【正文】 0. 001 ～ 10 nm 之間，與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元尺寸在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，這決定了 X 射線技術(shù)能夠成為物質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要分析手段之一。 XRD 特別適用于晶態(tài)物質(zhì)的物相分析。 目前， X 射線粉末衍射技術(shù)（ XRD）已發(fā)展成為最重要的材料分析測(cè)試技術(shù)之一，它具有操作簡(jiǎn)便、迅速、信息全面、樣品用量少、對(duì)樣品無(wú)損害、無(wú)污染、衍射強(qiáng)度準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。表層為白色氮化物層 (ε 相 )，次表層侵蝕后變黑，是氮化擴(kuò)散層，在 ε 相和擴(kuò)散層之間常有白色的脈狀分布的氮化物組織，由于氮濃度的增加，脈狀組織可以變粗，甚至形成網(wǎng)狀 [28]。 原始試樣及滲氮層的組織形貌及成分分析 滲氮層的宏觀形貌和顯微組織是滲氮層組織的重要性能之一，也是影響材料性能的最重要的因素。 X 射線衍射儀 X 射線衍射儀是利用 衍射 原理 ,精確測(cè)定物質(zhì)的 晶體結(jié)構(gòu) ,織構(gòu)及應(yīng)力 ,精確的進(jìn)行物相分析 ,定性分析 ,定量分析 ,廣泛應(yīng)用于冶金 、 石油 、 化工 、 科研 、 航空航天 、 教學(xué) 、 材料生產(chǎn)等領(lǐng)域 。 15 顯微硬度計(jì) HXS1000Z 顯微硬度計(jì)是測(cè)定金屬、合金表面層及金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的顯微 硬度，測(cè)定用其他方法所不能及的小件、薄件、脆硬件以及相夾雜、鍍層等的硬度 [25]。 金相顯微鏡 金相顯微鏡用于鑒別和分析各種材料內(nèi)部的組織。 齒輪材料表征所用儀器 金相試樣拋光 機(jī) 金相試樣的制備是通過(guò)切割機(jī)、鑲嵌機(jī)、磨 /拋光機(jī)來(lái)完成的，金相試樣的最終質(zhì)量是由拋光工序決定的，拋光是金相制樣過(guò)程中至關(guān)重要的一環(huán)。而在實(shí)際使用中，對(duì)齒輪的性能要求很高。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。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。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 ，離子滲氮裝置見圖一 [24]。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。 離子氮化處理 離子氮化， 又稱輝光滲氮，是利用輝光放電原理進(jìn)行的。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。 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]。 齒輪材料的選擇 基體材料 為 40Cr，氮 源為氨 氣 齒輪材料的制備過(guò)程 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。 13 第二章 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及條件 試樣的制備 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 。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)12 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。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。 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，一般 、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。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。 滲氮： 將氮滲入鋼件表面的熱處理工藝稱為鋼的氮化或滲氮。 滲碳 ： 滲碳是目前應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)熱處理方法。針狀或魚骨狀氮化物增加滲層脆性。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。對(duì)抗蝕氮化的工件可再進(jìn)行一次氮化。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。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。 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。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??；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。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。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)充氮化的工藝是 510℃ 、 10h 氮化，氨分解率 20%～ 30%。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。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]。 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。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(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。 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]。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。其測(cè)量方法有斷口法、金相法、硬度法三種。 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(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。 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 9 通常 2級(jí)合格， 5級(jí)不合格。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 ＞ 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(lái)評(píng)定 [16]。在氮化后期產(chǎn)生的氧化層 僅影響零件的外觀，不影響使用性能。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。因此從疲勞強(qiáng)度看，滲氮層深度一般以 。滲氮層越厚，疲勞抗力越大 [14]。 