【正文】 ...... 5 齒輪材料的選擇 ............................................... 5 齒輪材料的的加工過程 ......................................... 6 機(jī)床齒輪的服役條件 ........................................... 6 離子氮化工藝 ...................................................... 6 離子氮化的原理 ............................................... 6 離子氮化的工藝過程 ........................................... 7 滲氮層的性能 ................................................. 7 滲氮層的質(zhì)量檢驗(yàn) ............................................. 8 氮化件常見的缺陷及預(yù)防 ....................................... 9 離子氮化與離子滲碳的區(qū)別 .................................... 11 課題研究意義及主要內(nèi)容 ........................................... 11 第二章 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及條件 .................................................. 13 試樣的制備 ....................................................... 13 齒 輪材料的選擇 .............................................. 13 齒輪材料的制備過程 .......................................... 13 齒輪材料的的性能表征 ............................................. 14 齒輪材料表征所用儀器 ........................................ 14 原始試樣及滲氮層的組織形貌及成分分析 ........................ 15 原始試樣及滲氮層的硬度測量 .................................. 16 原始試樣及滲氮層的耐 磨性的測量 .............................. 17 第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 .................................................. 19 原始試樣及調(diào)質(zhì)后試樣的組織形貌分析 ............................... 19 原始試樣及離子滲氮試樣成 分及組織分析 ............................. 19 原始試樣及滲氮層成分分析 .................................... 19 IV 原始試樣及滲氮層組織分析 .................................... 21 原始試樣及離子滲氮 試樣的硬度比較 ................................. 22 原始試樣及離子滲氮試樣耐磨性的比較 ............................... 23 結(jié) 論 .................................................................. 26 參考文獻(xiàn) ................................................................ 27 致 謝 ................................................................. 29 附錄一 英文翻譯原文 .................................................... 30 附錄二 英文翻譯 ........................................................ 45 1 第一章 文獻(xiàn)綜 述 引言 得益于近年來汽車、風(fēng)電、核電行業(yè)的拉動(dòng) ， 汽車齒輪加工機(jī)床、大規(guī)格齒輪加工機(jī)床 需求 的 增長變得十分耀眼。 關(guān)鍵詞 ： 離子滲氮；顯微組織；硬度；耐磨性； II ION NITRIDING ON the MICROSTRUCTURE AND PERFORMANCE of the MACHINE GEAR STEEL Abstract Due 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 anization 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。 針對 齒輪在運(yùn)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(huì)導(dǎo)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(shí)驗(yàn) 采用離子氮化工藝 ，然后 利用 金相 顯微鏡 、 顯微硬度計(jì)、 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(jìn)行 測定、分析、比較。 microstructure。隨著齒輪加工機(jī)床需求的增加 ， 近年來涉及齒輪加工機(jī)床制造的企業(yè)也日益增多。過去我國機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)在技術(shù)上相對落后 ， 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 ， 缺乏競爭力 ， 在數(shù)控機(jī)床質(zhì)量的穩(wěn)定性、可靠性、耐 用性上同國外先進(jìn)產(chǎn)品相比存在明顯差距。 