1、第35卷第3期2010年3月Vol135No13March2010滲氮齒輪與滲碳齒輪的技術及經(jīng)濟性對比盧金生,陳國民(鄭州機械研究所,河南鄭州450052)摘要:從齒輪的強度性能、熱處理畸變、工藝路線、制造成本等方面闡述了滲氮齒輪與滲碳齒輪的情況對比,肯定了滲氮齒輪在某些方面的獨特優(yōu)勢,總結了滲氮齒輪的應用范圍。關鍵詞:滲氮齒輪;滲碳齒輪;應用領域中圖分類號:TG162.73;TG15618文獻標志碼:A文章編號:025426051(032TechnicalandeconomiccomparisonofcarburizedgearLUJin(ZhengzhouIofZhengzhouHenan

2、450052,China)Abstract:Thispaperdealswithheattreatmentdistortion,manufacturingprocess,productioncostofnitridedgearandcarburizedgear1geararesure,anditsapplicationfieldisproposed1Keywords:nitridedapplicationfield隨著工業(yè)技術的發(fā)展,高速、鋼質重載齒輪已經(jīng)廣泛地采用硬齒面技術。硬齒面齒輪具有強度高、精度高、體積小、質量輕等一系列優(yōu)點。滲碳、滲氮分別是齒輪最常用的表面強化工藝,兩種工藝各具優(yōu)缺點

3、。表1是齒輪滲碳與滲氮工藝對比。由于滲氮具有畸變小的優(yōu)點,受到了人們的關注,特別是近年來深層可控滲氮在高速、重載、精密齒輪上的應用,在實踐中取得了成功,并證明在某些領域有明顯的優(yōu)勢。本文從幾個方面將滲氮齒輪與滲碳齒輪作一個系統(tǒng)的對比。1兩種工藝齒輪的力學性能對比111齒面耐磨性對比收稿日期:2009209214作者簡介:盧金生(1965),男,河南潢川人,高級工程師,碩士,主要從事化學熱處理工藝與性能、設備的研究,發(fā)表論文30余篇。聯(lián)系電話:0371267710617,E2mail:lujinsheng20081261com5王磊.鈦表面微弧氧化膜的研究進展J.中國口腔種植學,2006,11(

4、1):48250.6YerokhinAL.SpatialcharacteristicsofdischargephenomenainplasmaelectrolyticoxidationofaluminumalloyJ.SurfaceandCoatingsTech2nology,2004,1772188:7792783.7XueWB,WangC,ChenRY,etal.Structureandpropertiescharacter2izationofceramiccoatingsproducedonTi26Al24Valloybymicro2arcoxidationinaluminatesolu

5、tionJ.MaterLett,2002,52(6):4352441.8王志剛,朱瑞富,呂宇鵬,等.鈦、鎂、鋁合金的表面微弧氧化技術J.陶瓷,2007(1):17221.9李淑華,程金生,尹玉軍,等.微弧氧化過程中電流和電壓變化規(guī)律由于滲氮層化合物層中的相具有較高硬度,因而滲氮齒輪具有良好的耐磨性,這對于保持齒輪傳動的精度至關重要。圖1為18HGT鋼(俄羅斯鋼號,相當于我國20CrMnTi鋼)可控滲氮、8620鋼滲碳后在兩種載荷下的耐磨性比較,在其試驗條件下滲氮表面比1滲碳表面的耐磨性高70%80%。保護,2007,40(2):30232.13高玉周.微等離子體氧化制備TiO2薄膜的結構特性J

6、.中國表面工程,2003,63(6):35237.14郭寶剛,梁軍,田軍.陽極電壓對鈦合金微弧氧化膜性能的影響J.電鍍與精飾,2005,27(3):124.15陳寧,趙晴,章志友.交流脈沖參數(shù)對TC4鈦合金微弧氧化陶瓷膜的影響J.表面技術,2007,36(3):43245.16王慶良,徐伶俐,葛世榮.鈦合金微弧氧化陶瓷層結構研究J.中國表面工程,2007,20(5):11215.17魏同波,田軍,壓達元.LY12鋁合金微弧氧化陶瓷層的結構和性能J.材料研究學報,2004,18(2):1612166.18史敬偉,邵忠財,田彥文,等.稀土元素對鎂合金微弧氧化的影響J.材料保護,2007,40(5)

7、:729.19劉鳳嶺,駱更新,毛立信.微弧氧化與材料表面陶瓷化J.材料保的探討J.特種鑄造及有色金屬,2001(3):425.10MarcL,RackHJ.TitaniumalloysintotaljointreplacementamaterialsscienceperspectiveJ.Biomaterials,1998,19(18):162121639.11李衛(wèi),陳柳珠,劉英,等.陽極電壓對醫(yī)用鈦材微弧氧化的影護,1998,31(3):22224.20史興嶺,王慶良,葛世榮.鈦合金表面微弧氧化/水熱處理復合陶響J.特種鑄造及有色金屬,2007,27(2):972100.12黃京浩,張永君.

