【正文】 部組織為回火索氏體。關(guān)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。 hardness。目錄摘 要 IAbstract II第一章 文獻(xiàn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容及條件 13 13 13 13 14 14 15 16 17第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 19 19 19 19 21 22 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 45IV第一章 文獻(xiàn)綜述得益于近年來(lái)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(zhǎng)變得十分耀眼。眾所周知，齒輪是最基礎(chǔ)的機(jī)械傳動(dòng)元件，量大面廣。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。但我國(guó)機(jī)床行業(yè)沒(méi)有停步，一直在努力中，雖有差距但市場(chǎng)的需求是勢(shì)不可擋的。由于齒輪機(jī)床行業(yè)處于成熟，產(chǎn)業(yè)集中度不高，國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)者眾多，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，確定一種正確而又切實(shí)際可行的發(fā)展戰(zhàn)略就成為必然選擇[1]。在振興裝備制造業(yè)必須首先發(fā)展機(jī)床制造業(yè)，在一般的機(jī)器制造中，齒輪機(jī)床所擔(dān)負(fù)的加工工作量占制造機(jī)器工作量40%－60%。因此，齒輪加工行業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化的建設(shè)中起著重大作用，關(guān)系到國(guó)防安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展全局。我國(guó)齒輪機(jī)床行業(yè)的現(xiàn)狀可以用以下幾點(diǎn)概括：第一、產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)連續(xù)8年實(shí)現(xiàn)高速增長(zhǎng)。第二、我國(guó)在世界齒輪機(jī)床行業(yè)中的地位也在顯著提升。2009年，在全球齒輪機(jī)床產(chǎn)業(yè)因受金融危機(jī)影響出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)的特殊背景下，全行業(yè)的工業(yè)總產(chǎn)值已由全球第三位躍居至首位，從而成為世界第一大機(jī)床生產(chǎn)國(guó)[2]。隨著世界經(jīng)濟(jì)的回暖，目前世界齒輪機(jī)床行業(yè)也開(kāi)始慢慢復(fù)蘇。無(wú)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(lái)新興的高裝備鐵、鐵路、電子等行業(yè)，都對(duì)機(jī)床工具行業(yè)的快速發(fā)展提出了緊迫需求，這就對(duì)齒輪加工機(jī)床制造商提出了新的要求，現(xiàn)在一些企業(yè)已經(jīng)應(yīng)時(shí)而動(dòng)，積極調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，不斷拓展產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，向熱門行業(yè)提供高速、高穩(wěn)定性、高精度的機(jī)床新品，滿足行業(yè)所需。齒輪在運(yùn)行過(guò)程中，嚙合齒面之間既有滾動(dòng)，又有滑動(dòng)，而且齒輪根部還將受到交變彎曲應(yīng)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(qiáng)韌性。為了保證齒輪的正常工作，齒輪應(yīng)具備以下主要性能：①高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度。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。③齒輪心部具有足夠的強(qiáng)度和韌性，以提高齒輪的承載能力。對(duì)于機(jī)床齒輪，由于其精度要求高，機(jī)床齒輪精度一般為6～8級(jí)（中、低速）和8～12級(jí)（高速）則它的表面硬度和耐磨性就必須達(dá)到更高的要求[4]。齒輪精度是指對(duì)齒輪形狀的綜合誤差所劃分的一個(gè)等級(jí)，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(jī)加工完成，6~7級(jí)便可使用，而一些印刷機(jī)由于需要高速運(yùn)轉(zhuǎn)和批量印刷，故需要高精度齒輪以減小齒輪累計(jì)所造成的誤差而使印刷效果下降，而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的磨齒機(jī)可加工至4~5級(jí)，國(guó)外進(jìn)口的高精度磨齒機(jī)可加工至3~4級(jí)，更有一些可以加工至2級(jí)。鋼鐵，特別是鈑金的常用表面處理：加入鉻，表面會(huì)很光亮，切忌六價(jià)鉻，一般作為外露金屬件的鍍層，很美觀。1 塑性變形齒面產(chǎn)生的塑性變形，主要是因?yàn)橛不瘜虞^薄或心部基體較軟，齒面硬度偏低，在過(guò)載或者沖擊負(fù)荷較大情況下而造成的變形。變形較小時(shí)，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(zhuǎn)頻為調(diào)制間隔的邊帶成分，但其數(shù)量稀少。齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度過(guò)高或者過(guò)低均可能導(dǎo)致齒面早期的磨損失效。在大型的重載開(kāi)式齒輪中，失效原因基本上都是磨損失效。同時(shí)，振動(dòng)能量大幅增加。齒輪在嚙合的過(guò)程中，受到周期性的變化接觸應(yīng)力作用，當(dāng)接觸應(yīng)力超過(guò)次表面材料的極限應(yīng)力或者超過(guò)輪齒工作表面時(shí)，就會(huì)在相應(yīng)的部位產(chǎn)生微小的疲勞裂紋。由于接觸疲勞所造成的點(diǎn)蝕多而出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)以下的齒面部位，因?yàn)樵谠摬课积X輪的滑動(dòng)和滾動(dòng)方向相反。齒面的點(diǎn)蝕在頻域表現(xiàn)為：在嚙合頻率與高次諧波附近存在以點(diǎn)蝕，齒輪所在軸的轉(zhuǎn)頻為調(diào)制的邊頻，但調(diào)質(zhì)邊頻帶數(shù)量稀少。由斷裂引起的斷齒主要發(fā)生在齒根部位，齒輪斷齒時(shí)振動(dòng)信號(hào)有很大的沖擊振動(dòng)。 