【正文】 離子滲氮對機床齒輪用鋼顯微組織及性能的影響摘 要由于近年來汽車、風電、核電行業(yè)的拉動,齒輪的需求量大幅度增加，因而近年來涉及齒輪加工機床制造的企業(yè)也日益增多。針對齒輪在運行過程中出現(xiàn)的磨損，斷齒，精度下降等一系列問題，頻繁更換齒輪會導致工作效率下降，成本提高，因而，改善齒輪本身的性能才是根本解決途徑。本實驗采用離子氮化工藝，然后利用金相顯微鏡、顯微硬度計、X射線衍射儀對原始試樣的表層和滲氮層的成分，顯微組織，硬度及摩擦系數(shù)進行測定、分析、比較。實驗結果表明，離子滲氮后滲氮層的組織為回火索氏體和氮化物，心部組織為回火索氏體。離子滲氮工藝使得機床齒輪用鋼獲得更高的表面硬度，強度；離子滲氮工藝使得機床齒輪的耐磨性提高。關鍵詞：離子滲氮；顯微組織；硬度；耐磨性； ION NITRIDING ON the MICROSTRUCTURE AND PERFORMANCE of the MACHINE GEAR STEELAbstractDue to the growth of the automobile, the wind power, nuclear power industry in recent years leads to a substantial increase in the demand of gear, which increases the gear processing machine manufacture enterprise. In order to solve the problems of wear, broken teeth, precision decline, frequent replacement of the gear , low efficiency and high costs, we should improve the performance of the gear itself ,which is the fundamental solution. Ion nitriding has been used in this experiment and we use the metallographic microscope, micro hardness tester, X ray diffraction to measure , analyse and pare the surface of microstructure, hardness and friction coefficient of the original sample and the nitriding layer .The results show that the organization of the surface of the sample after plasma nitriding is tempered sorbite and nitrides，meanwhile ,the inner region of material is tempered sorbite. The ion nitriding process makes the machine gear steel to obtain a higher surface hardness, strength,and increase the wear resistance .Key words: ion nitriding。 microstructure。 hardness。 wear resistance。