離子滲氮工藝提高40Cr機床齒輪耐磨性的研究

卞豪亮 宋勁松 蘇浩男

摘 ?要：為了提高40Cr機床齒輪的耐磨性，研究了離子滲氮工藝對其性能的影響，確定了離子滲氮工藝可以極大地提高40Cr鋼機床齒輪的表面硬度和耐磨性。通過對不同滲氮時間下40Cr試樣的金相觀察對比，顯微硬度分析和摩擦磨損性能分析，確定了40Cr鋼獲得最佳耐磨性能的滲氮時間。

關鍵詞：40Cr;離子滲氮;耐磨性

中圖分類號：TG61 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）15-0108-02

Abstract： In order to improve the wear resistance of 40Cr machine tool gears， the effect of ion nitriding process on its properties was studied. It was determined that the surface hardness and wear resistance of 40Cr steel machine tool gears could be greatly improved by ion nitriding process. Through the metallographic observation and comparison， microhardness analysis and friction and wear performance analysis of 40Cr samples under different nitriding time， the nitriding time for 40Cr steel to obtain the best wear resistance was determined.

Keywords： 40Cr; ion nitriding; wear resistance

機床在工作過程中，主要通過齒輪傳動傳遞動力，引導刀具進行加工。由于機床齒輪在工作過程中會承受各種不同速度，不同大小的載荷，齒輪之間會不斷產生相互磨損作用。一旦磨損過大，齒輪嚙合有誤差，就會導致機床加工精度的下降。因此，提高機床齒輪的耐磨性可以極大的提高齒輪的服役壽命。機床齒輪在承受中高速載荷的情況下，常選用40Cr鋼，一般都是經調質熱處理后加工得到。調質處理后的齒輪韌性很好，但是表面硬度較低，耐磨性較差[1，2]。近年來，各種表面工程技術不斷發展，其中離子滲氮技術可以有效地提高材料的耐磨性能，已經應用于較多的零件的生產工藝中[3，4]。因此，對40Cr機床齒輪采用離子滲氮工藝可以極大提高齒輪的耐磨性，增加機床的服役壽命。

1 試驗內容與方法

本試驗選用40Cr型號的機床齒輪用鋼，經測定其材料成分如表1所示。將調質處理后的40Cr鋼用線切割方法加工出30mm×10mm試樣。本試驗采用LDMC-5型真空離子滲氮爐，滲氮氣體為氫氣和氮氣，并且H2與N2體積比為3：1，滲氮溫度為540℃，滲氮時壓強為150Pa，分別進行4h、6h、8h、10h的離子滲氮試驗。將試樣懸掛于滲氮爐中，進行離子滲氮，對于滲氮后的試樣進行金相觀察，顯微硬度測定以及摩擦磨損試驗分析，確定試樣獲得最佳性能的離子滲氮時間。本試驗采用MH-3型顯微硬度計和M-2000型摩擦磨損實驗機。

2 試驗結果與分析

2.1 金相觀察分析

對試驗后的試樣進行顯微金相觀察，如圖1所示。40Cr鋼經離子滲氮后，工件表面會形成致密的滲氮層。圖1中試樣邊緣白亮的一層為白亮層，靠近白亮層的黑色部分為擴散層，白亮層和擴散層組成了滲氮層，靠近擴散層的心部組織為試樣的基體。從圖1中可以看出由（a）到（d）隨著40Cr鋼試樣的離子滲氮時間的增加，滲氮層中白亮層的厚度也明顯在增加，而且滲氮時間越長，白亮層分布得越均勻。

2.2 顯微硬度測定

對滲氮后的40Cr鋼試樣進行表面顯微硬度測定，并與未滲氮處理的試樣進行對比，如圖2。從圖2中可以看到離子滲氮可以極大地提高40Cr鋼表面的硬度。在滲氮時間在8h時，試樣表面獲得了最高的顯微硬度，試樣表面的顯微硬度是未滲氮試樣的2.58倍。

從試樣表面向心部依次測定顯微硬度，并依據GB/T11354-2005標準，通過測得的顯微硬度計算出不同滲氮時間下滲氮層的厚度，如圖3所示。從圖3中可以看出，滲氮時間從4h增加到8h時，40Cr鋼試樣的滲氮層厚度增長速度較快，滲氮時間從8h增加到10h時，40Cr鋼試樣的滲氮層厚度增長速度較為緩慢。由于N原子向試樣擴散的過程中不斷與Fe原子結合形成滲氮層，隨著N原子的不斷擴散，試樣表面的鐵氮化合物的濃度不斷增加，根據擴散定律，N原子的擴散速度是逐漸降低的，因此在滲氮時間為10h時，試樣的滲氮層厚度并沒有增加很多。因為表面形成氮化物后，氮化物需要向內部行進并輸送氮原子，隨著擴散的動力越來越小，其輸送N原子的速度也越來越慢，滲層厚度增加的趨勢也越平緩[5]。

2.3 摩擦磨損試驗分析

從圖4中可以看出離子滲氮后的試樣要比未滲氮的試樣磨損失重小很多，而且隨著滲氮時間的延長，試樣的磨損失重逐漸減少。在滲氮時間為8h時，試樣的磨損失重最小，與未滲氮試樣相比，磨損失重降低了70%。在滲氮時間為10h時，試樣的磨損質量反而增大一些。由于離子滲氮過程中，在試樣表面形成了高硬度的致密組織，這對提高滲氮試樣的耐磨性起到了極大的作用，并且在滲氮層中的ε，γ′相以及含氮固溶體，具有非金屬特性，可以減少與對磨工件的金屬咬合力，從而減少了粘著磨損[6]，使得離子滲氮試樣磨損失重減小很多。在滲氮時間達到10h以上時，由于滲氮保溫時間過長，試樣表面形成的滲氮層會發生部分分解，因而表面硬度降低，磨損失重增加了。

3 結論

（1）離子滲氮后的40Cr試樣的顯微硬度相比于未滲氮的試樣提高了2.58倍多的顯微硬度，并且磨損失重最多降低了70%，可以大大地提高40Cr機床齒輪的耐磨性能。

（2）40Cr機床齒輪在離子滲氮溫度為540℃，滲氮氣壓為150Pa下進行離子滲氮處理，在滲氮時間為8h時可以獲得最佳的性能。

參考文獻：

[1]陳希原.40Cr鋼齒輪低真空變壓氮碳共滲[J].金屬熱處理，2008（08）：142-145.

[2]李成美，項東，劉科高，等.40Cr齒輪失效分析[J].熱加工工藝，2007（04）：79+83.

[3]杜樹芳.離子滲氮技術的發展[J].熱處理，2018，33（04）：55-59.

[4]李肖霞.離子滲氮技術在汽輪機組閥桿類零件中的應用[J].機械工程師，2017（04）：120-121

[5]鐘厲，馬晨陽，韓西，等.40Cr鋼循環離子滲氮工藝及滲層硬度研究[J].表面技術，2017，46（02）：154-158.

[6]王光宏.高性能滲氮鋼的摩擦磨損特性研究[D].華南理工大學，2013.