8、鎂合金微弧氧化新型電解液配方研究J.材料瓷層的性能研究J.表面技術,2007,36(6):15218.© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 26表1齒輪的滲碳和滲氮工藝對比Table1Processcomparisonofcarburizedgearandnitridedgear比較項目材料適應性常規(guī)工藝溫度熱處理精加工畸變表面潔凈度表面硬度滲碳限于特定鋼材850950第35卷滲氮材料廣泛(包括奧氏體不銹鋼、馬氏體時效鋼及沉淀硬化鋼)460600滲碳后需

9、淬火、回火,有時還需冷處理磨削較大要求清洗、除去淬火油6065HRC無后續(xù)處理工藝一般不需磨削很小表面潔凈,()圖2兩種工藝齒輪的接觸疲勞強度22Fig12Contactfatiguestrengthoftwokindsgear圖118HGT鋼可控滲氮、8620鋼滲碳后在兩種載荷下的耐磨性比較1Fig11Wearresistanceofnitrided18HGTsteelandcarburized8620steelundertwoloads1112齒輪的接觸疲勞強度對比圖3齒輪滲層深度、曲率半徑和持久應力之間的關系3Fig13Relationshipofhardeningdepth,curva

10、tureradius3andendurancestrengthofgear齒輪的接觸疲勞強度是齒輪性能的重要指標,也是一般齒輪的設計依據(jù)。圖2是按ISO標準進行的齒輪臺架試驗結果2,從圖2可以看出,當滲氮齒輪的有效硬化層深度大于015mm時,滲氮齒輪比常規(guī)滲碳齒輪的抗接觸疲勞性能提高10%15%。文獻3的研究表明:不論齒輪是滲碳還是滲氮,其接觸疲勞強度還與有效硬化層深度(500HV)及齒輪的相對曲率半徑有關,見圖3所示,從曲線的走勢上看,兩者相差不大。113齒輪的彎曲疲勞強度對比圖4兩種工藝齒輪的雙齒彎曲疲勞強度22Fig14Doubleteethbendingfatiguestrengtho

11、ftwokindsgear由圖4和圖5中的彎曲疲勞試驗數(shù)據(jù)和結果中可以看出223,滲氮與滲碳的齒輪彎曲疲勞強度基本相5當,只有當循環(huán)次數(shù)小于10時,滲氮齒輪的承載能力才為滲碳齒輪的75%,因而滲氮齒輪不宜用于沖擊負荷大的場合。另外,通過試驗還發(fā)現(xiàn)彎曲疲勞性能與材料的成分關系密切。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期盧金生,等:滲氮齒輪與滲碳齒輪的技術及經(jīng)濟性對比273圖53種齒輪的單齒彎曲疲勞試驗的S2N曲線Fig15Singleteethben

12、dingfatigueS2Ncurve圖626twokindsgear2ofthreekindsgearparts3114齒輪膠合強度2合試驗,結果見圖6,+相最好,表明較大的作用。感應淬火等高溫表面硬化過程中,以及快速冷卻過程中造,都會造成齒輪發(fā)生較大的變形。目前國內(nèi)的滲碳淬火齒輪,單面變形量為200300m以上,這給磨齒工序增加了很大成本。而滲氮處理溫度低,基體無相變,所以變形極小。表2和表3為某齒輪經(jīng)過深層離子滲氮前后的齒4形、齒向誤差數(shù)據(jù),滲氮齒輪處理前后其齒形曲線形狀基本不變,絕對變形量為12m,齒向變化量為212m。42滲氮及滲碳齒輪的變形情況齒輪熱處理的變形主要是由熱應力、組織應

