解析国外大型电动轮矿用汽车内齿圈 离子氮化工艺

　　齿轮的强度和承载能力随齿面硬度的提高而提高，所以硬齿面热处理技术在齿轮生产中获得广泛的应用。
目前用于齿轮表面硬化的三大热处理工艺分别是：
1.渗碳淬火2.感应淬火3.离子氮化
　　在国内、外硬齿面重载齿轮生产中，渗碳淬火的齿轮承载能力最高，已成为硬齿面重载齿轮生产的主导工艺。
　　NGW和NW行星轮系是电动轮矿用汽车轮边减速器最常用的轮系。轮系由太阳轮、行星轮（大、小行星轮）、内齿圈组成。太阳轮、行星轮采用高淬透性的渗碳钢，经“渗碳淬火+磨齿”的工艺加工而成。由于内齿圈对变形的要求很高，渗碳淬火后因变形很大难以满足加工的要求，因此，在国外对内齿圈的加工采用“中频淬火+磨齿”的工艺比较多见。离子氮化由于在低温下进行，具有不发生相变，变形极小的特点；经离子氮化后的内齿圈变形最小，轮齿的精度最高。因此，在国外对内齿圈的加工采用离子氮化工艺的厂家逐渐增多。渗碳和离子氮化的工艺性比较见表1所示：

表1渗碳淬火和离子氮化工艺性比较

比较项目	渗碳淬火	离子氮化
材料适应性	只限于特定钢材	材料广泛，甚至包括奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及沉淀硬化钢
常规工艺温度	850~950℃	460~600℃
相关热处理	要求后续淬火、回火处理，甚至冰冷处理	无附加工艺
精加工	经常要求磨削，成本高	一般不需要磨削加工
变形	变形大，报废率居高不下	低温处理、无相变，变形极小
表面洁净度	常要求清洗，去除淬火油	表面洁净，直接装箱
表面硬度	60~65HRC	根据钢材，可高达70HRC

    　国内、外的齿轮行业一致公认：“硬齿面齿轮的精度每提高一级，承载能力提高10%,噪音下降3db，更有利于实现均载。”作为硬齿面硬化工艺手段之一的离子氮化工艺，由于在低温下进行，不发生相变，工序少，特别是热处理变形很小，非常适合对精度要求高的硬齿面重载齿轮的加工，离子氮化的显著优点引起了国、内外齿轮制造行业的普遍关注和重视。随着工业技术的不断进步和发展，离子氮化的技术将会得到进一步的提高、完善、充实、成熟并在经济领域的各行各业中得到更加日益广泛的应用。
    一、国外内齿圈离子氮化加工工艺流程
　　据笔者所知，美国和白俄罗斯在加工大型电动轮矿用汽车轮边减速器内齿圈时，采用离子氮化工艺对齿面进行硬化，成功的在重载齿轮齿面硬化方面取得了很好的使用效果。国外在加工内齿圈时，所采用的加工工艺流程如下：
　　1选材—→2锻造—→3正火—→4粗车—→5探伤—→6调质—→7半精车一—→8探伤—→9粗插齿—→10稳定化—→11半精车二—→12精插齿—→13立磨—→14稳定化—→15磨齿—→16清洗—→17离子氮化—→18综合检验并入库。
    二、国外内齿圈离子氮化工艺解析
    1选材：
   　选用合适的材料是进行离子氮化的先决条件，对离子渗氮齿轮用钢的基本要求是：
①具有较高的淬透性，保证一定截面尺寸的齿轮能淬透；
②有较高的回火稳定性，确保长时间渗氮后的心部硬度不下降；
③渗氮速度较快，不易产生缺陷组织；
④基体的强韧性好，硬度分布平缓；
⑤杂质含量低、缺陷少。
     　作为氮化用钢要求含有Cr、Mo、Al、V等元素。以在氮化温度下形成稳定的氮化物，氮化钢既可只含以上一种元素，也可含多种元素。常用钢材及热处理工艺见表2、表3。渗氮齿轮的母材强化水平和硬化层的厚度都是关系到齿轮承载能力及使用寿命的关键因素，齿轮深层渗氮后要和渗碳淬火的承载水平相媲美，齿轮毛坯必须进行调质处理，以获得均匀细小回火索氏体组织。

表2国内、外常用的齿轮深层离子氮化钢

序号	美国	白俄罗斯	中国
1	4140	42XM	42CrMo
2	4145
3	4340	40XHM	40CrNiMo
4			25Cr2MoV
5		30Cr2NiMoV	30CrNi2Mo

 

表3常用的齿轮深层离子渗氮钢及调质处理工艺

材料	调质处理工艺	调质硬度
42CrMo	850℃淬火+550℃回火	297~342HBS（32~37HRC）
40CrNiMo	850℃淬火+570℃回火	297~342HBS（32~37HRC）
25Cr2MoV	940℃淬火+650℃回火	305~352HBS（33~38HRC）
34CrNi3Mo	860℃淬火+600℃回火	305~352HBS（33~38HRC）