盡管取得了上述種種成績(jī)，但國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床仍遠(yuǎn)不能滿足機(jī)床消費(fèi)結(jié)構(gòu)日益升級(jí)的，迄今中國(guó)機(jī)床市場(chǎng)上“高端失守、低端混戰(zhàn)”的局面尚未得到根本轉(zhuǎn)變，目前中國(guó)機(jī)床產(chǎn)業(yè)僅僅在規(guī)模方面具有相對(duì)比較優(yōu)勢(shì)，與機(jī)床制造強(qiáng)國(guó)相比較，在結(jié)構(gòu)、水平、研發(fā)和服務(wù)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(chǎn)品產(chǎn)能過(guò)剩導(dǎo)致價(jià)格戰(zhàn)，高端產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口。由此可見(jiàn)，國(guó)產(chǎn)機(jī)床在高端產(chǎn)品的供應(yīng)仍不能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，國(guó)產(chǎn)機(jī)床產(chǎn)品大多屬于中低端產(chǎn)品，這也是我國(guó)齒輪機(jī)床行業(yè)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性矛盾的主要原因。從產(chǎn)品構(gòu)成情況來(lái)看，高檔數(shù)控機(jī)床所占比重低。數(shù)控金屬切削機(jī)床產(chǎn)量中車床、特殊加工機(jī)床、加工中心、銑床、磨床的占比相對(duì)較高，數(shù)控車床的比例更是高達(dá)一半以上。在一些關(guān)鍵的共性技術(shù)上與發(fā)達(dá)國(guó)家還有不小差距，而且企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新方面投入的精力還不夠，目前國(guó)內(nèi)機(jī)床企業(yè)一直在嘗試產(chǎn)學(xué)研的研發(fā)體系建設(shè)，但是還處于探索階段。企業(yè)多而散，全行業(yè)企業(yè)多達(dá)5944家；主機(jī)企業(yè)大而不強(qiáng)，小而不精；配套能力弱，產(chǎn)業(yè)分工不清晰；與數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展相適應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈體系還不夠完善。目前，高端人才不足已成為制約數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)快速、可持續(xù)發(fā)展的深層次原因。（2）調(diào)整螺旋傘齒輪嚙合的印痕，用涂紅丹粉的方法檢驗(yàn)從動(dòng)螺旋傘齒輪的嚙合印痕該為：齒面接觸斑點(diǎn)沿齒高方向長(zhǎng)度為全齒高的37%—60%，距小端齒長(zhǎng)7%—15%，非工作凹面的接觸斑點(diǎn)控制在齒的中部[9]。（2）采用高強(qiáng)度的墊圈。（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。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。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)。(1)ɑ相。氮在ɑFe中最大溶解度在590℃時(shí)為ωN%=%。氮在γFe中的間隙固溶體，即含氮奧氏體。γ相中，氮原子位于八面體間隙。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。γ′相于680℃以上將發(fā)生分解，并溶于ε相中。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。(5)ξ相。性脆，在500℃以上轉(zhuǎn)變成ε相。滲氮層的高硬度是由于合金氮化物彌散強(qiáng)化的作用[13]。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。同事合金元素促使ɑFe能溶解更多的氮原子，使微觀應(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。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。但若出現(xiàn)大量的脆性ε相會(huì)引起疲勞強(qiáng)度降低。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。外觀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]。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。對(duì)工件緩慢加載，卸去載荷后觀察壓痕狀況，依其邊緣的完整性將滲氮層脆性分為5級(jí)。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。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。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。此法方便迅速，但精度較低。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。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)。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。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]。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。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。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。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]。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。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。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。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。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]。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。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。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