【正文】 。（1）根據(jù)齒輪的性能要求來(lái)選擇（2）根據(jù)齒輪的承載能力來(lái)選擇(輕負(fù)荷，輕度或中度沖擊載荷)（3）根據(jù)齒輪的工作條件來(lái)選擇（4）根據(jù)材料的工藝性能（滲氮速度和處理溫度）根據(jù)以上選擇依據(jù)，我們選用40Cr作為我們的基體材料。鍛坯→預(yù)先熱處理→切削加工→離子氮化→精加工（一般不需要）齒輪在工作時(shí)的一般受力情況是齒輪通齒面接觸傳遞動(dòng)力，造成兩齒面在相對(duì)滑動(dòng)和動(dòng)中產(chǎn)生劇烈摩擦，并使齒面承受交變接觸應(yīng)力齒根承受交變彎曲應(yīng)力在齒輪啟動(dòng)、換檔和合不均勻時(shí)承受沖擊載荷[11]。因此，齒輪主要的失效形式是摩擦所引的齒面過(guò)度磨損和交變接觸壓應(yīng)力產(chǎn)生的表面觸疲勞破壞即疲勞磨損彎曲疲勞應(yīng)力和沖力所引起的疲勞斷裂或其他形式斷裂。FeN狀態(tài)圖是研究氮化層組織、相結(jié)構(gòu)及氮濃度沿滲層分布的一個(gè)重要的依據(jù)。上圖為FeN狀態(tài)圖，圖中有兩個(gè)共析反應(yīng)：在590℃，ωN%=%處，發(fā)生γ→ɑ+Fe4N(γ′)反應(yīng)；在650℃, ωN%=%處發(fā)生ε→γ+γ′反應(yīng)。鐵和氮在不同條件下可以形成五個(gè)相。(1)ɑ相。氮在ɑFe中的間隙固溶體，氮原子在ɑFe晶格中位居八面體間隙[12]。氮在ɑFe中最大溶解度在590℃時(shí)為ωN%=%。(2)γ相。氮在γFe中的間隙固溶體，即含氮奧氏體。相在590℃以上存在，在此溫度發(fā)生共析反應(yīng)γ→ɑ+γ′，共析點(diǎn)ωN%=%，在650℃時(shí)溶解度達(dá)到最大值，ωN%=%。γ相中，氮原子位于八面體間隙。(3)γ′相。成分可變的間隙相，在化合物中氮原子有序的占據(jù)由鐵原子組成的面心立方晶格的位置。它存在于ωN%=%～%，當(dāng)ωN%=%時(shí)，化合物為Fe4N。γ′相于680℃以上將發(fā)生分解，并溶于ε相中。(4)ε相。一種成分可變的氮化物（ωN%=%～%），它是以氮化物Fe（23）N為基的固溶體。在化合物中，氮原子有序的占據(jù)著有鐵原子組成的密排六方晶格的間隙位。(5)ξ相。是以Fe2N化合物為基的具有正角菱形點(diǎn)陣的間隙固溶體,ωN%=%～%之間變化。性脆，在500℃以上轉(zhuǎn)變成ε相。離子氮化：工件裝爐→抽真空（10pa）→接通電源（通入少量氣體起輝濺射，用輕微打弧除去工件表面贓物）→增加氣體流量→工件保溫（130~1060pa）→關(guān)閉閥門(mén)，切斷電源→降溫（200℃）→出爐 硬度和耐磨性工件經(jīng)滲氮后表面具有高的硬度，如38CrMoAlA鋼工件滲氮層硬度可達(dá)1200HV，遠(yuǎn)高于滲碳層表面的硬度，因此其耐磨性特別好。滲氮層的高硬度是由于合金氮化物彌散強(qiáng)化的作用[13]。氮化物具有很高的硬度，而且晶格常數(shù)比基體ɑFe大得多，當(dāng)它與基體保持共格聯(lián)系時(shí)，使ɑFe晶格產(chǎn)生很大的畸變，從而產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化效果。但當(dāng)它氮化溫度升高，氮化物長(zhǎng)大并和基體脫離共格聯(lián)系時(shí)，硬度將降低。加入多種合金元素的合金鋼比一種元素的合金鋼產(chǎn)生的畸變大，因此表現(xiàn)為具有較高的基體硬度。同事合金元素促使ɑFe能溶解更多的氮原子，使微觀(guān)應(yīng)力增大，硬度提高；氮化后的快冷使過(guò)飽和固溶體發(fā)生時(shí)效，也可增加基體的硬度。疲勞強(qiáng)度工件經(jīng)滲氮后大大提高了抗疲勞能力，這是由于滲氮層內(nèi)析出比容較大的氮化物相，產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力。