　　38CrMoAlA钢是国内、外普遍采用的渗氮钢，渗氮后由于Al的作用，可以得到很高的硬度。但由于该钢存在以下缺陷：
①加热时脱碳倾向较严重，若表面脱碳层没有被车掉，渗氮时易在渗氮表面形成一种针状氮化物，不仅使渗氮层硬度降低，而且使渗氮层变脆。
②该钢属含Al高的钢，钢液粘性大，冶金质量难以控制，钢材易出现偏析、夹杂、裂纹、发纹、岩石状断口及层状组织等缺陷。
③有较强的过热敏感性。
④渗氮速度过慢。
　　出于以上原因，该钢在使用中受到很大局限，因此，不推荐作为重载齿轮的深层渗氮用钢。
　3正火：
　　国外对进行离子氮化的内齿圈锻件锻后热处理采用正火处理。
　　锻件进行正火是为了消除锻件因各部分变形，终锻温度和冷却速度的不一致引起的内部组织不均匀、残余应力和加工硬化等，为了保证锻件的质量，锻后必须经正火处理。
锻件正火的目的是：
①消除锻件内应力和组织的不均匀性。以免在后续加工中产生变形。
②调整锻件硬度，以利锻件进行切削加工。
③改善锻件内部组织，细化晶粒，为调质处理做好组织准备。
　4探伤（第一次）：
　　粗车后超声波探伤检查内齿圈齿坯的内部缺陷。
　5调质：
　　国外对离子氮化前的调质处理非常重视，调质质量的好坏直接关系到离子氮化内齿圈的使用寿命。
　　结构钢渗氮前的预备热处理是调质处理。渗氮件调质处理工艺对渗氮质量有很大影响。若调质温度太低或保温时间不够，调质后有游离的铁素体存在。由于氮在铁素体中的扩散速度较大，该处在渗氮后就会有较高的氮浓度，易形成针状氮化物，使渗氮层脆性增大，容易剥落。因此，调质后表面层不允许出现游离铁素体。相反，若淬火温度过高，淬火后晶粒变粗，氮化物优先沿晶界伸展，渗氮后出现波纹状或网状组织，也使渗氮层脆性增大。
　　回火温度的高低可决定基体中碳化物的弥散度，因此，温度过高，基体中碳化物弥散度减小，渗氮件心部强度、硬度不足，不能起支撑硬而脆的渗氮层的作用。回火温度过低，心部强度、硬度过高，零件预备热处理后切削加工困难，并且还会降低渗氮速度。所以选择适当的回火温度，即能使渗层和心部有较好的性能，又能获得一定的渗速。
　　心部硬度对渗氮表面硬度有很大的影响，所以在美国有关渗氮工艺规范文件中规定，对于SAE4300和4100系(相当国内40CrNiMo、42CrMo)钢材其心部调质硬度不能低于300HB。渗氮处理的心部硬度对承载能力作用很大，所以应尽可能提高心部硬度，至少不应低于300HB。
　8探伤（第二次）：
　　在7半精车一后第二次超声波探伤，此次探伤结果最终确定齿坯调质后内部质量是否合格。
　9稳定化：（第一次）
　　稳定化对消除机加工应力减小离子氮化后的变形至关重要。
　　通过机加工粗车和粗插齿在内齿圈将产生很大的机加工内应力。内应力在一定的环境和温度下将会逐渐释放，内应力的释放过程，也就是内齿圈的变形过程。对于内齿圈来说，尺寸稳定性和变形量要求很严，因此，在粗车或粗插齿后一定要进行稳定化处理，以便消除机加工所产生的内应力，保证离子氮化时的变形量最小和组织稳定。根据国外的经验对变形精度要求高的内齿圈应安排两次稳定化处理。第一次稳定化预留1（mm）的加工余量，第二次稳定化预留0.15~0.3（mm）的加工余量；也可根据工件的具体情况，经试验和由生产经验而定。
　　稳定化处理的温度应高于离子氮化的温度而低于调质时的高温回火温度20~30℃，保温时间一般为大于8小时为宜。稳定化处理对于变形要求高的工件是不可忽视的十分重要的工序，要引起足够的重视。
　14稳定化：（第二次）
　　将11半精车二、12精插齿、13立磨之后机加工所生产的加工应力，通过第二次稳定化予以消除，以达到离子氮化后内齿圈的变形为最小的目的。
　15磨齿
　　由于离子氮化受层深的限制，在国外原则上不安排在离子氮化后磨齿。一般全部安排在离子氮化之前磨齿，可最大限度保证离子氮化后的层深不变，渗氮层深不受磨齿的影响。国外在离子氮化前进行磨齿是个很好的方法，值得国内齿轮行业借鉴和学习。
　16清洗
　　辉光放电转为电弧放电，原因是齿圈上的油污等绝缘物引起的场致电子发射，因此对工件的清洗至关重要，常用的清洗剂有水溶性清洗剂、汽油、四氯化碳等。清洗油污可以用汽油浸泡（对锈迹要用砂纸或砂轮磨去），洗过的工件用布擦干净，然后在180℃下烘干。大量的工件可用高致清洗液或超声波清洗，再用清水漂洗多次、烘干，以保证氮的有效吸附。
　17离子氮化
　　国外离子渗氮齿轮应用的模数范围及渗氮层深。
　　美国费城齿轮公司生产的齿轮：
模数m=2~6时，层深0.64~0.76（mm）；
模数m＞6~9时，层深0.89~1.02（mm）；
国内高速齿轮的渗氮层深大多在0.6（mm）以上。
在国外对工业齿轮渗氮层的深度，建议采用＞0.6（mm）的渗氮层深度，这时齿轮的承载能力、抗磨损、抗疲劳性及抗胶合等综合性能处于最佳的组合状态，具有较宽的工况适用性。

