齒輪氣體滲氮的常見問題及對策

任素紅，李朋九

大連創(chuàng)新齒輪箱制造有限公司 遼寧大連 116314

1 序言

氣體滲氮與離子滲氮相比，具有操作簡單、工藝可重復(fù)性高、設(shè)備結(jié)構(gòu)和滲氮原理簡單等優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)工藝過程的自動(dòng)控制[1]，最突出的特點(diǎn)是滲氮溫度和氣氛均勻性較好。對于齒輪滲氮尤其是小模數(shù)齒輪，齒根與節(jié)圓的滲氮層深之差比離子滲氮小[2]。近年來，氣體滲氮工藝的發(fā)展較快，如預(yù)先氧化催滲氣體滲氮工藝和各種氣體滲氮催滲等[3]，這些新工藝都不同程度地縮短了離子滲氮與氣體滲氮間生產(chǎn)周期的差距。但是，在齒輪可控氣氛滲氮過程中還應(yīng)注意以下幾個(gè)問題。

2 氣體滲氮前的清洗

齒輪在氣體滲氮裝爐前要將齒輪清洗干凈，不得有水分和雜質(zhì)殘留，否則滲氮后齒輪外觀顏色不均勻，出現(xiàn)暗色花斑。雖然花斑處與正常區(qū)域處的滲氮層深、滲氮硬度及金相組織并無明顯的區(qū)別，但花斑會(huì)嚴(yán)重影響齒輪的外觀質(zhì)量。通過對不規(guī)則花斑區(qū)域進(jìn)行超景深體視顯微鏡進(jìn)行宏觀形貌分析（見圖1）、掃描電鏡觀察花斑區(qū)域的微觀形貌（見圖2，肉眼觀察到的花斑區(qū)域在掃描電鏡下呈現(xiàn)白色區(qū)域）。

圖1 齒輪端面花斑區(qū)域宏觀形貌

圖2 齒輪端面花斑區(qū)域微觀形貌

對齒輪端面外觀異常的花斑區(qū)域與齒輪端面正常區(qū)域的化學(xué)成分進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表1。從表1可知，異常花斑區(qū)域較正常區(qū)域的O元素含量高，除了含有較高的O元素外，還含有少量的Na、S、Cl、K、Ca、Mg和Al等元素。這些元素主要來源于水、清洗劑和剃齒油的殘留。

表1 齒輪端面微區(qū)化學(xué)成分測定對比結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

從上述分析可知，氣體滲氮外觀花斑是由于滲氮前清洗不凈造成的，因此在氣體滲氮齒輪的清洗方面要特別注意以下幾點(diǎn)。

1）采用水基清洗劑進(jìn)行清洗時(shí)，最后漂洗的水溫不宜過高。漂洗水溫過高時(shí)，會(huì)使水分直接烘干在工件表面，因此適當(dāng)降低漂洗溫度并使用高壓氣槍吹干效果較好。

2）采用丙酮、汽油等物質(zhì)進(jìn)行清洗，但這類物質(zhì)閃點(diǎn)較低，應(yīng)注意清洗環(huán)境的通風(fēng)和消防安全。

3）采用碳?xì)淝逑礄C(jī)進(jìn)行清洗前應(yīng)對工件進(jìn)行脫水處理。

4）要注意清洗過程中所使用水的水質(zhì)，盡可能使用純水。

3 齒輪滲氮畸變的控制

齒輪滲氮畸變與齒輪形狀、機(jī)加工殘余應(yīng)力、齒輪材料、滲氮工裝、滲氮工藝及滲氮后齒輪的冷卻速度有關(guān)[4]。在日常生產(chǎn)中，人們往往關(guān)注前幾項(xiàng)因素，而忽略了滲氮后齒輪的冷卻速度，尤其是薄壁件齒輪內(nèi)孔的畸變量對滲氮后的冷卻速度較為敏感。以圖3所示齒輪為例，其滲氮前內(nèi)孔尺寸φ52-0.02-0.035mm，齒輪冷卻時(shí)間與內(nèi)孔漲量的關(guān)系見表2。

表2 齒輪冷卻時(shí)間與內(nèi)孔漲量的關(guān)系

圖3 齒輪尺寸

由試驗(yàn)結(jié)果可見，不同冷卻速度齒輪內(nèi)孔的畸變趨勢都是一致的，基本表現(xiàn)為漲大，但畸變量卻不同。當(dāng)滲氮后冷卻速度較慢時(shí)，內(nèi)孔的畸變量較大，當(dāng)滲氮后的冷卻速度較快時(shí)，內(nèi)孔的畸變量較小。為使齒輪內(nèi)孔畸變量穩(wěn)定，提高齒輪滲氮后內(nèi)孔的合格率，必須嚴(yán)格控制齒輪氣體滲氮后的冷卻速度。

4 氣體滲氮爐漏氣導(dǎo)致氧化的補(bǔ)救

氣體滲氮爐因密封等問題出現(xiàn)漏氣時(shí)，會(huì)造成工件表面氧化，這種氧化對工件的內(nèi)在質(zhì)量沒有影響[5]，但不符合外觀質(zhì)量要求。在這種狀態(tài)下，可以采用表3的返修工藝進(jìn)行還原。氣體滲氮漏氣氧化與還原后齒輪外觀如圖4所示。

圖4 氣體滲氮漏氣還原前后齒輪外觀

表3 氧化工件的返修工藝

在進(jìn)行外觀還原時(shí)一定要注意：還原時(shí)的滲氮溫度不能超過第一次滲氮的溫度，通常還原時(shí)的滲氮溫度應(yīng)低于上一次氮化溫度的20℃左右。根據(jù)氧化的嚴(yán)重程度，可以適當(dāng)延長工藝時(shí)間。

5 結(jié)束語

從上述三方面問題及解決方案可知，當(dāng)熱處理過程出現(xiàn)問題時(shí)，應(yīng)注意工藝過程中的每個(gè)細(xì)節(jié)，抓住關(guān)鍵才能解決問題。