表面殘余壓應(yīng)力的存在能部分抵消在疲勞載荷下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，延緩疲勞破壞過(guò)程，使疲勞強(qiáng)度顯著升高，并降低缺口敏感性。滲氮層越厚，疲勞抗力越大[14]。但若出現(xiàn)大量的脆性ε相會(huì)引起疲勞強(qiáng)度降低。因此從疲勞強(qiáng)度看。紅硬性滲氮層的抗回火能力一般可保持到氮化溫度，因此在500℃以下可長(zhǎng)期保持高硬度，短時(shí)間超過(guò)600℃，硬度不降低，若超過(guò)600～625℃，滲氮層中彌散分布的氮化物將發(fā)生聚集，基體組織將發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此硬度變下降。但即使加熱到900～1000℃硬度也不可能降低到未滲氮狀態(tài)的硬度。外觀(guān)正常的氮化零件表面應(yīng)呈銀灰色，若表面出現(xiàn)黃或藍(lán)等顏色，說(shuō)明在氮化或冷卻過(guò)程中零件表面被氧化[15]。在氮化后期產(chǎn)生的氧化層僅影響零件的外觀(guān)，不影響使用性能。滲層硬度測(cè)定用維氏硬度或表面洛氏硬度計(jì)測(cè)定滲氮層的表面硬度。為避免載荷過(guò)大壓穿氮化層，以及載荷過(guò)小使測(cè)量不準(zhǔn)確，可根據(jù)氮化層深度選擇負(fù)荷，見(jiàn)表一：表一：測(cè)量滲氮層表面硬度計(jì)負(fù)荷選用表滲氮層厚度/mm洛氏表面硬度計(jì)負(fù)荷/kN維氏硬度計(jì)負(fù)荷/kN﹤≤147≤147～≤294≤294＞588588滲氮層的脆性檢驗(yàn)滲氮層的脆性是根據(jù)維氏硬度計(jì)壓頭的棱錐在工件表面上的壓痕形狀來(lái)評(píng)定[16]。，對(duì)工件緩慢加載，卸去載荷后觀(guān)察壓痕狀況，依其邊緣的完整性將滲氮層脆性分為5級(jí)。1級(jí) 不脆，壓痕邊緣完整無(wú)缺2級(jí) 略脆，壓痕邊緣略有崩碎3級(jí) 壓痕邊緣崩碎較4級(jí)～5級(jí) 極脆，壓痕邊緣嚴(yán)重脆裂通常2級(jí)合格，5級(jí)不合格。但若經(jīng)擴(kuò)散處理或磨削后再次進(jìn)行脆性檢驗(yàn)，如符合2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)仍為合格。采用壓痕法主觀(guān)因素較多，目前應(yīng)用的更為客觀(guān)的方法是聲發(fā)射技術(shù)，通過(guò)測(cè)量滲氮試樣在彎曲或扭轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)第一根裂紋的撓度來(lái)定量描述脆性。滲氮層深度的測(cè)定從表面至與基體組織有明顯分界為止的距離為氮化層深度。其測(cè)量方法有斷口法、金相法、硬度法三種。斷口法是將帶缺口的試樣打斷，用25倍放大鏡進(jìn)行測(cè)量。由于氮化層組織較細(xì)呈現(xiàn)瓷狀斷口而心部組織較粗呈現(xiàn)塑性破斷的特征，因此能直接測(cè)出滲氮層的深度。此法方便迅速，但精度較低。金相法是利用滲氮層組織與心部組織抗腐蝕性能不同的特點(diǎn)測(cè)量滲氮層深度[17]。將金相試樣用3﹪～4﹪硝酸酒精溶液或4﹪苦味酸酒精溶液侵蝕后，在放大100或200倍的顯微鏡下，從試樣表面垂直方向測(cè)至與基體組織有明顯的分界處為止，此深度即為滲氮層深度。對(duì)于滲氮層顯微組織與擴(kuò)散層顯微組織無(wú)明顯分界線(xiàn)的試樣，可加熱至接近或略低于A(yíng)c1（700～800℃）的溫度，然后水淬，利用滲氮層含氮而使Ac1點(diǎn)降低的特點(diǎn)測(cè)定層深，此時(shí)滲層淬火成為抗蝕性能較好的的馬氏體組織，而心部為抗蝕性能較差的高溫回火組織。