1、I离子渗氮对机床齿轮用钢显微组织及性能的影响摘 要由于近年来汽车、风电、核电行业的拉动,齿轮的需求量大幅度增加，因而近年来涉及齿轮加工机床制造的企业也日益增多。针对齿轮在运行过程中出现的磨损，断齿，精度下降等一系列问题，频繁更换齿轮会导致工作效率下降，成本提高，因而，改善齿轮本身的性能才是根本解决途径。本实验采用离子氮化工艺，然后利用金相显微镜、显微硬度计、X 射线衍射仪对原始试样的表层和渗氮层的成分，显微组织，硬度及摩擦系数进行测定、分析、比较。实验结果表明，离子渗氮后渗氮层的组织为回火索氏体和氮化物，心部组织为回火索氏体。离子渗氮工艺使得机床齿轮用钢获得更高的表面硬度，强度；离子渗氮工艺使
2、得机床齿轮的耐磨性提高。关键词：离子渗氮；显微组织；硬度；耐磨性； IIION 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 process
3、ing 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
4、experiment and we use the metallographic microscope, micro- hardness tester, X ray diffraction to measure , analyse and compare 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 th
5、e 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; microstructur
6、e; hardness; wear resistance;III目录摘 要 .IAbstract .II第一章 文献综述 .11.1 引言 .11.2 机床齿轮的研究现状 .11.2.1 中国的研究现状 .11.2.2 世界的研究现状 .21.3 机床齿轮存在的问题 .21.3.1 力学性能 .21.3.2 精度 .31.3.3 耐腐蚀性能 .31.3.4 各种典型齿轮故障及其特征 .31.3.5 我国齿轮机床行业发展存在的问题 .41.3.6 齿轮质量改进的几点建议 .51.4 提高机床齿轮性能的措施 .51.4.1 齿轮材料的选择 .51.4.2 齿轮材料的的加工过程 .61.4.3 机床
7、齿轮的服役条件 .61.5 离子氮化工艺 .61.5.1 离子氮化的原理 .61.5.2 离子氮化的工艺过程 .71.5.3 渗氮层的性能 .71.5.4 渗氮层的质量检验 .81.5.5 氮化件常见的缺陷及预防 .91.5.6 离子氮化与离子渗碳的区别 .111.6 课题研究意义及主要内容 .11第二章 实验内容及条件 .132.1 试样的制备 .132.1.1 齿轮材料的选择 .132.1.2 齿轮材料的制备过程 .132.2 齿轮材料的的性能表征 .142.2.1 齿轮材料表征所用仪器 .142.2.2 原始试样及渗氮层的组织形貌及成分分析 .152.2.3 原始试样及渗氮层的硬度测量
8、.162.2.4 原始试样及渗氮层的耐磨性的测量 .17第三章 实验结果及分析 .193.1 原始试样及调质后试样的组织形貌分析 .193.2 原始试样及离子渗氮试样成分及组织分析 .19IV3.2.1 原始试样及渗氮层成分分析 .193.2.2 原始试样及渗氮层组织分析 .213.3 原始试样及离子渗氮试样的硬度比较 .223.4 原始试样及离子渗氮试样耐磨性的比较 .23结 论 .26参考文献 .27致 谢 .29附录一 英文翻译原文 .30附录二 英文翻译 .451第一章 文献综述1.1 引言得益于近年来汽车、风电、核电行业的拉动，汽车齿轮加工机床、大规格齿轮加工机床需求的增长变得十分耀