目錄摘 要 IAbstract II第一章 文獻綜述 1 1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 5 5 5 6 6 6 6 7 7 8 9 11 11第二章 實驗內容及條件 13 13 13 13 14 14 15 16 17第三章 實驗結果及分析 19 19 19 19 21 22 23結 論 26參考文獻 27致 謝 29附錄一 英文翻譯原文 30附錄二 英文翻譯 45IV第一章 文獻綜述得益于近年來汽車、風電、核電行業(yè)的拉動，汽車齒輪加工機床、大規(guī)格齒輪加工機床需求的增長變得十分耀眼。隨著齒輪加工機床需求的增加，近年來涉及齒輪加工機床制造的企業(yè)也日益增多。眾所周知，齒輪是最基礎的機械傳動元件，量大面廣。而齒輪機床是機床工業(yè)公認技術含量最高、零部件最多、結構最復雜的產品之一。但一度我國齒輪機床行業(yè)處在一個十分尷尬的境地。過去我國機床生產企業(yè)在技術上相對落后，普遍缺乏自主創(chuàng)新能力及關鍵、核心技術支撐，其產品主要以生產低端產品為主，缺乏競爭力，在數(shù)控機床質量的穩(wěn)定性、可靠性、耐用性上同國外先進產品相比存在明顯差距。但我國機床行業(yè)沒有停步，一直在努力中，雖有差距但市場的需求是勢不可擋的。齒輪加工是裝備制造業(yè)的基礎行業(yè)，是向傳統(tǒng)機械工業(yè)、國防工業(yè)、汽車工業(yè)、航空航天工業(yè)、電子信息技術工業(yè)以及其他加工工業(yè)提供加工裝備的部門，其中，各種齒胚加工機床、制齒機床、精密齒輪磨床等齒輪加工機床是齒輪加工裝備業(yè)中的核心。由于齒輪機床行業(yè)處于成熟，產業(yè)集中度不高，國內外競爭者眾多，行業(yè)競爭十分激烈，確定一種正確而又切實際可行的發(fā)展戰(zhàn)略就成為必然選擇[1]。裝備制造業(yè)的發(fā)達程度是衡量一個國家工業(yè)化階段的重要標準，而齒輪加工裝備業(yè)又是裝備制造業(yè)的基礎行業(yè)，是“支柱的支柱”。在振興裝備制造業(yè)必須首先發(fā)展機床制造業(yè)，在一般的機器制造中，齒輪機床所擔負的加工工作量占制造機器工作量40%－60%。沒有齒輪加工行業(yè)的振興，就沒有真正意義上的裝備制造業(yè)的振興。因此，齒輪加工行業(yè)在國民經濟現(xiàn)代化的建設中起著重大作用，關系到國防安全和國民經濟的發(fā)展全局。我國齒輪加工裝備業(yè)經過50多年的發(fā)展，形成了門類齊全、具有相當規(guī)模和一定水平的產業(yè)體系，成為我國經濟發(fā)展的重要支柱產業(yè)。我國齒輪機床行業(yè)的現(xiàn)狀可以用以下幾點概括：第一、產業(yè)規(guī)模不斷擴大，主要經濟指標連續(xù)8年實現(xiàn)高速增長。雖然金融危機對中國的市場需求有影響，但是并沒有從根本上改變全行業(yè)持續(xù)快速發(fā)展總的態(tài)勢。第二、我國在世界齒輪機床行業(yè)中的地位也在顯著提升。從2002年開始，中國已連續(xù)8年成為世界第一大機床消費國和第一大機床進口國。2009年，在全球齒輪機床產業(yè)因受金融危機影響出現(xiàn)負增長的特殊背景下，全行業(yè)的工業(yè)總產值已由全球第三位躍居至首位，從而成為世界第一大機床生產國[2]。隨著世界經濟的增長，世界齒輪加工裝備業(yè)在金融危機之前一直以高速度發(fā)展，2009年受金融危機影響，齒輪機床行業(yè)的生產和消費都出現(xiàn)嚴重下滑。隨著世界經濟的回暖，目前世界齒輪機床行業(yè)也開始慢慢復蘇。通過對世界機床行業(yè)現(xiàn)狀的分析，可以為我國機床行業(yè)及機床企業(yè)發(fā)展提供了可借鑒的經驗[3]。