，常用的滲碳淬火表面強(qiáng)化對(duì)一般齒輪強(qiáng)度性能要求還可以滿足，但是對(duì)要求高性能齒輪，控制內(nèi)氧化、滲碳淬火畸變大，質(zhì)量不穩(wěn)定，精度和性能難以保證。由于低溫化學(xué)熱處理技術(shù)的迅速發(fā)展，近年來(lái)齒輪制造業(yè)，尤其是大型精密齒輪行業(yè)探索以滲氮技術(shù)部分代替滲碳淬火取得了可喜的進(jìn)展。

從生產(chǎn)規(guī)模來(lái)看，滲碳淬火適合于通用齒輪的大批量生產(chǎn)，而滲氮技術(shù)則更適合于大型齒輪、單件或中小批量以及高性能齒輪。

傳動(dòng)齒輪的服役壽命和可靠性，主要取決于齒輪的疲勞抗力，即齒輪的彎曲疲勞壽命和接觸疲勞壽命。

普通滲碳齒輪表面硬度較低（62～63HRC），耐磨性差，接觸疲勞強(qiáng)度偏低，但由于滲碳層較深，心部強(qiáng)度較高（36～42HRC），因此彎曲疲勞強(qiáng)度較高，能滿足一般齒輪的服役要求。但是滲碳淬火齒輪畸變是難以克服的技術(shù)難點(diǎn)，形狀復(fù)雜的齒輪難以保證其精度，高精度齒輪必須以磨齒來(lái)提高齒輪精度，成本大大提高。

以大型高速精密齒輪為代表，采用滲氮齒輪是唯一可選的改進(jìn)方向。滲氮齒輪表面硬度高（66～70HRC，850～1100HV），耐磨性高，熱硬性好，高硬度可保持在500℃，抗咬合和抗擦傷比滲碳和表面淬火更優(yōu)越，對(duì)高速和圓弧齒輪更重要。滲氮齒輪表面高殘余壓應(yīng)力，可保證齒輪使用過(guò)程中比滲碳齒輪具有更高的穩(wěn)定性和更高的彎曲疲勞強(qiáng)度。缺口敏感性比滲碳齒輪低，這對(duì)形狀系數(shù)大的齒輪具有重要意義。

滲氮齒輪采用低溫?zé)崽幚恚冃瘟啃。X輪畸變小，這種工藝優(yōu)勢(shì)可保證滲氮齒輪滲氮處理后齒輪保持高精度，一般精度只下降1～2級(jí)，7～6級(jí)齒輪可滲氮后直接使用。

研制新型時(shí)效硬化鋼和深層滲氮工藝，可實(shí)現(xiàn)滲氮齒輪表面更高的接觸疲勞強(qiáng)度，心部硬度可保持42～46HRC，取得比滲碳齒輪更高的彎曲疲勞強(qiáng)度。

二、滲氮齒輪研究與應(yīng)用成果

常規(guī)普通滲氮齒輪表層硬度低于800HV，滲層薄，小于0.4mm，心部硬度低，致使其彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度均比滲碳齒輪低。所以，在滲氮齒輪工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)失敗的案例，也常有不穩(wěn)定的質(zhì)量報(bào)道。

滲氮齒輪作為提高齒輪性能和部分替代滲碳齒輪早已引起世界范圍工業(yè)界的關(guān)注。英國(guó)自20世紀(jì)60年代便開(kāi)始大膽在海軍驅(qū)逐艦上應(yīng)用滲氮技術(shù)，隨后擴(kuò)大到工業(yè)齒輪，美國(guó)隨著Floe雙層滲氮工藝的開(kāi)發(fā)，滲氮齒輪的應(yīng)用隨之?dāng)U大，著名的費(fèi)城齒輪公司有43%的高參數(shù)齒輪采用滲氮；德國(guó)以Clockner離子公司為代表，將離子滲氮應(yīng)用于汽車(chē)齒輪、機(jī)床齒輪、蝸桿及軋機(jī)齒輪。總之，20世紀(jì)80年代以來(lái)，世界各國(guó)進(jìn)行了大量研究和生產(chǎn)應(yīng)用，英國(guó)高速蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)和壓縮機(jī)滲氮齒輪已成功運(yùn)行幾十年，美國(guó)、德國(guó)、瑞士、瑞典、日本、前蘇聯(lián)和我國(guó)都在應(yīng)用滲氮齒輪。

德國(guó)在80年代初領(lǐng)先開(kāi)展了離子滲氮提高齒輪性能和深層滲氮研究，采用31CrMoV9鋼和14CrMoV69鋼制造滲氮齒輪，齒輪表面具有800～900HV較高硬度，深層滲氮和較高心部硬度（33～36HRC）可獲得很高的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度，大大提高齒輪承載能力，與滲碳齒輪相當(dāng)。