硬度法是將滲氮后的試樣從表面沿層深方向測(cè)得一系列硬度值，以上者皆可算在氮化層內(nèi)。金相組織檢查金相組織檢查包括滲氮層組織檢查和心部組織檢查兩部分。合格的滲氮組織應(yīng)是索氏體加氮化物，不應(yīng)有白色的針狀、脈狀、網(wǎng)狀及魚(yú)骨狀氮化物，否則會(huì)使?jié)B層變脆，剝落。最外層出現(xiàn)的ε脆性相應(yīng)磨去，合格的心部組織應(yīng)為回火索氏體組織（調(diào)制處理），不允許有大量游離鐵素體存在[18]。滲氮層硬度低產(chǎn)生硬度低的原因是氮化溫度過(guò)高；氨分解率偏高或中斷氨氣供給的時(shí)間太長(zhǎng)；使用新的氮化罐或氮化罐久用未退氮，從而提高了氨分解率；不合理裝爐，造成氣流不均勻，使部分零件氮化不良；零件調(diào)質(zhì)后心部硬度太低等，可采取相應(yīng)的預(yù)防措施[19]。例如，合理確定和控制氮化工藝溫度；加強(qiáng)對(duì)氨分解率的測(cè)定和控制；在使用新氮化罐時(shí)，注意適當(dāng)加大氨氣流量；氮化罐使用10爐左右進(jìn)行一次退氮處理；預(yù)備熱處理時(shí)，適當(dāng)降低調(diào)質(zhì)回火溫度，以提高零件心部硬度。除了因氮化溫度偏高及調(diào)質(zhì)心部硬度太低外，其他原因產(chǎn)生的氮化層硬度低均可通過(guò)補(bǔ)充氮化來(lái)補(bǔ)救。補(bǔ)充氮化的工藝是510℃、10h氮化，氨分解率20%～30%。滲氮層淺氮化層深度不足的原因是：氮化溫度偏低；保溫時(shí)間太短；氨分解率過(guò)高或過(guò)低；使用了新的氮化罐或夾具；工件之間距離太近等。針對(duì)以上原因可采取相應(yīng)的預(yù)防措施，例如，對(duì)新用的氮化罐或夾具，一定要空爐氮化一兩次后再使用；嚴(yán)格控制溫度、時(shí)間、氨分解率等工藝參數(shù)。補(bǔ)償措施是進(jìn)行一次補(bǔ)充氮化，其工藝應(yīng)根據(jù)氮化層已達(dá)到的深度及表面硬度等具體情況而定。如表面硬度很高，補(bǔ)充氮化溫度可高些，時(shí)間則可短些；反之，則應(yīng)用較低的溫度，保溫時(shí)間按具體情況而定。工件表面硬度不均勻滲氮層硬度不均勻是指零件局部表面有軟點(diǎn)或面積不等的軟塊[20]。產(chǎn)生的原因是爐內(nèi)溫度不均勻或爐內(nèi)進(jìn)氣管道上部分進(jìn)氣孔堵塞，造成氣流分布不均勻；零件表面有銹斑、油污；裝爐量太大，零件彼此間距太小；綁扎鐵絲上的鋅或鍍錫層（防止?jié)B氮）流淌到氮化面上，補(bǔ)救辦法是重新進(jìn)行氮化。氮化層脆性大或氣泡脫落氮化層脆性大產(chǎn)生的原因是液氨含水量高，造成脫碳；氮化前工件表面脫碳層未全部加工掉；氨分解率過(guò)低，氨濃度太高，退氮不當(dāng)；工件有尖角、銳邊，表面太粗糙等。挽救的方法是進(jìn)行一次退氮處理（500～520℃，3～5h，氨分解率80%）；磨掉白亮層；在20%NaCN溶液中，于60～80℃浸煮68h，去掉白亮層。工件變形大產(chǎn)生工件變形的原因是零件氮化前機(jī)械加工或預(yù)備熱處理的殘余應(yīng)力未徹底消除；零件形狀復(fù)雜，厚薄尺寸相差懸殊，有易變形的尖角、棱角等；氮化技術(shù)要求不合理，要求滲層太深或不均勻的局部氮化；氮化溫度過(guò)高或不均勻，氮化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；出爐過(guò)早；升降溫過(guò)快或氨氣流量不穩(wěn)定等都會(huì)導(dǎo)致變形增大。對(duì)于尺寸要求不高的零件可以進(jìn)行熱校，但校直后必須進(jìn)行消除應(yīng)力處理。