內(nèi)齒圈滲氮層的脆性及耐磨性分析

杜 朋

（太重煤機(jī)有限公司， 山西 太原 030032）

引言

內(nèi)齒圈為機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵零部件，為保證機(jī)械傳動(dòng)部件甚至整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)性和安全性，對內(nèi)齒圈的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及抗腐蝕能力提出了更要的要求。為此，內(nèi)齒圈在加工時(shí)，通常采用對表面進(jìn)行強(qiáng)化的方式，以減少內(nèi)齒圈表面的磨損、氧化以及腐蝕等問題。對材料進(jìn)行氮化處理時(shí)，會(huì)在內(nèi)齒圈表面形成強(qiáng)化層，該方式在實(shí)際操作過程中具有降溫緩慢、變形小以及成本低的優(yōu)勢[1]。本文重點(diǎn)對內(nèi)齒圈表面增強(qiáng)滲氮層的脆性和耐磨性進(jìn)行研究。

1 研究基礎(chǔ)

1.1 滲氮方式

所謂氮化處理指的是將氮元素滲透進(jìn)入內(nèi)齒圈內(nèi)部，并在內(nèi)齒圈表面形成富氮硬化層，此工藝屬于化學(xué)熱處理工藝。具體工藝如下：通過將氨加熱至500～600 ℃后，滲透的氮被分解出來，分解出來的氮在內(nèi)齒圈表面形成鐵氮合金，最終達(dá)到提升內(nèi)齒圈機(jī)械性能、物理性能以及化學(xué)性能的目的。一般可將氮化處理分為三個(gè)階段，分別為：氨分解出所需的氮；內(nèi)齒圈表面吸收氮原子；內(nèi)齒圈表面的氮達(dá)到飽和狀態(tài)后，氮繼續(xù)向內(nèi)齒圈內(nèi)部擴(kuò)散，從而增加滲氮層的厚度。

常見的氮滲透方式包括離子滲氮（活性屏離子滲氮、等離子源滲氮）、表面激光淬火后滲氮、催化滲氮以及氣體滲氮（常規(guī)氣體滲氮、循環(huán)兩段快速氣體滲氮、表面處理后快速氣體滲氮）等[2]。本文將采用氣體滲氮的方式對內(nèi)齒圈表面進(jìn)行強(qiáng)化處理。

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為解決內(nèi)齒圈在氣體滲氮過程中的變形，在滲氮操作前需對內(nèi)齒圈進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。此外，還需對內(nèi)齒圈進(jìn)行機(jī)械加工處理，包括磨削、切割以及打磨等工序。本文采用氣體滲氮方式對內(nèi)齒圈表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，對應(yīng)的氣體滲氮設(shè)備主要包括試驗(yàn)電阻爐和溫度控制柜，關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

表1 氣體滲氮關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)

氣體滲氮設(shè)備對應(yīng)的工藝包括有升溫、保溫以及冷卻三個(gè)階段。其中，升溫階段將反應(yīng)爐內(nèi)的溫度升至500 ℃，在操作期間，向爐內(nèi)充入足夠的氮?dú)庖员ＷC將其中的空氣全部排盡，當(dāng)爐內(nèi)壓力升至300 mmH2O 且溫度達(dá)標(biāo)時(shí)，將其中的氮?dú)飧鼡Q為氨氣；第二階段為保溫階段，在該階段需對氨氣的供氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證溫度和分解率處于靜態(tài)平衡狀態(tài)，此期間還需保證爐內(nèi)壓力的穩(wěn)定；第三階段為冷卻階段，設(shè)備停電降溫，同時(shí)繼續(xù)注入氮?dú)猓员ＷC爐內(nèi)壓力穩(wěn)定，并避免內(nèi)齒圈與空氣接觸發(fā)生氧化，當(dāng)爐內(nèi)溫度降至200 ℃以下時(shí)，停止注入氮?dú)鈁3]。

2 性能測試方法

2.1 內(nèi)齒圈滲氮層力學(xué)性能測試

滲氮層力學(xué)性能的測試包括對其表面硬度和脆性的測試，均采用型號為HV1-10A 的低負(fù)荷維氏硬度計(jì)進(jìn)行測量。

1）表面硬度測試方法：向被測試件加載9.8 N 的載荷，施加載荷時(shí)間為5 s，并停留15 s 后卸載，分別測三個(gè)值，取平均值為滲氮層的表面硬度值。

2）脆性測試方法：向被測試件加載98.07 N 的載荷，施加載荷時(shí)間為5 s，并停留10 s 后卸載；通過放大鏡對測試點(diǎn)位置的壓痕邊角碎裂程度進(jìn)行分析，并根據(jù)GB/T 11354—2005 對脆性等級進(jìn)行劃分。脆性等級可分為5 個(gè)級別，對應(yīng)的壓痕邊角碎裂程度如表2 所示[4]。

