一种超高强度不锈钢齿轮离子渗氮方法与流程

1.本发明涉及一种超高强度不锈钢齿轮离子渗氮方法，属于化学热处理技术领域。


背景技术：

2.超高强度不锈钢是当前抗拉强度最高、韧性等综合力学性能最好的金属结构材料，广泛地应用于航空、航天及其他高科技领域，成为战斗机、导弹、火箭壳体、发动机及精密机械传动齿轮等主承力构件不可替代的材料。在齿轮应用中对超高强度钢的要求主要包括超高强度、高韧性和耐腐蚀等，以满足其减轻结构质量、缩小体积、延长寿命和提供可靠使用的需求。
3.齿轮在工作过程中会承受各种不同速度，不同大小的载荷，齿轮之间会不断产生相互磨损作用。一旦磨损过大，齿轮啮合有误差，将影响机械系统的正常运行。为确保齿轮的正常工作，需要对齿轮进行离子渗氮，提高表面硬度，满足耐磨性的需求，保证齿轮零件的使用寿命。
4.离子渗氮是利用稀薄含氮气体产生辉光放电对金属材料表面进行轰击加热和形成氮化物进行强化。对于超高强不锈钢齿轮，其渗氮表面强化有着显著的难点：1)合金元素含量高，具有明显的阻渗效果，难以获得的满意的渗氮层厚度。2)渗氮过程中会产生屏蔽现象，导致齿轮渗氮层不均匀。根据离子辉光放电的原理，在离子渗氮时，阴极工件表面覆盖着辉光放电层。超高强不锈钢齿轮的模数为1，在分度圆以下其齿间距离小于阴极压降层厚度，因此，在分度圆以下的齿间就具有部分的屏蔽现象，使氮原子的扩散受到了抑制，最终使齿轮齿廓渗氮层的分布不均匀。3)常规的检测试样一般为实物或采用直径20mm～25mm,高度8mm～10mm的圆柱形试块。对于超高强不锈钢齿轮，采用实物作为试件，成本高；采用试块作为试样，其结构不能表征齿部实际渗氮效果。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种超高强度不锈钢齿轮离子渗氮方法，通过工装设计保护齿轮零件非渗部位无渗氮层；调节渗氮参数，使得整个齿部轮廓获得满足技术要求的均匀渗氮层及性能；制作齿轮仿形试件，准确表征齿部渗氮层及性能；实现齿轮齿部局部表面强化，使齿部的耐磨性能得到极大提升，从而提升零件的使用寿命。
6.本发明解决技术的方案是：
7.s1、根据超高强齿轮零件尺寸形状设计渗氮工装和仿形工装：
8.渗氮工装为环形结构，保护齿轮非渗氮面，渗氮工装与齿轮之间间隙不超过0.5mm，确保非渗氮面外表面无渗层；
9.仿形工装齿形与实际产品外形齿轮一致，缺少4-6个完整的齿结构，将缺少的4-6个完整的齿结构作为试件，安装在仿形工装上，与超高强度不锈钢齿轮外形一致，用来模拟超高强度不锈钢齿轮产品渗氮，以表征齿部的渗氮层性能；
10.s2、将s1中的渗氮工装及仿形工装采用碳氢清洗剂清洗，再使用无水乙醇擦拭；
11.s3、将s2中的清洁后的渗氮工装及仿形工装进行真空退火热处理：室温装炉，升温速率为8-15℃/min，真空退火温度为550-650℃，保温1-3h后冷却，待炉温到150℃以下出炉；
12.s4、采用碳氢清洗剂擦拭齿轮零件的外表面及带有的小孔的位置，然后用无水乙醇擦拭，并用无油压缩空气或氮气吹干；
13.s5、将s4中齿轮零件装卡于渗氮工装内，调节工装使齿部渗氮部位无遮挡；将试件与仿形工装组合，形成试件与仿形工装组合体；
14.s6、将s5中组合完成的渗氮工装及齿轮零件、试件与仿形工装组合体均匀分布在离子渗氮炉阴极盘上；
15.s7、对s6中齿轮零件及试件进行渗氮：
16.室温入炉，抽真空使炉内真空度优于5pa，炉内充入氮氢气体，采用等离子轰击齿轮表面，控制阴极盘与炉壁之间电压，在渗氮升温过程中调节电参数，利用辉光对工装轰击加热，调整等离子体的辉光形态，使辉光沿着齿轮的轮廓分布，以满足渗氮层沿齿轮轮廓均匀分布，最终在高强齿轮零件表面及试件上形成氮化层；
17.s8、将s7中渗氮工装及齿轮零件、试件与仿形工装组合体待降温至50℃以下出炉。
18.进一步的，s7中，炉内充入氮氢气体的比例为1.0:5.0～1.0:3.0。