表面氧化氮化罐漏氣，氮化罐中有空氣侵入；出爐溫度太高，在300℃以上出爐，零件表面發(fā)生氧化；氮化后過(guò)早停止通氨，罐內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，吸入了空氣；氨液含水量超過(guò)了規(guī)定的要求或干燥劑失效，有過(guò)多的水分進(jìn)入罐內(nèi)造成氧化，進(jìn)氣管道內(nèi)積存了水分，進(jìn)入罐內(nèi)導(dǎo)致氧化等。表面氧化一般沒(méi)有什么影響，對(duì)要求高的零件可再進(jìn)行一次3h的氮化處理，因氨分解的氫使工件表面上的氧化物還原，從而使氧化色消除。氮化層不致密、抗蝕性差產(chǎn)生氮化層不致密、抗蝕性差的原因是表面氨濃度太低，工件表面有銹斑。對(duì)抗蝕氮化的工件可再進(jìn)行一次氮化。滲層中出現(xiàn)網(wǎng)狀或波紋狀氮化物氮化溫度過(guò)高、氨氣含水量多、調(diào)質(zhì)淬火溫度過(guò)高所造成的晶粒粗大以及零件尖角或銳邊處，都會(huì)導(dǎo)致在擴(kuò)散層中形成波紋狀及網(wǎng)狀氮化物[21]。這種組織的出現(xiàn)，嚴(yán)重影響氮化質(zhì)量，使氮化層脆性增加，極易剝落，可用擴(kuò)散處理方法予以減輕。針狀或魚(yú)骨狀氮化物產(chǎn)生針狀或魚(yú)骨狀氮化物的原因是工件表面有脫碳層、氨氣含水量高造成脫碳或氮化前鋼內(nèi)已有大塊鐵素體或上貝氏體組織。針狀或魚(yú)骨狀氮化物增加滲層脆性。滲碳和滲氮最大的區(qū)別就是介質(zhì)不同，適用的鋼也不同，滲碳適用于低碳鋼，滲氮適用于中碳鋼。滲碳：滲碳是目前應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)熱處理方法。它是滲碳介質(zhì)在工件表面產(chǎn)生的活性碳原子，經(jīng)過(guò)表面吸收和擴(kuò)散，將碳滲入低碳鋼或低碳合金鋼工件表層，使其達(dá)到共析或略高于共析成分時(shí)的含碳量，以便將工件淬火和低溫回火后，其表層的硬度、強(qiáng)度，特別是疲勞強(qiáng)度和耐磨性，較心部都有顯著的提高，而心部仍保持一定的強(qiáng)度和良好的韌性[22]。滲氮：將氮滲入鋼件表面的熱處理工藝稱(chēng)為鋼的氮化或滲氮。特點(diǎn)：氮化能使鋼件表面獲得比滲碳更高的表面硬度（可高達(dá)HV950~1200）、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、紅硬性及抗咬合性。氮化在鋼件表面形成穩(wěn)定的化合物層，所以氮化還可以提高鋼件的抗蝕性。氮化溫度低，一般480~600℃，常用560℃，而且氮化后通常爐冷，因此氮化后工件變形很小。氮化周期長(zhǎng)，一般幾十甚至上百小時(shí)、成本高、氮化層較薄，、且脆性較高，使氮化件不能承受太高的接觸應(yīng)力和沖擊載荷。得益于近年來(lái)汽車(chē)、風(fēng)電、核電行業(yè)的拉動(dòng)，汽車(chē)齒輪加工機(jī)床、大規(guī)格齒輪加工機(jī)床的需求增長(zhǎng)變得十分耀眼。而齒輪機(jī)床是機(jī)床工業(yè)公認(rèn)技術(shù)含量最高、零部件最多、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的產(chǎn)品之一。但一度我國(guó)齒輪機(jī)床行業(yè)處在一個(gè)十分尷尬的境地。過(guò)去我國(guó)機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)在技術(shù)上相對(duì)落后，普遍缺乏自主創(chuàng)新能力及關(guān)鍵、核心技術(shù)支撐，其產(chǎn)品主要以生產(chǎn)低端產(chǎn)品為主，缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，在數(shù)控機(jī)床質(zhì)量的穩(wěn)定性、可靠性、耐用性上同國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品相比存在明顯差距?