齒輪離子滲氮化合物層不均勻分析及解決建議

龍見炳

摘 要：本文著重研究離子氮化中化合物層的相組成及厚度隨氮化溫度、時間而變化的規(guī)律，以及氮化氣氛和鋼中合金元素對化合物層的相組成和厚度的影響，并初步研究了氮化氣氛對化合物層深度和均勻性的影響進行分析。

關(guān)鍵詞：齒輪離子氮化;化合物層

1 齒輪離子滲氮工藝概述

齒輪離子氮化的基本原理是： 將齒輪零件置于真空爐體內(nèi)，往爐內(nèi)充入氨氣。齒輪接電源陰極，爐體接陽極，脈沖電源會使陰陽極間產(chǎn)生數(shù)百伏直流或脈沖電壓。在真空條件下，由于電場作用，爐內(nèi)氣體被電離，氮離子定向撞擊陰極，齒輪表面產(chǎn)生藍紫色的輝光放電并被加熱。經(jīng)過電離、吸收、擴散三個基本過程后得到所需要的氮化層，并在表面形成一層硬度高、耐磨損、抗疲勞和耐腐蝕的化合物層。

離子氮化具有滲速快，滲層性能好，工藝變形小以及耗氣、耗電量少等特點，是無污染、無公害的理想工藝，所以在齒輪表面強化中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 離子滲氮化合物層形成過程

2.1化合物層中的α相

采用氨氣進行離子氮化，齒輪表層的相結(jié)構(gòu)隨氣氛氮勢的提高呈現(xiàn)有規(guī)律的變化：α+γ'→γ'+α+ε→γ'+ε，這符合齒輪表層被氮飽和的擴散過程。而在實際的氮化過程中化合物層中確夾雜著α相。但是隨著擴散過程的進行，氮化表面氮濃度逐漸增高，α相隨之減少，最后消失。

在低氮勢氣氛離子氮化條件下氮化的工件表面，一般仍然殘存有少量的α相，表面氮濃度較低。

2.2化合物層中各相的分布

根據(jù)氮化檢測結(jié)果看，38CrMoAl鋼在低氮勢氣氛中離子氮化時，表面化合物層以γ'相為主，含有少量α相和ε相，而氣體氮化齒輪表面化合物層則以ε相為主，含有少量γ'相，并且一般沒有α相，或表面僅由ε相組成。

經(jīng)過試驗研究分析，離子氮化和氣體氮化時齒輪表面氮的散擴過程是相似的，只不過氣體氮化時表面氮飽和度較高，所以γ'相區(qū)向齒輪內(nèi)部推移，而離子氮化時由于離子轟擊和陰極濺射作用，使齒輪表層氮的擴散大大加速，造成齒輪外表面不易達到較高的氮濃度，故γ'相區(qū)集中在外表層。如果采用較高氮勢的氣氛，在同樣的氮化溫度下也可以取得相當(dāng)于氣體氮化的表面高氮濃度。可見化合物層的形成，取決于氮化表面從氮化氣氛中吸收的氮量與向齒輪內(nèi)部擴散的氮量之間平衡的過程。

3離子氮化條件對形成化合物層的影響

3.1氮化溫度與時間對化合物層的影晌

隨著氮化溫度的升高和保溫時間的延長，氮化氣氛與氮化表面的界面反應(yīng)，材料內(nèi)部的擴散過程都在深入進行，因此形成氮化層的兩個過程，即化合物層的形成和擴散層的發(fā)展，將分別在不同程度上受氮化溫度與時間的影響。38CrMoAIA鋼在氨分解氣中離子氮化時，470℃×36h氮化，齒輪表面氮濃度為8.3%，520℃×24h氮化為6.8%，550℃×12h氮化為5.7%。可見在此實驗條件下，提高氮化溫度對加速氮的擴散起主導(dǎo)作用，造成表面氮濃度降低，使擴散層深度增加。

隨著氮化保溫時間的延長，化合物層厚度增加，化合物層中γ'相含量逐漸增多。這表明在氨氣中550℃離子氮化保溫過程中，齒輪內(nèi)部氮的擴散過程大于外表面氮的吸收過程。延長保溫時間，表面氮濃度有下降的趨勢，特別是在低氣壓時。

3.2氣壓的對化合物層影晌

氣壓對離子氮化時離子轟擊和陰極濺射過程影響極大，因而直接影響氮化氣氛與氮化表面的界面反應(yīng)。在不同氣壓下38CrMoAIA鋼離子氮化后表面的氮濃度，在氮化過程初期，即化合物層開始形成時，氣壓升高，表面氮濃度明顯下降。因而在擴散層中氮的擴散遠未達到平衡狀態(tài)時，氣壓主要影響化合物層的形成，低氣壓可能有利于高氮的ε相形成。