8 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。 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。氮化物具有很高的硬度，而且晶格常數(shù)比基體ɑ Fe大得多，當(dāng)它與基體保持共格聯(lián)系時(shí)，使ɑ Fe晶格產(chǎn)生很大的畸變，從而產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化效果。 離子氮化的工藝過(guò)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。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。 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 。 (4)ε 相。它存在于 ωN%=%～ %， 當(dāng) ωN%=%時(shí)， 化合物為 Fe4N。 (3)γ′相。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%=%。 (2)γ 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]。鐵 和氮在不同條件下可以形成五個(gè)相。 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)。 6 齒輪材料的的加工過(guò)程 鍛坯 →預(yù)先熱處理 →切削加工 →離子氮化 →精加工（一般不需要） 機(jī)床齒輪的服役條件 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]。 （ 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(guò)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。 ㈡ 結(jié)構(gòu)改進(jìn) 改進(jìn)螺栓的防松方式 ， 引進(jìn)高強(qiáng)度的螺栓防松 : （ 1） 改變差速器聯(lián)接螺栓和從動(dòng)螺旋傘齒輪的結(jié)構(gòu) ， 取消軸承座固定的螺栓串聯(lián)鐵絲防松結(jié)構(gòu) ， 同時(shí)又取消開口銷鎖緊結(jié)構(gòu) ， 全部使用高強(qiáng)度螺栓 [10]。 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)。 第五、 高端人才匱乏，尤其是缺少高端數(shù)控機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)和功能部件研發(fā)的領(lǐng)軍人才；缺少高級(jí)技工；缺少具有國(guó)際化視野的復(fù)合型管理人才 [8]。 第四、 產(chǎn)業(yè)集中度不高。 5 第三、 自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)。我國(guó)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?jī)H占金切機(jī)床產(chǎn)量的 %，與機(jī)床強(qiáng)國(guó)之間的差距非常大。 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(jī)，并已成為制約數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展的 瓶頸。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）。頻率的成分主要有斷齒軸的諧波與嚙合頻率 、 轉(zhuǎn)頻以及在嚙合頻率與諧波附近存在的以斷齒軸轉(zhuǎn)頻為間隔調(diào)質(zhì) 邊頻帶。 ㈣ 斷齒 從統(tǒng)計(jì)數(shù)字上來(lái)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。齒面的硬化層的深度與硬度和接觸疲勞強(qiáng)度有著密切的聯(lián)系 ， 通過(guò)提高齒面的硬度辦法來(lái)提高齒面的抗點(diǎn)蝕能力。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。 ㈢ 齒面嚴(yán)重點(diǎn)蝕 齒面疲勞是造成齒面的嚴(yán)重點(diǎn)蝕的重要原因。齒面磨損為均勻磨損時(shí)由于無(wú)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。這是齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中 ， 周圍環(huán)境較差 ， 混入硬質(zhì)顆粒 ， 因4 而造成嚴(yán)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]。 ㈡ 齒面磨損 磨損失效在齒輪的失效中占的比重很大。變形較大時(shí) ， 時(shí)域中通常會(huì)明顯的出現(xiàn)以一定時(shí)間為間隔的沖擊振動(dòng) ， 邊帶數(shù)量密而且多 [6]。 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(duì)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 。而日本標(biāo)準(zhǔn) DIN 0 級(jí)相當(dāng)于中國(guó)評(píng)判的 4 級(jí)，一般誤差以 μm為單位， 1μm=. 耐腐蝕性能 鋼中加入可以形成保護(hù)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]。 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(duì)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(guò)渡圓，可有效減小應(yīng)力集中，避免齒輪因接觸應(yīng)力過(guò)大而疲勞失效。此外 還要求齒輪具有高的傳動(dòng)精 度 ， 材料具有較好的切削加工性及熱處理工藝性等。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(lái)實(shí)現(xiàn)。除材料本身性能外 ， 還可依靠齒輪 的表面強(qiáng)化處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。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。各行業(yè)對(duì)于齒輪加工機(jī)床的需求是十分大的 ， 企業(yè)只有抓住這些機(jī)才能更上一層樓。通過(guò)對(duì)世界機(jī)床行業(yè)現(xiàn)狀的分析，可以為我國(guó)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]。 隨著世界 經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，世界齒輪加工裝備業(yè)在金融危機(jī)之前一直以高速度發(fā)展，20xx年受金融危機(jī)影響，齒輪機(jī)床行業(yè)的生產(chǎn)和消費(fèi)都出現(xiàn)嚴(yán)重下滑。從 20xx 年開始，中國(guó)已連續(xù) 8 年成為世界第一大機(jī)床消費(fèi)國(guó)和第一大機(jī)床進(jìn)口國(guó)。雖然金融危機(jī)對(duì)中國(guó)的市場(chǎng)需求 有 影響