19.进一步的，s7中，控制阴极盘与炉壁之间电压为350-550v，电流为30-60a。
20.进一步的，s7中，升温速率为5-10℃/min。
21.进一步的，s7中，渗氮温度为490℃-510℃。
22.进一步的，s7中，渗氮保温时间为8-12h。
23.进一步的，s7中，渗氮部位表面硬度hv≥698，渗层深度dn≥0.05mm。
24.进一步的，500倍金相观察渗氮层组织无缺陷，渗氮层脆性为1级。
25.本发明与现有技术相比的有益效果是：
26.(1)本发明针对超高强度不锈钢齿轮渗氮强化问题，采用渗氮工装，既能够保证非渗氮部位无渗层，又能够保证齿部的渗氮强化。使用仿形工装组合试样，能准确表征齿部的渗氮层性能，并且工装可反复使用，经济节约；
27.(2)本发明采用真空状态冷却的工艺方式，有效避免了超高强不锈钢吸氢导致氢脆的问题；
28.(3)本发明采用离子渗氮，离子渗氮采用等离子轰击超高强不锈钢表面的方式，可有效缩短渗氮时间，较气体渗氮其工作效率大大提高；
29.(4)本发明在渗氮过程能够调节工艺参数，可以满足渗氮层沿齿廓均匀分布的需要；
30.(5)本发明能够有效避免渗氮层表层白亮层组织，确保渗氮层满足1级脆性要求，通过表面维氏硬度检测、金相和扫描电镜观察，渗氮层硬度和渗氮满足要求，且渗氮层均匀无缺陷。
附图说明
31.图1为本发明内齿轮工装；
32.图2为本发明外齿轮工装；
33.图3为齿轮离子渗氮工艺流程；
34.图4为内齿部离子渗氮500倍金相及1000倍电镜下的微观形貌；
35.图5为外齿部离子渗氮500倍金相及1000倍电镜下的微观形貌；
36.图6为内齿轮渗氮层沿齿廓分布形貌；
37.图7为外齿轮渗氮层沿齿廓分布形貌；
38.图8为内齿轮渗氮层脆性压痕；
39.图9为外齿轮渗氮层脆性压痕。
具体实施方式
40.下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
41.一种超高强度不锈钢齿轮离子渗氮方法，如图3所示，步骤包括：
42.s1、根据超高强齿轮零件尺寸形状设计渗氮工装和仿形工装，如图1、2所示：
43.渗氮工装为环形结构，保护齿轮非渗氮面，渗氮工装与齿轮之间间隙不超过0.5mm，确保非渗氮面外表面无渗层；
44.仿形工装齿形与实际产品外形齿轮一致，缺少4-6个完整的齿结构，将缺少的4-6个完整的齿结构作为试件，安装在仿形工装上，与超高强度不锈钢齿轮外形一致，用来模拟超高强度不锈钢齿轮产品渗氮，以表征齿部的渗氮层性能；
45.s2、将s1中的渗氮工装及仿形工装采用碳氢清洗剂清洗，再使用无水乙醇擦拭；
46.s3、将s2中的清洁后的渗氮工装及仿形工装进行真空退火热处理：室温装炉，升温速率为8-15℃/min，真空退火温度为550-650℃，保温1-3h后冷却，待炉温到150℃以下出炉；
47.s4、采用碳氢清洗剂擦拭齿轮零件的外表面及带有的小孔的位置，然后用无水乙醇擦拭，并用无油压缩空气或氮气吹干；
48.s5、将s4中齿轮零件装卡于渗氮工装内，调节工装使齿部渗氮部位无遮挡；将试件与仿形工装组合，形成试件与仿形工装组合体；
49.s6、将s5中组合完成的渗氮工装及齿轮零件、试件与仿形工装组合体均匀分布在离子渗氮炉阴极盘上；
50.s7、对s6中齿轮零件及试件进行渗氮：
51.室温入炉，抽真空使炉内真空度优于5pa，炉内充入氮氢气体，采用等离子轰击齿轮表面，控制阴极盘与炉壁之间电压，在渗氮升温过程中调节电参数，利用辉光对工装轰击加热，调整等离子体的辉光形态，使辉光沿着齿轮的轮廓分布，以满足渗氮层沿齿轮轮廓均匀分布，最终在高强齿轮零件表面及试件上形成氮化层；
52.s8、将s7中渗氮工装及齿轮零件、试件与仿形工装组合体待降温至50℃以下出炉。
53.s7中，炉内充入氮氢气体的比例为1.0:5.0～1.0:3.0，控制阴极盘与炉壁之间电压为350-550v，电流为30-60a，升温速率为5-10℃/min，渗氮温度为490℃-510℃，渗氮保温时间为8-12h，渗氮部位表面硬度hv≥698，渗层深度dn≥0.05mm，500倍金相观察渗氮层组织无缺陷，渗氮层脆性为1级。