9、眼。随着齿轮加工机床需求的增加，近年来涉及齿轮加工机床制造的企业也日益增多。众所周知，齿轮是最基础的机械传动元件，量大面广。而齿轮机床是机床工业公认技术含量最高、零部件最多、结构最复杂的产品之一。但一度我国齿轮机床行业处在一个十分尴尬的境地。过去我国机床生产企业在技术上相对落后，普遍缺乏自主创新能力及关键、核心技术支撑，其产品主要以生产低端产品为主，缺乏竞争力，在数控机床质量的稳定性、可靠性、耐用性上同国外先进产品相比存在明显差距。但我国机床行业没有停步，一直在努力中，虽有差距但市场的需求是势不可挡的。齿轮加工是装备制造业的基础行业，是向传统机械工业、国防工业、汽车工业、航空航天工业、电子信息
10、技术工业以及其他加工工业提供加工装备的部门，其中，各种齿胚加工机床、制齿机床、精密齿轮磨床等齿轮加工机床是齿轮加工装备业中的核心。由于齿轮机床行业处于成熟，产业集中度不高，国内外竞争者众多，行业竞争十分激烈，确定一种正确而又切实际可行的发展战略就成为必然选择 1。装备制造业的发达程度是衡量一个国家工业化阶段的重要标准，而齿轮加工装备业又是装备制造业的基础行业，是“支柱的支柱”。在振兴装备制造业必须首先发展机床制造业，在一般的机器制造中，齿轮机床所担负的加工工作量占制造机器工作量40% 60%。没有齿轮加工行业的振兴，就没有真正意义上的装备制造业的振兴。因此，齿轮加工行业在国民经济现代化的建设中
11、起着重大作用，关系到国防安全和国民经济的发展全局。1.2 机床齿轮的研究现状1.2.1 中国的研究现状我国齿轮加工装备业经过 50 多年的发展，形成了门类齐全、具有相当规模和一定水平的产业体系，成为我国经济发展的重要支柱产业。我国齿轮机床行业的现状可以用以下几点概括：第一、产业规模不断扩大，主要经济指标连续 8 年实现高速增长。虽然金融危机2对中国的市场需求有影响，但是并没有从根本上改变全行业持续快速发展总的态势。第二、我国在世界齿轮机床行业中的地位也在显著提升。从 2002 年开始，中国已连续 8 年成为世界第一大机床消费国和第一大机床进口国。2009 年，在全球齿轮机床产业因受金融危机影响
12、出现负增长的特殊背景下，全行业的工业总产值已由全球第三位跃居至首位，从而成为世界第一大机床生产国 2。1.2.2 世界的研究现状随着世界经济的增长，世界齿轮加工装备业在金融危机之前一直以高速度发展，2009年受金融危机影响，齿轮机床行业的生产和消费都出现严重下滑。随着世界经济的回暖，目前世界齿轮机床行业也开始慢慢复苏。通过对世界机床行业现状的分析，可以为我国机床行业及机床企业发展提供了可借鉴的经验 3。无论是传统的汽车、船舶、航空航天、军工等行业，还是近年来新兴的高装备铁、铁路、电子等行业，都对机床工具行业的快速发展提出了紧迫需求，这就对齿轮加工机床制造商提出了新的要求，现在一些企业已经应时而
13、动，积极调整产业结构，不断拓展产品应用领域，向热门行业提供高速、高稳定性、高精度的机床新品，满足行业所需。各行业对于齿轮加工机床的需求是十分大的，企业只有抓住这些机才能更上一层楼。1.3 机床齿轮存在的问题1.3.1 力学性能齿轮在运行过程中，啮合齿面之间既有滚动，又有滑动，而且齿轮根部还将受到交变弯曲应力的作用，要求齿轮表面有较高的硬度及耐磨性，心部具有较好的强韧性。但由于选材和加工工艺的不同，齿轮的硬度、耐磨性、强度、韧性差异很大。为了保证齿轮的正常工作，齿轮应具备以下主要性能：高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。除材料本身性能外，还可依靠齿轮的表面强化处理来实现。齿面具有高的硬度和耐磨性，以