13、力等表2滲氮前后齒形誤差測量數(shù)據(jù)4Table2Involuteprofileerrorofthegearbeforeandafternitriding齒輪編號03#狀態(tài)滲氮前滲氮后變化量滲氮前滲氮后變化量/m/m/m/m/m/m12220-22018-222018-22020031515016160452221-12422-26303002018-27222202020081615-11920105#注:表中序號18表示所測試齒輪上的8個齒面。表3滲氮前后齒向誤差測量結果4Table3Toothalignmenterrorofthegearbeforeandafternitriding齒輪編號

14、03#4清洗回火噴丸磨齒涂油清洗最終檢驗裝配。由于加工工藝流程的不同,兩種齒輪制造成本的4狀態(tài)滲氮前滲氮后變化量滲氮前滲氮后變化量/m/m/m/m/m/m1-6-4+20+2+22+12+2-10-2+10+123+4+8+4+12+120構成和多少也不同,表4為某廠統(tǒng)計其生產(chǎn)中的42CrMo鋼滲氮齒輪和20CrNi2Mo鋼滲碳齒輪的成本-6+4+10匯總比較,其中離子滲氮齒輪的總體制造成本僅為滲碳淬火齒輪的27%左右有一定的優(yōu)勢。5。從生產(chǎn)制造總成本上看,05#對于67級精度的齒輪,滲氮工藝在生產(chǎn)總成本上具注:表中序號14表示所測試齒輪上的4個齒面。3滲氮與滲碳的工序和成本對比滲氮齒輪的加工

15、工序如下:鍛造調(diào)質制齒清洗裝爐滲氮最終檢驗裝配。滲碳齒輪的加工工序如下:鍛造調(diào)質制齒清洗裝爐滲碳4兩種工藝的應用范圍根據(jù)兩種齒輪有關標準ISO633625(齒輪強)、度和材料質量AGMA2001B88美國齒輪制造者協(xié)會標準中推薦圖可以看到(見圖7、圖8及表5所© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 28表4滲碳淬火齒輪與離子滲氮齒輪成本匯總對比Table4Productioncostofgascarburizedgearandplasmanitridied

16、gear工序及項目原材料/元kg-1預備熱處理/元kg-1制齒/元kg-1表面熱處理/元kg-1拋丸/元kg-1后續(xù)加工/元kg-1合計/元kg-120CrNi2Mo鋼滲碳齒輪1801801541601348157217191542CrMo鋼滲氮齒輪91121138221534612301217010100815061352318112701856第35卷表5不同熱處理工藝適用的齒輪模數(shù)范圍Table5Appropriatemodulusscopeofdifferentheattreatments模數(shù)m徑節(jié)DP滲氮工藝50kHz10kHz感應淬火感應淬火滲碳淬火示),滲氮齒輪的模數(shù)都限制于12

17、mm以下,輪的模數(shù)可達40mm,7中當滲氮齒輪的模數(shù)m度約為0171所能達到的上限輪、受沖擊載荷較多及精度高于6級的齒輪,還是以滲碳淬火磨齒工藝為優(yōu)。根據(jù)國內(nèi)外的一些研究和經(jīng)驗2,滲氮齒輪一般應用于以下工況條件:齒輪模數(shù)210mm;載荷系數(shù)K310kN/m;圓周線速度v120m/s;精度67級;齒形不限,非漸開線齒形更適用。工業(yè)上滲氮齒輪常見的應用場合如下:機床、汽車中要求耐磨的齒輪;對變形要求高的蝸桿、齒圈類工件,已成為表面硬化的首選;工業(yè)高速齒輪,對耐磨、抗膠合能力要求高,但運行平穩(wěn)。滲氮究競能在多大范圍內(nèi)滿足這些齒輪的設計要求,還需進一步的深入研究與實踐。5結束語在某些范圍內(nèi),滲氮齒輪與滲碳齒輪相比在力學圖7ISO推薦的齒輪滲氮層深度Fig17ISOrecommendatorygearnitridingdepth性能、熱處理變形、制造成本上具有一定的優(yōu)勢,在這部分齒輪的表面強化上可以采用滲氮工藝。進一步發(fā)揮滲氮工藝的潛力,需要在齒輪的原材料、冷熱加工工藝等方面做更深入的探索,如:提高滲氮層深度、改善硬度梯度、控制滲層組織等措施。參考文獻:1陳國民,陳乃錄.滲氮齒輪的工業(yè)應用展望J.金屬熱處理學報,1999(增刊):63272.2陳秀玉,盧金生.深層離子滲氮在齒輪制造中的應用前景J.機械傳動,1994(2):123.3YoungIT.氮化齒輪的應用前景J.齒輪