鄭州機(jī)械研究所采用25Cr2MoV鋼中硬調(diào)質(zhì)硬度（310～350HBW）基體和滲氮層深0.7mm滲氮齒輪與20Cr2Ni4鋼滲碳1.2～1.3mm的滲碳齒輪，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)表明25Cr2MoV鋼滲氮齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度和抗咬合性能都優(yōu)于20Cr2Ni4鋼滲碳齒輪。

上述滲氮齒輪的研究和應(yīng)用成果，肯定了優(yōu)于滲碳齒輪的特性，也指出滲氮齒輪一直沿用常規(guī)調(diào)質(zhì)鋼，齒輪心部硬度過(guò)低，致使其彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度降低，研制高心部強(qiáng)度的滲氮鋼成為提高滲氮齒輪性能的關(guān)鍵。

滲氮齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。因?yàn)辇X輪受接觸負(fù)荷產(chǎn)生的最大赫茲應(yīng)力是在表面以下一定深度，這就嚴(yán)峻地考驗(yàn)著較淺滲氮層的承載能力，當(dāng)齒輪模數(shù)較大時(shí)，其齒廓曲率半徑也增大，相應(yīng)赫茲應(yīng)力的深度也增加，當(dāng)滲氮深度與赫茲最大剪切應(yīng)力深度之比小于某一值時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕或剝落。滲氮層深0.3～0.4mm，對(duì)小模數(shù)齒輪（m=1～2mm），具有足夠的接觸疲勞強(qiáng)度，能達(dá)到滲碳齒輪水平，隨著齒輪模數(shù)提高到3mm，要保持高的接觸疲勞強(qiáng)度，一般鋼心部硬度低，必須把滲氮層深提高到0.55～0.60mm以上，而采用時(shí)效硬化鋼，滲氮層深為0.7～1.0mm，心部硬度為400～450HV，其接觸疲勞強(qiáng)度大大超過(guò)普通滲碳鋼，可達(dá)到2000MPa以上。

目前建立在普通調(diào)質(zhì)鋼基礎(chǔ)上，滲氮齒輪應(yīng)用的范圍大致為：齒輪模數(shù)2～10mm；載荷系數(shù)K≤30kN/m2；圓周線速度v≤120m/s；不磨齒滲氮齒輪加工精度7～6級(jí)；齒形不限，非漸開(kāi)線齒形更適用。

我們研制成功的新型時(shí)效硬化鋼和深層離子滲氮工藝，將使上述應(yīng)用范圍更加擴(kuò)大，英國(guó)工業(yè)滲氮齒輪應(yīng)用范圍見(jiàn)表1，可供參考。

三、滲氮齒輪的研究方向

1.新時(shí)效硬化鋼和深層離子滲氮工藝

齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度，代表齒面的承載能力，表面硬度越高，接觸疲勞強(qiáng)度越高。Chesters早年研究滲碳齒輪承載能力時(shí)，指出接觸疲勞強(qiáng)度與其抗拉強(qiáng)度平方成正比，當(dāng)表面硬度為62～63HRC接觸疲勞強(qiáng)度達(dá)最大值。最新研究成果，CSS-42L鋼經(jīng)滲碳表面硬度達(dá)到68～72HRC，用以制造軸承接觸疲勞壽命高出52100鋼軸承70倍以上。可見(jiàn)齒輪表面高的硬度和高的抗拉強(qiáng)度，可以得到更高的接觸疲勞強(qiáng)度。

齒輪模數(shù)越大，在承載接觸應(yīng)力下最大剪切應(yīng)力的峰值深度從滲層表面下0.1～0.2mm移向齒輪心部（見(jiàn)表1），如果心部硬度較低，將會(huì)使接觸疲勞強(qiáng)度顯著降低。試驗(yàn)表明，提高心部硬度達(dá)470HV，增大滲氮層至1mm，接觸疲勞強(qiáng)度可提高到2300MPa。

齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度代表齒根的承載能力，滲氮鋼和滲碳鋼的彎曲疲勞強(qiáng)度都隨心部硬度提高而提高。在相同的心部硬度下，滲氮鋼的疲勞強(qiáng)度略比滲碳鋼低。但是，滲碳鋼的疲勞強(qiáng)度隨心部硬度提高有一個(gè)極大值，在35～42HRC之間。而滲氮鋼的疲勞強(qiáng)度隨心部硬度的提高一直呈直線型增加，當(dāng)心部硬度超過(guò)一定值（約400HV）后，滲氮鋼的疲勞強(qiáng)度超過(guò)滲碳鋼。我們研制的方向是選擇心部硬度為400～450HV，過(guò)高的心部硬度（強(qiáng)度）可能造成其塑性降低，不利于齒輪的綜合性能。

表1 英國(guó)工業(yè)滲氮齒輪的應(yīng)用范圍

實(shí)現(xiàn)制造高性能滲氮齒輪和替代滲碳齒輪的關(guān)鍵在于研制適于齒輪切削加工和適于深層離子滲氮的時(shí)效硬化鋼，以及根據(jù)齒輪不同服役條件和精度要求不同研制的特種深層離子滲氮工藝。