14、防止粘着磨损和磨粒磨损。耐磨性的提高，主要依靠提高表面硬度和降低摩擦因数来实现。齿轮心部具有足够的强度和韧性，以提高齿轮的承载能力。此外还要求齿轮具有高的传动精度，材料具有较好的切削加工性及热处理工艺性等。31.3.2 精度对于机床齿轮，由于其精度要求高，机床齿轮精度一般为 68 级（中、低速）和812 级（高速）则它的表面硬度和耐磨性就必须达到更高的要求 4。提高齿轮抗弯曲疲劳能力，可以采用提高齿轮造精度的方法，如对齿的根部进行磨削加工工艺，降低因加工刀痕所造成的应力集中，留有足够的过渡圆，可有效减小应力集中，避免齿轮因接触应力过大而疲劳失效。齿轮精度是指对齿轮形状的综合误差所划分的一个等级
15、，其中包括齿形、齿向、径跳等一些重要的参数，其中齿形是指齿的径向形状，齿向是指齿的纵向形状，径跳是指相邻两齿间距离的误差，一般我们汽车用的齿轮可由滚齿机加工完成，67 级便可使用，而一些印刷机由于需要高速运转和批量印刷，故需要高精度齿轮以减小齿轮累计所造成的误差而使印刷效果下降，而国内生产的磨齿机可加工至 45 级，国外进口的高精度磨齿机可加工至 34 级，更有一些可以加工至 2 级。而日本标准 DIN 0 级相当于中国评判的 4 级，一般误差以 m为单位，1m=0.001mm.1.3.3 耐腐蚀性能钢中加入可以形成保护膜的铬、镍、铝、钛；改变电极电位的铜以及改善晶间腐蚀的钛、铌等，可以提高耐
16、腐蚀性 5。钢铁，特别是钣金的常用表面处理：加入铬，表面会很光亮，切忌六价铬，一般作为外露金属件的镀层，很美观。1.3.4 各种典型齿轮故障及其特征齿轮故障很多，在齿轮的运转中，由于制造与安装的不良，而造成内圆轴线与齿轮不同心不对中，以及大型齿轮的动不平衡，由于齿面间承受着交变载荷，引起的齿面剥落、胶合、点蚀、磨损及断齿等失效形式。1 塑性变形齿面产生的塑性变形，主要是因为硬化层较薄或心部基体较软，齿面硬度偏低，在过载或者冲击负荷较大情况下而造成的变形。变形较大时，时域中通常会明显的出现以一定时间为间隔的冲击振动，边带数量密而且多 6。变形较小时，频谱中主要以齿轮啮合频率和谐波为载波频率，齿轮
17、所在轴转频为调制间隔的边带成分，但其数量稀少。2 齿面磨损磨损失效在齿轮的失效中占的比重很大。齿轮运转速度过高或者过低均可能导致齿面早期的磨损失效。这是齿轮在运转的过程中，周围环境较差，混入硬质颗粒，因4而造成严重磨粒磨损，引起磨损，使表面不能形成良好的油膜，金属间直接接触，而出现早期的磨损失效 7。在大型的重载开式齿轮中，失效原因基本上都是磨损失效。齿面磨损为均匀磨损时由于无冲击的振动产生，不会出现明显调制现象；当磨损发展到一定的程度时，啮合频率和高次谐波幅值明显增大。同时，振动能量大幅增加。3 齿面严重点蚀齿面疲劳是造成齿面的严重点蚀的重要原因。齿轮在啮合的过程中，受到周期性的变化接触应力
18、作用，当接触应力超过次表面材料的极限应力或者超过轮齿工作表面时，就会在相应的部位产生微小的疲劳裂纹。疲劳裂纹不断延伸，扩展，最终使小块金属脱落，形成了小凹坑。由于接触疲劳所造成的点蚀多而出现在节点以下的齿面部位，因为在该部位齿轮的滑动和滚动方向相反。齿面的硬化层的深度与硬度和接触疲劳强度有着密切的联系，通过提高齿面的硬度办法来提高齿面的抗点蚀能力。齿面的点蚀在频域表现为：在啮合频率与高次谐波附近存在以点蚀，齿轮所在轴的转频为调制的边频，但调质边频带数量稀少。4 断齿从统计数字上来看，断齿的失效也占有一定比例，断裂是导致齿轮断齿失效的重要因素其一。由断裂引起的断齿主要发生在齿根部位，齿轮断齿时振
