渗氮齿轮代替渗碳齿轮研究的进展

苏治光

杜树芳 （长春金马热处理公司，吉林 长春  130012）

苏治光

摘要：本文简要评述了传统渗碳齿轮为得到高性能和长寿命以及克服渗碳淬火畸变存在很多难题。介绍了渗氮齿轮有低温热处理和齿轮变形量小、畸变小的根本优势，评估了半个世纪以来，渗氮齿轮研究和应用的成果，表明研制新型时效硬化钢和深层离子渗氮工艺，可以实现高性能渗氮齿轮成功替代渗碳齿轮。研制成功20CrNi3Mn2Al时效硬化钢及其相应深层渗氮工艺，可替代模数在10mm以下和渗碳层在2mm以下渗碳齿轮。

一、传统渗碳齿轮的改进与发展
现代工业生产中多数传动齿轮都是采用渗碳淬火工艺，随着工业技术的发展，大功率、高速度和高可靠性齿轮需求量日益增加，常用的渗碳淬火表面强化对一般齿轮强度性能要求还可以满足，但是对要求高性能齿轮，控制内氧化、渗碳淬火畸变大，质量不稳定，精度和性能难以保证。由于低温化学热处理技术的迅速发展，近年来齿轮制造业，尤其是大型精密齿轮行业探索以渗氮技术部分代替渗碳淬火取得了可喜的进展。
从生产规模来看，渗碳淬火适合于通用齿轮的大批量生产，而渗氮技术则更适合于大型齿轮、单件或中小批量以及高性能齿轮。
传动齿轮的服役寿命和可靠性，主要取决于齿轮的疲劳抗力，即齿轮的弯曲疲劳寿命和接触疲劳寿命。
普通渗碳齿轮表面硬度较低（62~63HRC），耐磨性差，接触疲劳强度偏低，但由于渗碳层较深，心部强度较高（36~42HRC），因此弯曲疲劳强度较高，能满足一般齿轮的服役要求。但是渗碳淬火齿轮畸变是难以克服的技术难点，形状复杂的齿轮难以保证其精度，高精度齿轮必须以磨齿来提高齿轮精度，成本大大提高。
以大型高速精密齿轮为代表，采用渗氮齿轮是唯一可选的改进方向。渗氮齿轮表面硬度高（66~70HRC，850~1100HV），耐磨性高，热硬性好，高硬度可保持在500℃，抗咬合和抗擦伤比渗碳和表面淬火更优越，对高速和圆弧齿轮更重要。渗氮齿轮表面高残余压应力，可保证齿轮使用过程中比渗碳齿轮具有更高的稳定性和更高的弯曲疲劳强度。缺口敏感性比渗碳齿轮低，这对形状系数大的齿轮具有重要意义。
渗氮齿轮采用低温热处理，变形量小，齿轮畸变小，这种工艺优势可保证渗氮齿轮渗氮处理后齿轮保持高精度，一般精度只下降1~2级，7~6级齿轮可渗氮后直接使用。

作者简介：杜树芳（1938.12—），男，辽宁辽阳人，中国科学院长春光机所高级工程师，现任长春金马热处理公司总工程师，长期从事离子热处理与真空热处理基础、设备和工艺研究，工程设计施工和技术开发工作，。 E-mail：2382902228@qq.com