無論是傳統(tǒng)的汽車、船舶、航空航天、軍工等行業(yè)，還是近年來新興的高裝備鐵、鐵路、電子等行業(yè)，都對機床工具行業(yè)的快速發(fā)展提出了緊迫需求，這就對齒輪加工機床制造商提出了新的要求，現(xiàn)在一些企業(yè)已經應時而動，積極調整產業(yè)結構，不斷拓展產品應用領域，向熱門行業(yè)提供高速、高穩(wěn)定性、高精度的機床新品，滿足行業(yè)所需。各行業(yè)對于齒輪加工機床的需求是十分大的，企業(yè)只有抓住這些機才能更上一層樓。齒輪在運行過程中，嚙合齒面之間既有滾動，又有滑動，而且齒輪根部還將受到交變彎曲應力的作用，要求齒輪表面有較高的硬度及耐磨性，心部具有較好的強韌性。但由于選材和加工工藝的不同，齒輪的硬度、耐磨性、強度、韌性差異很大。為了保證齒輪的正常工作，齒輪應具備以下主要性能：①高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。除材料本身性能外，還可依靠齒輪的表面強化處理來實現(xiàn)。②齒面具有高的硬度和耐磨性，以防止粘著磨損和磨粒磨損。耐磨性的提高，主要依靠提高表面硬度和降低摩擦因數(shù)來實現(xiàn)。③齒輪心部具有足夠的強度和韌性，以提高齒輪的承載能力。此外還要求齒輪具有高的傳動精度，材料具有較好的切削加工性及熱處理工藝性等。對于機床齒輪，由于其精度要求高，機床齒輪精度一般為6～8級（中、低速）和8～12級（高速）則它的表面硬度和耐磨性就必須達到更高的要求[4]。提高齒輪抗彎曲疲勞能力，可以采用提高齒輪造精度的方法，如對齒的根部進行磨削加工工藝，降低因加工刀痕所造成的應力集中，留有足夠的過渡圓，可有效減小應力集中，避免齒輪因接觸應力過大而疲勞失效。齒輪精度是指對齒輪形狀的綜合誤差所劃分的一個等級，其中包括齒形、齒向、徑跳等一些重要的參數(shù)，其中齒形是指齒的徑向形狀，齒向是指齒的縱向形狀，徑跳是指相鄰兩齒間距離的誤差，一般我們汽車用的齒輪可由滾齒機加工完成，6~7級便可使用，而一些印刷機由于需要高速運轉和批量印刷，故需要高精度齒輪以減小齒輪累計所造成的誤差而使印刷效果下降，而國內生產的磨齒機可加工至4~5級，國外進口的高精度磨齒機可加工至3~4級，更有一些可以加工至2級。而日本標準DIN 0級相當于中國評判的4級，一般誤差以μm為單位，1μm=.鋼中加入可以形成保護膜的鉻、鎳、鋁、鈦；改變電極電位的銅以及改善晶間腐蝕的鈦、鈮等，可以提高耐腐蝕性[5]。鋼鐵，特別是鈑金的常用表面處理：加入鉻，表面會很光亮，切忌六價鉻，一般作為外露金屬件的鍍層，很美觀。齒輪故障很多，在齒輪的運轉中，由于制造與安裝的不良，而造成內圓軸線與齒輪不同心不對中，以及大型齒輪的動不平衡，由于齒面間承受著交變載荷，引起的齒面剝落、膠合、點蝕、磨損及斷齒等失效形式。1 塑性變形齒面產生的塑性變形，主要是因為硬化層較薄或心部基體較軟，齒面硬度偏低，在過載或者沖擊負荷較大情況下而造成的變形。變形較大時，時域中通常會明顯的出現(xiàn)以一定時間為間隔的沖擊振動，邊帶數(shù)量密而且多[6]。變形較小時，頻譜中主要以齒輪嚙合頻率和諧波為載波頻率，齒輪所在軸轉頻為調制間隔的邊帶成分，但其數(shù)量稀少。2 齒面磨損磨損失效在齒輪的失效中占的比重很大。齒輪運轉速度過高或者過低均可能導致齒面早期的磨損失效。這是齒輪在運轉的過程中，周圍環(huán)境較差，混入硬質顆粒，因而造成嚴重磨粒磨損，引起磨損，使表面不能形成良好的油膜，金屬間直接接觸，而出現(xiàn)早期的磨損失效[7]。在大型的重載開式齒輪中，失效原因基本上都是磨損失效。齒面磨損為均勻磨損時由于無沖擊的振動產生，不會出現(xiàn)明顯調制現(xiàn)象；當磨損發(fā)展到一定的程度時，嚙合頻率和高次諧波幅值明顯增大。同時，振動能量大幅增加。3 齒面嚴重點蝕齒面疲勞是造成齒面的嚴重點蝕的重要原因。齒輪在嚙合的過程中，受到周期性的變化接觸應力作用，當接觸應力超過次表面材料的極限應力或者超過輪齒工作表面時，就會在相應的部位產生微小的疲勞裂紋。