   

图2 AGMA 齿轮渗氮层深度推荐值
　　从图1  ISO和图2  AGMA标准的渗氮齿轮硬化层深度推荐图可以看出有一个相同的共同点，即齿轮的模数都限于12（mm）以下，图1  IS0齿轮渗氮层深度推荐值图中m=12（mm）的最大渗氮层深度约0.7（mm）。图2  AGMA齿轮渗氮层深度推荐值图中m=12（mm）对应的最大渗氮层深度约1.0（mm）。
　　对某些模数小于12（mm）的重载齿轮，其渗氮层深度要求在0.8~1.2（mm）。这一要求相当于目前渗氮工艺所能到达的最大渗氮层深。这也正是当今渗氮齿轮应用受到局限的根本原因。
三、国外关于渗氮表面白亮层的研究及对策
1.气体渗氮
　　气体渗氮的主要问题是渗氮表面的白亮层具有脆性，为了保证零件有好的韧性，渗氮层中不允许有白亮层存在应该把白亮层磨掉，如美国费城齿轮公司进行渗氮层深为1（mm）的气体渗氮，工艺周期150小时，渗氮后要求磨掉表面的白亮层。
2.离子渗氮
　　离子氮化获得的白亮层是单相组织，是韧性的，既可以是ε相，也可以是γ′相，不起两相微电池效应，抗蚀性好。离子渗氮白亮层紧密而均匀的与基体结合，渗层致密，不会产生空洞，没有杂质，有很好的耐磨性能。经电离达到极高的离子率，其抗拉抗扭性好，且白亮层摩擦系数极低。离子渗氮后的白亮层不需磨掉，还成了最好的耐磨保护层，这一显著的特点具有重要的实际意义，也是离子氮化之所以能得到广泛应用的优势。
重要说明：
　　国内郑州机械研究所对深层离子渗氮进行开发和研究，仅用60~70小时可使渗氮层深达0.8~1.2（mm），表面获γ′单相组织，氮化后不需磨掉白亮层，这一工艺已取得了国家专利。
四、国外特大型电动轮矿用汽车内齿圈离子氮化后的实际效果
　　国外的工艺真正体现了离子氮化变形小的优势，美国和白俄罗斯齿圈离子氮化后均可实现：

1、离子氮化后原磨齿的精度等级不变，离子氮化前磨齿的精度7级，离子
氮化后仍为7级。

2、离子氮化由于对变形控制的很好，圆度和圆柱度的形状误差一般均在
0.06（mm）范围内，最好的仅0.04（mm）。检测方式：按内齿圈跨棒距M值进行检测，测出8个不同位置的M值，进行比对。　　　　　　　　　　
 
参考文献

 

1.【美】ANSI/AGMA2004-B89   (AGMA321.05修订本)

                                        《齿轮材料及热处理手册》

2.【苏】A•X•Иgpucol等著《齿轮传动零件的离子氮化》

3.  陈国民《对齿轮渗氮技术的评述》
                          2008年 全国齿轮氮化技术专题研讨会论文集

4.  杨钟胜《对矿用自卸车驱动桥轮边减速器的研究与制造》

                     汽车工艺与材料    2011  NO.10

 
　　作者：河北汇工机械设备有限公司  杨钟胜　　作者简介：杨钟胜（1946-），陕西西安人，1967年涉足重载齿轮的加工技术工作，至今在将近50年的技术生涯中与重载齿轮结下了不解之缘，现在河北汇工机械设备有限公司从事进口重载齿轮的国产化技术工作。先后在国内、外发表技术论文200多篇。现为：中国齿轮专业协会专家委员会委员；中国汽车工程学会矿用汽车分会专家委员会委员。先后主持起草中华人民共和国行业标准《重载齿轮渗碳热处理技术要求》、《车辆渗碳齿轮钢技术条件》。