3.3陰極濺射的影晌

在離子轟擊下產(chǎn)生的陰極濺射，對離子氮化化合物層的形成以及氮的擴散有重要的影響。這不僅由于陰極濺射改變了氮化表面狀態(tài)，更重要的是它強化了氣氛與氮化表面之間的界面反應(yīng)。如果采用特殊的陰極濺射處理，鋼表面原始組織中鐵素體和碳化物兩相都會發(fā)生變化，不僅鐵受到濺射，更重要的是可能使碳化物發(fā)生分解和濺射。由于濺射條件和濺射強度不同，這種表面組織、成分及狀態(tài)改變的情況也會有差別。

4 化合物層不均勻分析

目前，我公司生產(chǎn)的汽車齒輪的化合物層要求7μm以上，生產(chǎn)中容易出現(xiàn)無化合物層或者化合物層<7μm 的情況，且各部位不均勻，針對化合物層不合格不均勻的分析方法如下：

4.1滲氮氣氛的影響

離子滲氮氣氛中氮和碳的含量是影響化合物層相結(jié)構(gòu)的重要因素。隨著氣氛含氮量增加，化合物層中ε相增多，白亮層也隨之增厚，

4.2含碳量對化合物層的影響

氣氛中添加含碳氣體將抑制γ相形成，而得到以ε相為主或ε單相結(jié)構(gòu)的化合物層。如氣氛中加入丙烷（ C3H8） 后，化合物層中ε相含量迅速增多，基本由ε單相組成。含碳量再增加則化合物層中開始出現(xiàn) Fe3C; 含碳量繼續(xù)增加，則 Fe3C 增多，ε相就會減少直到完全消失。

離子滲氮需要嚴格控制氣氛中含碳量，使之能得到ε單相或ε+少量 Fe3C 的雙相組織。這樣的組織其硬度和耐磨性均比單純離子氮化有較大提高。

4.3鋼材成分和組織的影響

隨著鋼中含碳量及合金元素增加，氮化層中ε相也隨之增多。基體組織硬度較高者，滲氮層表面硬度也較高，而且化合物層較厚，其中 ε 相也較多。一般來說，調(diào)質(zhì)組織滲氮后化合物層中的ε相含量比正火組織的少。

4.4滲氮保溫時間的影響

有些鋼化合物層厚度在滲氮初期增長較快，保溫2～4 h 后變化不大。而 38CrMoAl 鋼化合物層厚度則隨時間延長而增厚，保溫 24 h 后，這種趨勢仍然保持著。所以保溫時間對化合物層的影響程度要根據(jù)平時調(diào)試設(shè)備時的經(jīng)驗來總結(jié)，每種產(chǎn)品在不同的設(shè)備中會有些差異。

4.5滲氮溫度的影響

38CrMoAl鋼滲氮時，從510 ℃上升到560℃，化合物層中ε和γ'均增加; 當(dāng)上升到 580 ～ 600 ℃時，ε相忽然減少，γ'相數(shù)量猛增; 當(dāng)溫度上升到 620 ℃時，γ'相數(shù)量急劇減少; 這點也是要積累調(diào)試經(jīng)驗，做好設(shè)備檔案，供分析問題時參考。

5 結(jié)論與建議

由于離子轟擊和陰極濺射作用所引起的氮擴散的加速，造成離子氮化表面氮濃度比氣體氮化低。充分利用陰極濺射作用，可以增強氮化次表層的硬化效果。

氮化鋼離子氮化的化合物層由γ、ε和a相組成，各相的比例隨工藝條件而變。由于在低氮勢氣氛中離子氮化時，氮化表面氮濃度較低，以及整個氮化表面上化合物層不均勻地向擴散層中發(fā)展，致使在工件同一深度表層內(nèi)，化合物層中有時還夾雜著a相。化合物層中保存適當(dāng)數(shù)量的a相，對降低氮化層脆性是很必要的。

離子氮化設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝控制困難，在出現(xiàn)問題時借鑒他人的經(jīng)驗?zāi)苁箚栴}得到快速解決。從解決問題的經(jīng)驗來看，零件的清潔、設(shè)備的日常維護極其重要，建議用標準作業(yè)指導(dǎo)書、設(shè)備點檢卡等文件規(guī)范設(shè)備的操作與維護，這樣能大大降低出現(xiàn)質(zhì)量問題的頻率。

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