19、动信号有很大的冲击振动。频率的成分主要有断齿轴的谐波与啮合频率、转频以及在啮合频率与谐波附近存在的以断齿轴转频为间隔调质边频带。1.3.5 我国齿轮机床行业发展存在的问题 尽管取得了上述种种成绩，但国产数控机床仍远不能满足机床消费结构日益升级的，迄今中国机床市场上“高端失守、低端混战”的局面尚未得到根本转变，目前中国机床产业仅仅在规模方面具有相对比较优势，与机床制造强国相比较，在结构、水平、研发和服务能力等方面都还存在明显的差距，具体表现在以下几方面：第一、低端产品产能过剩导致价格战，高端产品主要依赖进口。进口产品几乎都是高档数控机床（包括成套生产线） 。由此可见，国产机床在高端产品的供应仍不
20、能满足国内市场的需求，国产机床产品大多属于中低端产品，这也是我国齿轮机床行业出现结构性矛盾的主要原因。第二、高性能数控系统和功能部件的发展滞后于主机，并已成为制约数控机床产业发展的瓶颈。从产品构成情况来看，高档数控机床所占比重低。我国金属切削机床产品产量中车床、钻床、铣床和磨床的比例较高，而加工中心的产量仅占金切机床产量的 1.73%，与机床强国之间的差距非常大。数控金属切削机床产量中车床、特殊加工机床、加工中心、铣床、磨床的占比相对较高，数控车床的比例更是高达一半以上。5第三、自主创新能力不强。在一些关键的共性技术上与发达国家还有不小差距，而且企业在产品研发和技术创新方面投入的精力还不够，目
21、前国内机床企业一直在尝试产学研的研发体系建设，但是还处于探索阶段。第四、产业集中度不高。企业多而散，全行业企业多达 5944 家；主机企业大而不强，小而不精；配套能力弱，产业分工不清晰；与数控机床产业快速发展相适应的产业链体系还不够完善。第五、高端人才匮乏，尤其是缺少高端数控机床、数控系统和功能部件研发的领军人才；缺少高级技工；缺少具有国际化视野的复合型管理人才 8。目前，高端人才不足已成为制约数控机床产业快速、可持续发展的深层次原因。1.3.6 齿轮质量改进的几点建议 加强装配的控制（1）在装配时加强啮合间隙的控制，调整螺旋伞，并且用塞尺验。（2）调整螺旋伞齿轮啮合的印痕，用涂红丹粉的方法检
22、验从动螺旋伞齿轮的啮合印痕该为：齿面接触斑点沿齿高方向长度为全齿高的 37%60%，距小端齿长 7%15%，非工作凹面的接触斑点控制在齿的中部 9。结构改进改进螺栓的防松方式 ，引进高强度的螺栓防松:（1）改变差速器联接螺栓和从动螺旋伞齿轮的结构，取消轴承座固定的螺栓串联铁丝防松结构，同时又取消开口销锁紧结构，全部使用高强度螺栓 10。（2）采用高强度的垫圈。（3）装配时涂高强度螺纹锁固剂，螺纹锁固剂可用于冲击的螺纹件的锁固，通过改进与承受强烈振动，有效地防止了螺纹松动现象。1.4 提高机床齿轮性能的措施1.4.1 齿轮材料的选择（1）根据齿轮的性能要求来选择（2）根据齿轮的承载能力来选择(轻
23、负荷，轻度或中度冲击载荷)（3）根据齿轮的工作条件来选择（4）根据材料的工艺性能（渗氮速度和处理温度）根据以上选择依据，我们选用40Cr作为我们的基体材料。61.4.2 齿轮材料的的加工过程锻坯预先热处理切削加工离子氮化 精加工（一般不需要）1.4.3 机床齿轮的服役条件齿轮在工作时的一般受力情况是齿轮通齿面接触传递动力，造成两齿面在相对滑动和动中产生剧烈摩擦，并使齿面承受交变接触应力齿根承受交变弯曲应力在齿轮启动、换档和合不均匀时承受冲击载荷 11。因此，齿轮主要的失效形式是摩擦所引的齿面过度磨损和交变接触压应力产生的表面触疲劳破坏即疲劳磨损弯曲疲劳应力和冲力所引起的疲劳断裂或其他形式断裂。1.5 离子氮化工艺1.5.1 离子氮化的原理Fe-N 状态图是研究氮化层组织、相结构及氮浓度沿渗层分布的一个重要的依据。上图为 Fe-N 状态图，图中有两个共析反应：在 590，N%=2.35%处，发生
