重载齿轮的渗氮热处理

氮化热处理主要用于模数在12mm及以下的重载齿轮，主要分为：冲击载荷下高表面耐磨性和高韧性齿轮、30CrNi3、35 CrMo钢等。在重载条件下，重载条件下，要求具有高表面耐磨性和高芯强度的重载齿轮在重载条件下工作。材料为35 CrMoV、40 CrNiMo、42 CrMo、25Cr2MoV、30Cr3NiVNbAl、20Cr2MoV和31CrMoV9钢等，在重载和冲击条件下，要求高表面耐磨性、高铁心强度和高韧性的齿轮为30 CrNiMo、40CrNiMo、34CrNi3Mo和40Cr2Mo钢。要求大截面尺寸、大载荷、足够韧性的重载齿轮，材料为35CrNi2Mo、40CrNi2Mo、30CrNi3、34CrNi3Mo、37CrNi3A和37SiMn2MoV钢等。

氮化重载齿轮坯必须经过粗车淬火和回火，才能获得均匀的细针状回火索氏体，其游离铁素体含量小于5%，以保证齿轮中心的力学性能，有利于获得均匀的渗氮层。淬火回火处理的淬火回火工艺参数对工件的渗氮质量和力学性能有很大的影响。正确选择淬火回火温度是齿轮是否合格的关键。

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，刘园园等人指出，渗氮可用于低速重载齿轮的热处理。对模数为10 mm的38 CrMoAl钢气体渗氮齿轮进行了单齿弯曲疲劳试验。弯曲疲劳强度高，但曲线斜率很小，过载能力很低。然而，氮化工艺有其独特的优点，尤其是大型人字形齿轮不能接地，氮化工艺具有显著的经济效益。因此，有必要研究一种新的工艺来解决渗氮热处理所面临的问题。

2014年，Goman等人。对渗氮热处理进行了深入研究.采用离子束渗氮技术完成渗氮热处理，强化齿轮。强化齿轮的承载能力是传统渗氮齿轮的1.31倍，强化齿轮的耐磨性是普通热处理齿轮的2倍。2016年，C≤Elko等人。研究了等离子渗氮对50CrV4低合金钢沙漏钢淬火回火疲劳极限的影响，并进行了154 Hz旋转弯曲试验。本实验采用离子渗氮法，在500℃下进行20 h的离子渗氮，形成一层厚度约为3.72μm的明亮层和一层厚度为212μm的氮化物层，通过提高疲劳极限，分别达到等离子体处理材料450 MPa和等离子渗氮材料705 MPa。

因此，等离子渗氮对低合金钢50CrV4抗疲劳性的正向影响增加了57%，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钢可用于生产曲轴，例如柴油机，因为其表面深度在127~254μm的推荐范围内；该材料也适用于制造直径为20mm的齿轮。 冯显磊等人在2018年国内外对内圈最终热处理一般采用中频感应淬火或渗碳淬火.. 真空离子渗氮工艺路线为：锻造→正火→粗加工→回火→半精加工→应力退火，精加工→离子渗氮，回火工艺为加热温度820~840℃，保温2h，水冷淬火，回火温度560~570℃.. 退火温度520~540℃。 离子渗氮工艺为510~520℃渗氮温度，70h，采用氨气保温渗氮介质，流量700~900mL/min，压力250，350MPa.. 从而使内圈变形≤0.15mm，表面硬度高，耐磨性好.. 在相同的加载条件下，电离氮化齿轮的接触疲劳磨损性能与渗碳齿轮在一定深度下的接触疲劳磨损性能相当.. 通过安装验证，各种工况下的服务验证均满足技术要求..

与渗碳热处理相比，氮化热处理具有低温、变形小、成本低、工艺简单等特点。它可以使钢表面获得较高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性等。但是，由于普通渗氮工艺渗氮层较薄，一般小于1mm，其承载能力和抗冲击能力不足以满足重载齿轮的要求。因此，氮化热处理在重载齿轮中很少使用。2018年张民等人提出，离子渗氮处理570℃的42 CrMo钢的性能参数仍低于其它三组渗碳热处理产品，仍不能用于某些应用表面渗氮热处理。

近年来，稀土催化渗氮、表面预氧化、周期性循环渗氮、离子渗氮等新技术，以及表面纳米预处理等新技术，以及表面纳米预处理等新技术的出现，使得氮化技术在重载齿轮上的不断创新显示出更广阔的应用前景。

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