裝備制造業(yè)的發(fā)達(dá)程度是衡量一個(gè)國家工業(yè)化 階段的重要標(biāo)準(zhǔn) ， 而齒輪加工裝備業(yè)又是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ) 行業(yè)，是“支柱的支柱”。 機(jī)床齒輪的研究現(xiàn)狀 中國的研究現(xiàn)狀 我國齒輪加工裝備業(yè)經(jīng)過 50 多年的發(fā)展，形成了門類齊全、具有相當(dāng)規(guī)模和一定水平的產(chǎn)業(yè)體系，成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支 柱產(chǎn)業(yè)。從 20xx 年開始，中國已連續(xù) 8 年成為世界第一大機(jī)床消費(fèi)國和第一大機(jī)床進(jìn)口國。通過對世界機(jī)床行業(yè)現(xiàn)狀的分析，可以為我國機(jī)床行業(yè)及機(jī)床企業(yè)發(fā)展提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn) [3]。但由于選材和加工工藝的不同，齒輪的硬度、耐磨性、強(qiáng)度、韌性差異很大。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(shí)現(xiàn)。 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(jìn)行磨削加工工藝，降低因加 工刀痕所造成的應(yīng)力集中，留有足夠的過渡圓，可有效減小應(yīng)力集中，避免齒輪因接觸應(yīng)力過大而疲勞失效。 各種典型齒輪故障及其特征 齒輪故障很多 ， 在齒輪的運(yùn)轉(zhuǎn)中 ， 由于制造與安裝的不良 ， 而造成內(nèi)圓軸線與齒輪不同心不對中 ， 以及大型齒輪的動(dòng)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(diǎn)蝕、磨損及斷齒等失效形式 。 ㈡ 齒面磨損 磨損失效在齒輪的失效中占的比重很大。齒面磨損為均勻磨損時(shí)由于無沖擊的振動(dòng)產(chǎn)生 ， 不會(huì)出現(xiàn)明顯調(diào)制現(xiàn)象 ； 當(dāng)磨損發(fā)展到一定的程度時(shí) ， 嚙合 頻率和高次諧波幅值明顯增大。疲勞裂紋不斷延伸 ， 擴(kuò)展 ， 最終使小塊金屬脫落 ， 形成了小凹坑。 ㈣ 斷齒 從統(tǒng)計(jì)數(shù)字上來看 ， 斷齒的失效也占有一定比 例， 斷裂是導(dǎo)致齒輪斷齒失效的重要因素其一。進(jìn)口產(chǎn)品幾乎都是高檔數(shù)控機(jī)床（包括成套生產(chǎn)線）。我國金屬切削機(jī)床產(chǎn)品產(chǎn)量中車床、鉆床、銑床和磨床的比例較高，而加工中心的產(chǎn)量僅占金切機(jī)床產(chǎn)量的 %，與機(jī)床強(qiáng)國之間的差距非常大。 第四、 產(chǎn)業(yè)集中度不高。 齒輪質(zhì)量改進(jìn)的幾點(diǎn)建議 ㈠ 加強(qiáng)裝配的控制 （ 1） 在裝配時(shí)加強(qiáng) 嚙合間隙的控制 ， 調(diào)整螺旋傘 ， 并且用塞尺 驗(yàn)。 （ 3） 裝配時(shí)涂高強(qiáng)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(jìn)與承受強(qiáng)烈振動(dòng) ， 有效地防止了螺紋松動(dòng)現(xiàn)象。 離子氮化工藝 離子氮化的原理 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)。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]。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%=%。它存在于 ωN%=%～ %， 當(dāng) ωN%=%時(shí)， 化合物為 Fe4N。 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 。 離子氮化的工藝過程 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，切斷電源 → 降溫（ 200℃ ） → 出爐 滲氮層的性能 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。 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。滲氮層越厚，疲勞抗力越大 [14]。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。為避免載荷過大壓穿氮化層，以及載荷過小使測量不準(zhǔn)確，可根據(jù)氮化層深度選擇負(fù)荷，見表 一 ： 表 一 ：測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 ＞ 588 588 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 狀來評定 [16]。 采用壓痕法主觀因素較多，目前應(yīng)用的更為客觀的方法是聲發(fā)射技術(shù)，通過測量滲氮試樣在彎曲或扭轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)第一根裂紋的撓度來定 量描述脆性。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，因此能直接測出滲氮層的深度。對于滲氮層顯微組織與擴(kuò)散層 顯微組織 無明顯分界線的試樣，可加熱至接近或略低于 Ac1（ 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。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]。補(bǔ)充氮化的工藝是 510℃ 、 10h 氮化，氨分解率 20%～ 30%。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。 挽救的方法是進(jìn)行一次退氮處理（ 500～ 520℃ ， 3～ 5h，氨分解率 8