疲勞裂紋不斷延伸，擴展，最終使小塊金屬脫落，形成了小凹坑。由于接觸疲勞所造成的點蝕多而出現(xiàn)在節(jié)點以下的齒面部位，因為在該部位齒輪的滑動和滾動方向相反。齒面的硬化層的深度與硬度和接觸疲勞強度有著密切的聯(lián)系，通過提高齒面的硬度辦法來提高齒面的抗點蝕能力。齒面的點蝕在頻域表現(xiàn)為：在嚙合頻率與高次諧波附近存在以點蝕，齒輪所在軸的轉頻為調制的邊頻，但調質邊頻帶數(shù)量稀少。4 斷齒從統(tǒng)計數(shù)字上來看，斷齒的失效也占有一定比例，斷裂是導致齒輪斷齒失效的重要因素其一。由斷裂引起的斷齒主要發(fā)生在齒根部位，齒輪斷齒時振動信號有很大的沖擊振動。頻率的成分主要有斷齒軸的諧波與嚙合頻率、轉頻以及在嚙合頻率與諧波附近存在的以斷齒軸轉頻為間隔調質邊頻帶。 盡管取得了上述種種成績，但國產數(shù)控機床仍遠不能滿足機床消費結構日益升級的，迄今中國機床市場上“高端失守、低端混戰(zhàn)”的局面尚未得到根本轉變，目前中國機床產業(yè)僅僅在規(guī)模方面具有相對比較優(yōu)勢，與機床制造強國相比較，在結構、水平、研發(fā)和服務能力等方面都還存在明顯的差距，具體表現(xiàn)在以下幾方面：第一、低端產品產能過剩導致價格戰(zhàn)，高端產品主要依賴進口。進口產品幾乎都是高檔數(shù)控機床（包括成套生產線）。由此可見，國產機床在高端產品的供應仍不能滿足國內市場的需求，國產機床產品大多屬于中低端產品，這也是我國齒輪機床行業(yè)出現(xiàn)結構性矛盾的主要原因。第二、高性能數(shù)控系統(tǒng)和功能部件的發(fā)展滯后于主機，并已成為制約數(shù)控機床產業(yè)發(fā)展的瓶頸。從產品構成情況來看，高檔數(shù)控機床所占比重低。我國金屬切削機床產品產量中車床、鉆床、銑床和磨床的比例較高，%，與機床強國之間的差距非常大。數(shù)控金屬切削機床產量中車床、特殊加工機床、加工中心、銑床、磨床的占比相對較高，數(shù)控車床的比例更是高達一半以上。第三、自主創(chuàng)新能力不強。在一些關鍵的共性技術上與發(fā)達國家還有不小差距，而且企業(yè)在產品研發(fā)和技術創(chuàng)新方面投入的精力還不夠，目前國內機床企業(yè)一直在嘗試產學研的研發(fā)體系建設，但是還處于探索階段。第四、產業(yè)集中度不高。企業(yè)多而散，全行業(yè)企業(yè)多達5944家；主機企業(yè)大而不強，小而不精；配套能力弱，產業(yè)分工不清晰；與數(shù)控機床產業(yè)快速發(fā)展相適應的產業(yè)鏈體系還不夠完善。第五、高端人才匱乏，尤其是缺少高端數(shù)控機床、數(shù)控系統(tǒng)和功能部件研發(fā)的領軍人才；缺少高級技工；缺少具有國際化視野的復合型管理人才[8]。目前，高端人才不足已成為制約數(shù)控機床產業(yè)快速、可持續(xù)發(fā)展的深層次原因。 ㈠加強裝配的控制（1）在裝配時加強嚙合間隙的控制，調整螺旋傘，并且用塞尺驗。（2）調整螺旋傘齒輪嚙合的印痕，用涂紅丹粉的方法檢驗從動螺旋傘齒輪的嚙合印痕該為：齒面接觸斑點沿齒高方向長度為全齒高的37%—60%，距小端齒長7%—15%，非工作凹面的接觸斑點控制在齒的中部[9]。㈡結構改進改進螺栓的防松方式 ，引進高強度的螺栓防松:（1）改變差速器聯(lián)接螺栓和從動螺旋傘齒輪的結構，取消軸承座固定的螺栓串聯(lián)鐵絲防松結構，同時又取消開口銷鎖緊結構，全部使用高強度螺栓[10]。（2）采用高強度的墊圈。（3）裝配時涂高強度螺紋鎖固劑，螺紋鎖固劑可用于沖擊的螺紋件的鎖固，通過改進與承受強烈振動，有效地防止了螺紋松動現(xiàn)象