苏治光

研制新型时效硬化钢和深层渗氮工艺，可实现渗氮齿轮表面更高的接触疲劳强度，心部硬度可保持42~46HRC，取得比渗碳齿轮更高的弯曲疲劳强度。
二、渗氮齿轮研究与应用成果
常规普通渗氮齿轮表层硬度低于800HV，渗层薄，小于0.4mm，心部硬度低，致使其弯曲疲劳强度和接触疲劳强度均比渗碳齿轮低。所以在渗氮齿轮工业应用中经常出现失败的案例，也常有不稳定的质量报道。
渗氮齿轮作为提高齿轮性能和部分替代渗碳齿轮早已引起世界范围工业界的关注。英国自20世纪60年代便开始大胆在海军驱逐舰上应用渗氮技术，随后扩大到工业齿轮，美国随着Floe双层渗氮工艺的开发，渗氮齿轮的应用随之扩大，著名的费城齿轮公司有43%的高参数齿轮采用渗氮；德国以Clockner离子公司为代表，将离子渗氮应用于汽车齿轮、机床齿轮、蜗杆及轧机齿轮。总之，20世纪80年代以来，世界各国进行了大量研究和生产应用，英国高速蒸汽涡轮发电机和压缩机渗氮齿轮已成功运行几十年，美国、德国、瑞士、瑞典、日本、前苏联和我国都在应用渗氮齿轮。
德国在80年代初领先开展了离子渗氮提高齿轮性能和深层渗氮研究，采用31CrMoV9钢和14CrMoV69钢制造渗氮齿轮，齿轮表面具有800~900HV较高硬度，深层渗氮和较高心部硬度（33~36HRC）可获得很高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度，大大提高齿轮承载能力，与渗碳齿轮相当。
郑州机械研究所采用25Cr2MoV钢中硬调质硬度（310~350HB）基体和渗氮层深0.7mm渗氮齿轮与20Cr2Ni4钢渗碳1.2~1.3mm的渗碳齿轮，进行了对比试验。试验表明25Cr2MoV钢渗氮齿轮弯曲疲劳强度、接触疲劳强度和抗咬合性能都优于20Cr2Ni4钢渗碳齿轮。
上述渗氮齿轮的研究和应用成果，肯定了优于渗碳齿轮的特性，也指出渗氮齿轮一直沿用常规调质钢，齿轮心部硬度过低，致使其弯曲疲劳强度和接触疲劳强度降低，研制高心部强度的渗氮钢成为提高渗氮齿轮性能的关键。
渗氮齿轮的接触疲劳强度是人们关注的焦点。因为齿轮受接触负荷产生的最大赫兹应力是在表面以下一定深度，这就严峻的考验着较浅渗氮层的承载能力，当齿轮模数较大时，其齿廓曲率半径也增大，相应赫兹应力的深度也增加，当渗氮深度与赫兹最大剪切应力深度之比小于某一值时，便会产生疲劳点蚀或剥落。渗氮层深0.3~0.4mm，对小模数齿轮M1~2，具有足够的接触疲劳强度，能达到渗碳齿轮水平，随着齿轮模数提高到M3，要保持高的接触疲劳强度，一般钢心部硬度低，必须把渗氮层深提高到0.55~0.60mm以上，而采用时效硬化钢，渗氮层深为0.7~1.0mm，心部硬度为400~450HV，其接触疲劳强度大大超过普通渗碳钢，可达到2000MPa以上。
目前建立在普通调质钢基础上，渗氮齿轮应用的范围大致为
齿轮模数2~10mm。
②载荷系数K≤30KN/ m2 。   
③圆周线速度V≤120m/s。
④不磨齿渗氮齿轮加工精度7~6级。
⑤齿形不限，非渐开线齿形更适用。
我们研制成功的新型时效硬化钢和深层离子渗氮工艺，将使上述应用范围更加扩大，英国工业渗氮齿轮应用范围表1可供参考。
表1、英国工业渗氮齿轮的应用范围

参数        蒸汽
涡轮        H/D
压缩机        H/D
碎煤机        H/D
水泥磨        军舰蒸
汽涡轮        燃气
涡轮          
功率KW        6570        4588        336        2237        5781        11190          
模数mm        4.40        4.23        8.47        8.47        6.47        6.4          
接触应力MPa        904        905        835        1014        996        1065          
最大剪切应力峰值深度mm        0.39        0.29        0.39        0.45        0.44        0.61         