表2 脆性劃分參數(shù)表

2.2 內(nèi)齒圈滲氮層耐磨性能測試

滲氮層耐磨性能的測試采用型號為MM200，對應(yīng)的耐磨性能試驗(yàn)參數(shù)如表3 所示。

表3 齒輪滲氮層磨損試驗(yàn)參數(shù)

對內(nèi)齒圈滲氮層進(jìn)行磨損試驗(yàn)后，采用切入法對耐磨性能進(jìn)行評定，通過所拍攝的金相照片對試驗(yàn)后樣件的磨痕寬度和磨損體積進(jìn)行測量。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

分別對試驗(yàn)后內(nèi)齒圈滲氮層的表面硬度、脆性以及磨損性能進(jìn)行分析。

3.1 內(nèi)齒圈滲氮層表面硬度與脆性的分析

3.1.1 內(nèi)齒圈滲氮層表面硬度分析

當(dāng)?shù)瘻囟葹?20 ℃，氮化時(shí)間5 h 時(shí)，分別將不同氮?jiǎng)菹碌凝X輪滲氮層的表面硬度進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表4 所示。

表4 不同氮?jiǎng)輰?yīng)內(nèi)齒圈滲氮層的表面硬度

從表4 可知，當(dāng)?shù)獎(jiǎng)轂?.5 時(shí)，對應(yīng)內(nèi)齒圈滲氮層表面的硬度最大，且與氮?jiǎng)轂? 時(shí)的表面硬度值處于一個(gè)水平。說明，當(dāng)?shù)獎(jiǎng)轂?.5 和1 時(shí)，在內(nèi)齒圈表面所形成的滲氮層結(jié)構(gòu)緊密，對應(yīng)的表面硬度最高。

3.1.2 內(nèi)齒圈滲氮層脆性分析

當(dāng)?shù)瘻囟葹?20 ℃，氮?jiǎng)轂?.5 時(shí)，分別將滲氮時(shí)間為3 h 和5 h 下的內(nèi)齒圈滲氮層的脆性進(jìn)行對比，對比情況如圖1 所示。

從圖1 可知，當(dāng)滲氮時(shí)間為3 h 時(shí)，內(nèi)齒圈滲氮層表面出現(xiàn)輕微的褶皺；當(dāng)滲氮時(shí)間為5 h 時(shí)，內(nèi)齒圈滲氮層表面的頂角位置出現(xiàn)幾乎可以忽略的裂紋。經(jīng)對比，滲氮時(shí)間分別3 h 和5 h 對應(yīng)的內(nèi)齒圈滲氮層的脆性級別變化不大。

圖1 不同滲氮時(shí)間對應(yīng)內(nèi)齒圈滲氮層的脆性

3.2 內(nèi)齒圈滲氮層耐磨性分析

研究了不同滲氮時(shí)間和滲氮溫度對內(nèi)齒圈滲氮層耐磨性能的影響，對應(yīng)所得的試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3 所示。

圖2 不同滲氮時(shí)間對內(nèi)齒圈滲氮層耐磨性能的影響

圖3 不同滲氮溫度對內(nèi)齒圈滲氮層耐磨性能的影響

由圖2 可知，在相同滲氮溫度、氮?jiǎng)莺湍p時(shí)間下，滲氮時(shí)間為3 h 對應(yīng)的內(nèi)齒圈滲氮層的磨痕寬度明顯大于滲氮時(shí)間為5 h 的情況。由此說明，隨著滲氮時(shí)間的延長，對應(yīng)所得滲氮層的耐磨性能越好。

由圖3 可知，在相同滲氮時(shí)間、氮?jiǎng)莺湍p時(shí)間下，滲氮溫度為520 ℃對應(yīng)內(nèi)齒圈滲氮層的磨痕寬度明顯大于滲氮溫度為540 ℃的情況。由此說明，隨著滲氮溫度的增加，對應(yīng)所得滲氮層的耐磨性能越好。

4 結(jié)論

內(nèi)齒圈作為機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵零部件，其耐磨性、抗腐蝕性能以及強(qiáng)度等均是影響機(jī)械結(jié)構(gòu)件傳動(dòng)效率的關(guān)鍵因素[5]。通過重點(diǎn)對內(nèi)齒圈滲氮層脆性和耐磨性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)?shù)獎(jiǎng)轂?.5 和1 時(shí)，在內(nèi)齒圈表面形成的滲氮層結(jié)構(gòu)緊密，對應(yīng)的表面硬度最高；不同滲氮時(shí)間對應(yīng)的內(nèi)齒圈滲氮層的脆性級別變化不大。

2）隨著滲氮時(shí)間的延長，對應(yīng)所得滲氮層的耐磨性能越好。

3）隨著滲氮溫度的增加，對應(yīng)所得滲氮層的耐磨性能越好。