2.時(shí)效硬化鋼的特點(diǎn)

新型時(shí)效硬化鋼20CrNi3Mn2Al，是在美國(guó)P21鋼基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，以鎳鋁為主導(dǎo)，采用低碳高錳和鋁鉻鉬釩共存研制成功的專利鋼種（專利號(hào)201210028899.9），鋼的成分范圍見(jiàn)表2。

（1）空冷固溶處理后適宜切削加工 在850～900℃保溫3h后空冷，硬度為283～332HBW(30～36HRC)，可以直接進(jìn)行切削加工。省去了常規(guī)調(diào)質(zhì)鋼的淬火和高溫回火。

（2）時(shí)效硬化作為基體強(qiáng)化手段 時(shí)效硬化鋼比調(diào)質(zhì)鋼的優(yōu)勢(shì)在于，時(shí)效硬化后基體硬度可以達(dá)到40～43HRC，而經(jīng)過(guò)深層離子滲氮后基體進(jìn)一步時(shí)效硬化提高到42～46HRC。

（3）時(shí)效硬化溫度與滲氮強(qiáng)化溫度一致 試樣經(jīng)870℃×3h空冷固溶處理后，在不同時(shí)效溫度分別處理6h，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，500～560℃時(shí)效后硬度最高，與滲氮溫度吻合，560～600℃區(qū)間硬度降低緩慢，對(duì)滲氮處理有利。20CrNi3Mn2Al鋼化學(xué)成分按照Ni3Al金屬間化合物和AlCrMoV氮化物復(fù)合時(shí)效硬化原理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)效硬化峰值溫度高（540℃），平均峰值溫度寬（500～560℃），過(guò)時(shí)效不明感。

（4）淬透性高 常用調(diào)質(zhì)鋼和滲碳鋼基體強(qiáng)度都受鋼的淬透性限制，工件大小會(huì)造成性能差異，而20CrNi3Mn2Al時(shí)效硬化鋼空冷固溶處理過(guò)程中貝氏體轉(zhuǎn)變比較緩慢，受冷卻速度影響極小。直徑200mm試樣空冷固溶處理和時(shí)效硬化后檢查截面表面和心部硬度完全一致。表明直徑200mm以下工件可保證空冷后截面性能均勻，可對(duì)比稱為淬透性高。

3.深層離子滲氮特點(diǎn)及工藝方案

綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)深層滲氮研究的成果，時(shí)效硬化鋼深層離子滲氮工藝應(yīng)具有以下特點(diǎn)（見(jiàn)表4）：表層硬度高，表面下0.1mm處硬度應(yīng)大于900HV；表面化合物層薄（小于5μm）或單相為主；滲氮層硬度梯度好，表面下0.4mm處硬度應(yīng)大于600HV；滲氮層深應(yīng)大于0.7mm；深層離子滲氮后基體硬度為400～450HV（42～46HRC）。

利用離子滲氮過(guò)程的優(yōu)勢(shì)，工件表面活化和活性氮原子傳遞通道暢通的特點(diǎn)，綜合采用不同的滲氮溫度，保溫時(shí)間和供氨條件，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)確定了520～540℃×50h氨氣變溫離子滲氮的2號(hào)工藝，可以滿足時(shí)效硬化鋼深層離子滲氮的全部要求：0.1mm處981HV，0.4mm處652HV，滲氮層深0.75mm，基體硬度431HV。

表2 20CrNi3Mn2Al鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 20CrNi3Mn2Al鋼不同溫度時(shí)效后的硬度

表4 20CrNi3Mn2Al鋼滲氮后硬度（HV0.1）和層深

四、結(jié)語(yǔ)

（1）滲氮齒輪能夠代替滲碳齒輪的關(guān)鍵，在于研制成功新型時(shí)效硬化鋼，實(shí)現(xiàn)深層離子滲氮和保持齒輪心部高硬度（強(qiáng)度）。

（2）研制成功20CrNi3Mn2Al時(shí)效硬化鋼和520～540℃×50h氨氣變溫離子滲氮的工藝，實(shí)現(xiàn)了時(shí)效硬化鋼的深層離子滲氮。滲氮層表面硬度高，化合物層厚度小于5μm，表面下0.1mm處硬度大于900HV，0.4mm處硬度大于600HV，滲氮層深大于0.7mm，滲氮基體硬度為400～450HV。

（3）可以采用20CrNi3Mn2Al鋼心部硬度為400～450HV滲氮層深0.7～1.0mm的深層離子滲氮齒輪，部分替代齒輪模數(shù)10mm以下，滲碳層深2mm以下應(yīng)用的滲碳齒輪，實(shí)現(xiàn)省去滲碳和油中淬火，簡(jiǎn)化工藝，減少變形，減少污染，顯著提高齒輪的性能。

（4）新型時(shí)效硬化鋼和深層離子滲氮工藝的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)高性能齒輪的高端突破，有深遠(yuǎn)和重要的意義。