苏治光

三、渗氮齿轮的研究方向
1、新时效硬化钢和深层离子渗氮工艺
齿轮的接触疲劳强度，代表齿面的承载能力，表面硬度越高，接触疲劳强度越高。Chesters早年研究渗碳齿轮承载能力时，指出接触疲劳强度与其抗拉强度平方成正比，当表面硬度为62~63HRC接触疲劳强度达最大值。最新研究成果，CSS-42L钢经渗碳表面硬度达到68~72HRC，用以制造轴承接触疲劳寿命高出52100钢轴承70倍以上。可见齿轮表面高的硬度和高的抗拉强度，可以得到更高的接触疲劳强度。
齿轮模数越大，在承载接触应力下最大剪切应力的峰值深度从渗层表面下0.1~0.2mm移向齿轮心部（见表1），如果心部硬度较低，将会使接触疲劳强度显著降低。试验表明，提高心部硬度达470HV，增大渗氮层至1mm，接触疲劳强度可提高到2300MPa.
齿轮弯曲疲劳强度代表齿根的承载能力，渗氮钢和渗碳钢的弯曲疲劳强度都随心部硬度提高而提高。在相同的心部硬度下，渗氮钢的疲劳强度略比渗碳钢低。但是，渗碳钢的疲劳强度随心部硬度提高有一个极大值，大约在35~42HRC之间。而渗氮钢的疲劳强度随心部硬度的提高一直呈直线型增加，当心部硬度超过一定值（约400HV）后，渗氮钢的疲劳强度超过渗碳钢。我们研制的方向是选择心部硬度为400~450HV，过高的心部硬度（强度）可能造成其塑性降低，不利于齿轮的综合性能。
实现制造高性能渗氮齿轮和替代渗碳齿轮的关键在于研制适于齿轮切削加工和适于深层离子渗氮的时效硬化钢，以及根据齿轮不同服役条件和精度要求不同研制的特种深层离子渗氮工艺。
2、时效硬化钢的特点
新型时效硬化钢20CrNi3Mn2Al，是在美国P21钢基础上进行创新，以镍铝为主导，采用低碳高锰和铝铬钼钒共存研制成功的专利钢种（专利号201210028899.9），钢的成分范围见表2。


表2   20CrNi3Mn2Al钢化学成分（质量分数，%）

C        Mn        Si        Cr        Ni        Mo        V        Al          
0.10~0.25        1.0~2.0        0.2~0.5        0.3~1.0        3.0~4.0        0.2~0.6        0.1~0.3        0.5~1.5         

苏治光

2.1空冷固溶处理后适宜切削加工
在850~900℃保温3小时后空冷，硬度为283~332HB(30~36HRC)，可以直接进行切削加工。省去了常规调质钢的淬火和高温回火。
2.2时效硬化作为基体强化手段
时效硬化钢比调质钢的优势在于，时效硬化后基体硬度可以达到40~43HRC，而经过深层离子渗氮后基体进一步时效硬化提高到42~46HRC。
2.3时效硬化温度与渗氮强化温度一致
试样经870℃3小时空冷固溶处理后，在不同时效温度分别处理6小时，试验结果如表3所示。
表3    20CrNi3Mn2Al钢不同温度时效后的硬度