；谏鲜銮闆r，結(jié)合我校所具備的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件，選定本論文的研究?jī)?nèi)容為：利用離子氮化技術(shù)對(duì)齒輪進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，分析離子氮化對(duì)齒輪的表面性能的影響；對(duì)離子氮化后的齒輪進(jìn)行組織形貌、厚度、成分、硬度、抗氧化性能、抗腐蝕性能進(jìn)行分析。第二章 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及條件機(jī)床齒輪的性能不僅取決于基材的常規(guī)工藝操作，也取決于后期的特殊工藝操作，如離子氮化及離子氮化工藝參數(shù)的設(shè)置。所以對(duì)材料的選擇及工藝的選擇非常重要?；w材料為40Cr，氮源為氨氣 預(yù)先熱處理調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)熱加工后，必須經(jīng)過(guò)預(yù)備熱處理來(lái)降低硬度，便于切削加工，消除熱加工時(shí)造成的組織缺陷，細(xì)化晶粒，改善組織，為最終熱處理做好準(zhǔn)備。對(duì)于40Cr 鋼而言，可進(jìn)行正火或退火處理。最終熱處理調(diào)質(zhì)鋼的最終熱處理是淬火加高溫回火[23]。一般可以采用較慢的冷卻速度淬火，可以用油淬以避免熱處理缺陷。當(dāng)強(qiáng)度較高時(shí)，采用較低的回火溫度，反之選用較高的回火溫度。本次實(shí)驗(yàn)是將40Cr在840~860℃下淬火，然后油冷，最后在500~540℃回火。離子氮化處理離子氮化，又稱(chēng)輝光滲氮，是利用輝光放電原理進(jìn)行的。離子滲氮是在充以含氮?dú)怏w的低真空爐體內(nèi)把金屬工件作為陰極爐體為陽(yáng)極，通電后介質(zhì)中的氮?dú)湓釉诟邏褐绷麟妶?chǎng)下被電離，在陰陽(yáng)極之間形成等離子區(qū)。在等離子區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)作用下，氮和氫的正離子高速向工件表面轟擊。離子的高動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，加熱工件表面至所需溫度。由于離子的轟擊，工件表面產(chǎn)生原子濺射，因而得到凈化，同時(shí)由于吸附和擴(kuò)散作用，氮遂滲入工件表面，離子滲氮裝置見(jiàn)圖一[24]。爐子的工藝參數(shù)為溫度550℃，氣氛是分解氨。離子滲氮屬于等離子熱處理的范疇，也是滲氮化學(xué)熱處理中的一種。它是利用稀薄氣體輝光放電形成活性氮離子，在直流電場(chǎng)中對(duì)工件進(jìn)行熱處理的一種表面改性技術(shù)。相比于氣體滲氮，離子滲氮具有清潔無(wú)公害、滲速快、節(jié)能省氣、畸變小、滲層組成可調(diào)、處理溫度范圍廣( 從 380 ～ 850 ℃) 等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用于碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、工模具鋼、不銹鋼、球墨鑄鐵、灰口鑄鐵、鈦合金、粉末冶金等材料的表面強(qiáng)化。離子滲氮過(guò)程中，離子滲氮作為強(qiáng)化金屬表面的一種化學(xué)熱處理方法，廣泛適用于鑄鐵、碳鋼、合金鋼、不銹鋼及鈦合金等。零件經(jīng)離子滲氮處理后，可顯著提高材料表面的硬度，使其具有高的耐磨性、疲勞強(qiáng)度，抗蝕能力及抗燒傷性等。同時(shí)，在離子滲氮過(guò)程中，也存在一些缺陷，例如，硬度偏低、硬度和滲層不均勻、變形超差、外觀(guān)質(zhì)量差、脈狀氮化物等[2