54.实施案例1：
55.1)根据内齿轮零件尺寸形状设计渗氮工装，保护除齿部外的非渗氮部位；制作仿形工装及试件。
56.2)将步骤1)中的渗氮工装及仿形工装采用碳氢清洗剂清洗，再使用无水乙醇擦拭。
57.3)将步骤2)中的渗氮工装及仿形工装进行真空退火热处理，热处理参数如下：
58.装炉方式：室温装炉；
59.升温速率：10℃/min；
60.真空退火温度：600℃；
61.保温：2h；
62.冷却：炉温到150℃以下出炉。
63.4)采用碳氢清洗剂擦拭齿轮零件的外表面及齿部位置，然后用无水乙醇擦拭，并用无油压缩空气或氮气等吹干；
64.5)将步骤4)中齿轮零件装卡于渗氮工装内，将仿形件与试件组合；
65.6)将步骤5)中渗氮工装(装有齿轮零件)均匀放置于阴极盘上；
66.7)对步骤6)中齿轮零件进行渗氮，渗氮处理参数如下：
67.装炉方式：室温入炉；真空度：加热前真空度优于5pa；升温速率：5℃/min；渗氮温度：500℃；渗氮保温时间：10h；氮氢比例：1.0:4.0；电压：450v；电流：50a。
68.8)将步骤7)中渗氮件炉温到50℃以下出炉，冷却过程中保持真空泵维持工作状态。
69.得到的渗氮试件渗氮层采用维氏硬度计检测，硬度满足要求；通过金相检测，渗氮均匀无缺陷，如图4所示。渗氮层沿齿廓均布，无遮挡屏蔽问题，如图6所示，且满足渗层深度要求。渗氮层表面脆性测试压痕四边完整，符合脆性1级要求，如图8所示。
70.实施案例2：
71.1)根据外齿轮零件尺寸形状设计渗氮工装，保护除齿部外的非渗氮部位；制作仿形工装及试件。
72.2)将步骤1)中的渗氮工装及仿形工装采用碳氢清洗剂清洗，再使用无水乙醇擦拭。
73.3)将步骤2)中的渗氮工装及仿形工装进行真空退火热处理，热处理参数如下：
74.装炉方式：室温装炉；升温速率：10℃/min；真空退火温度：600℃；保温：2h；冷却：炉温到150℃以下出炉。
75.4)采用碳氢清洗剂擦拭齿轮零件的外表面及齿部位置，然后用无水乙醇擦拭，并用无油压缩空气或氮气等吹干；
76.5)将步骤4)中齿轮零件装卡于渗氮工装内，将仿形件与试件组合；
77.6)将步骤5)中渗氮工装(装有齿轮零件)均匀放置于阴极盘上；
78.7)对步骤6)中齿轮零件进行渗氮，渗氮处理参数如下：
79.装炉方式：室温入炉；真空度：加热前真空度优于5pa；升温速率：5℃/min；渗氮温度：500℃；渗氮保温时间：10h；氮氢比例：1.0:4.0；电压：450v；电流：50a。
80.8)将步骤7)中渗氮件炉温到50℃以下出炉，冷却过程中保持真空泵维持工作状态。
81.得到的渗氮试件渗氮层采用维氏硬度计检测，硬度满足要求；通过金相检测，渗氮均匀无缺陷，如图5所示。渗氮层沿齿廓均布，无遮挡屏蔽问题，如图7所示，且满足渗层深度要求。渗氮层表面脆性测试压痕四边完整，符合脆性1级要求，如图9所示。
82.本发明针对超高强度不锈钢齿轮渗氮强化问题，采用渗氮工装，既能够保证非渗氮部位无渗层，又能够保证齿部的渗氮强化。使用仿形工装组合试样，能准确表征齿部的渗氮层性能，并且工装可反复使用，经济节约；
83.本发明采用真空状态冷却的工艺方式，有效避免了超高强不锈钢吸氢导致氢脆的问题；
84.本发明采用离子渗氮，离子渗氮采用等离子轰击超高强不锈钢表面的方式，可有效缩短渗氮时间，较气体渗氮其工作效率大大提高；
85.本发明在渗氮过程能够调节工艺参数，可以满足渗氮层沿齿廓均匀分布的需要；
86.本发明能够有效避免渗氮层表层白亮层组织，确保渗氮层满足1级脆性要求，通过表面维氏硬度检测、金相和扫描电镜观察，渗氮层硬度和渗氮满足要求，且渗氮层均匀无缺陷。
87.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。