时效温度℃        460        480        500        520        540        560        580        600        650        680          
硬度HRC        39.0        40.0        41.3        41.8        42.0        41.5        39.0        38.0        31.0        30.0         
试验结果表明，500~560℃时效后硬度最高，与渗氮温度吻合，560~600℃区间硬度降低缓慢，对渗氮处理有利。20CrNi3Mn2Al钢化学成分按照Ni3Al金属间化合物和AlCrMoV氮化物复合时效硬化原理设计，实现了时效硬化峰值温度高（540℃），平均峰值温度宽（500~560℃），过时效不明感。
2.4淬透性高
常用调质钢和渗碳钢基体强度都受钢的淬透性限制，工件大小会造成性能差异，而20CrNi3Mn2Al时效硬化钢空冷固溶处理过程中贝氏体转变比较缓慢，受冷却速度影响极小。直径200mm试样空冷固溶处理和时效硬化后检查截面表面和心部硬度完全一致。表明直径200mm以下工件可保证空冷后截面性能均匀，可比对称为淬透性高。
3、深层离子渗氮特点及工艺方案
3.1综合国内外对深层渗氮研究的成果，提出了时效硬化钢深层离子渗氮工艺应具有以下特点。
①表层硬度高，表面下0.1mm处硬度应大于900HV.；
②表面化合物层薄（小于5μm）或单相ץ‘为主；
③渗氮层硬度梯度好，表面下0.4mm处硬度应大于600HV；
④渗氮层深应大于0.7mm；
⑤深层离子渗氮后基体硬度为400~450HV（42~46HRC）。
3.2深层离子渗氮工艺方案
利用离子渗氮过程的优势，工件表面活化和活性氮原子传递通道畅通的特点，综合采用不同的渗氮温度，保温时间和供氨条件，经过反复试验确定了520~540℃×50h氨气变温离子渗氮的2号工艺，可以满足时效硬化钢深层离子渗氮的全部要求：0.1mm处981HV，0.4mm处652HV,渗氮层深0.75mm，基体硬度431HV（详见表4）。
表4  20CrNi3Mn2Al钢渗氮后硬度（HV0.1）和层深

离
表面距离        0.1        0.2        0.3        0.4        0.5        0.6        0.7        0.8        0.9        1.0        1.5        2.0        2.5        3.0        渗氮层深mm        有效渗氮层深
mm          
1号
工艺        1018        882        748        661        464        464        464        464        464        464        458        441        431        431        1.10        0.44          
2号
工艺        981        824        702        652        542        464        464        452        452        452        431        431        431        431        0.75        0.54         
注：时效硬化钢渗氮层深为基体+30HV。
有效渗氮层深为500HV处层深。

苏治光

四、 结论
1、渗氮齿轮能够代替渗碳齿轮的关键，在于研制成功新型时效硬化钢，实现深层离子渗氮和保持齿轮心部高硬度（强度）。
2、研制成功20CrNi3Mn2Al时效硬化钢和520~540℃×50h氨气变温离子渗氮的工艺，实现了时效硬化钢的深层离子渗氮。渗氮层表面硬度高，化合物层厚度小于5μm，表面下0.1mm处硬度大于900HV，0.4mm处硬度大于600HV，渗氮层深大于0.7mm，渗氮基体硬度为400~450HV.
3、可以采用20CrNi3Mn2Al钢心部硬度为400~450HV渗氮层深0.7~1.0mm的深层离子渗氮齿轮，部分替代齿轮模数10mm以下，渗碳层深2mm以下应用的渗碳齿轮，实现省去渗碳和油中淬火，简化工艺，减少变形，减少污染，显著提高齿轮的性能。
4、新型时效硬化钢和深层离子渗氮工艺的结合，可实现高性能齿轮的高端突破，有深远和重要的意义。
参考文献：
F.Brautigan传动齿轮的气体渗氮——一项优于渗碳淬火的工艺[J]，<Antriebsiechnik> 1981.5：207-213，译文<国外机械加工技术>1983.1：30~33
M.Week.,K.Schlotermann.Plasma nitriding to enhance gear properties [J], <Metallurgia>1984.8:328~332
陈国民.齿轮钢材和热处理质量及其控制（三）[J]，<汽车工艺与材料>2003,4：1~2,39
杜树芳、杜威.一种渗氮齿轮钢及其热处理方法[P],中国专利201210028899.9

吉祥如意

杜老师的论文，确实能给我们很多的启示。
也会改变思想中的某些观念。
可惜技术细节上说得不多，尤其是实验的论证数据太少。

aaron01

其实相比离子氮化工艺而言，气体氮化和软氮化在质量稳定性上更有优势。

孤鸿踏雪

        其实，渗氮齿轮和渗碳齿轮各有千秋，各有各自的用武之地，尽管有个别齿轮二者均可，但多数情况下二者并不能互相取代

灵猫

aaron01 发表于 2014-7-11 11:35
其实相比离子氮化工艺而言，气体氮化和软氮化在质量稳定性上更有优势。

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