內齒圈氮碳共滲工藝研究

朱賀

徐州圣邦機械有限公司 江蘇徐州 221000

1 序言

某新型工程機械的行走機構采用行星齒輪減速機，其內齒圈與行星齒輪嚙合，承載整個行走機構最終輸出的轉矩，因此不僅要求齒面有著足夠高的硬度、耐磨性和抗疲勞性，而且要求心部有一定的強度和韌性。根據實際工況并結合設計要求及加工條件，對內齒圈采用調質處理后進行氮碳共滲的熱處理工藝。為滿足技術要求，我公司新購入一臺自動化可控井式滲氮爐對其進行處理，但是在氮碳共滲后出現了一些質量問題。本文從設備、工藝參數、操作等方面進行原因分析，針對性優化工藝，經驗證滿足了設計技術要求。

2 初始工藝

2.1 工件

內齒圈結構如圖1所示，材料為42CrMo鋼，工件滲氮（安裝面A除外）。技術要求：齒面硬度620～750HV1，滲層深度0.2～0.3mm。

圖1 內齒圈結構

2.2 設備

采用R N-160-6可控井式滲氮爐，額定溫度650℃，3區控溫加熱，有效減少爐內溫差。配置微控全自動氮勢控制系統，按照程序設定在對溫度、時間、壓力等參數進行控制的同時，通過流量控制系統中的常量電磁閥、脈沖電磁變量閥等，對通入爐內的氨氣流量和甲醇滴速進行實時精確控制，從而將爐內氨氣分解率控制在設定范圍內，以保證爐內氮勢Np[1]。

2.3 工藝方案

零件加工路線為：下料→鍛打毛坯→正火→粗加工→調質→精加工→鉆孔→插齒→氮碳共滲→裝配。采用滴注式氣體氮碳共滲處理工藝，滲劑采用氨氣+甲醇。

將內齒圈A面涂抹防滲劑后，均勻擺放在專用工裝上，每批帶若干隨爐試塊（材料和調質處理與內齒圈同批），以便進行表面硬度、滲層深度的檢測。初步制定熱處理工藝曲線如圖2所示，具體工藝過程如下。

圖2 熱處理工藝曲線

1）采用等溫滲氮法進行氮碳共滲。

2）內齒圈入爐加熱后通入氨氣進行排氣，加熱到350℃時保溫30min，達到500℃時進氣系統的兩個常量閥全部打開，爐內溫度達到設定值520℃時保溫330min。

3）強滲階段2 4 0 m i n，分解率控制在2 0%～2 5%，擴散階段9 0 m i n，分解率控制在40%～45%。

4）利用氮勢控制系統使氨氣流量保持在4.5～5.5m3/h、甲醇滴注速度約60滴/min，從而調節爐內氨氣分解率在設定范圍內。

5）為保證爐內氮勢，共滲過程中對進氣壓力和流量、爐內壓力和溫度、甲醇滴注速度等都要進行實時監控和調整。

6）內齒圈隨爐冷卻到200℃時出爐空冷。

3 內齒圈氮碳共滲問題及分析

3.1 出爐后出現質量問題

1）滲層平均硬度約550HV1，滲層平均深度約0.15mm，均未達到設計技術要求。

2）工件表面顏色不均勻，有斑狀和流掛現象，如圖3所示。

圖3 表面斑狀和流掛

3）上面兩層工件表面出現藍色，如圖4所示。

圖4 表面藍色

4）零件畸變尺寸超差：設計要求徑向圓跳動控制在0.05mm以內，多次測量實際值約為0.12mm。

3.2 原因分析

調取熱處理工藝運行曲線（見圖5）。結合設備、工藝和實際運行數據，對出現的質量問題原因進行分析。

圖5 熱處理工藝運行曲線

（1）滲層深度不夠，硬度偏低 主要原因為共滲溫度520℃偏低，保溫時間330min偏短，通入氨氣過早。強滲階段分解率偏低，造成爐內氮勢過高，另外分解率不穩定，在運行過程中多次出現波動。

（2）工件表面顏色不均勻，有斑狀和流掛現象主要原因為工件沒有清洗干凈，表面存在油污和殘留清洗劑。另外A面涂抹的KS-2局部防滲劑較多，導致受熱后流淌到工件表面。

（3）工件表面出現藍色 從熱處理工藝運行曲線可以看出，在共滲過程中氨氣進氣壓力有兩次突然降低，在冷卻階段更是降低到零線，可以反映出運行過程中氨氣出現過中斷，導致爐內出現負壓，有空氣進入爐內，造成上層工件表面氧化出現藍色。

（4）零件畸變尺寸超差 升溫過程中保溫階段只有一段太少且保溫時間太短，出爐溫度200℃偏高，導致工件受熱不均產生畸變。

4 改進工藝

根據以上分析，再次制定的熱處理工藝曲線如圖6所示。

1）采用二段滲氮法，將氮碳共滲分兩個溫度階梯保溫。初期采用高氮勢，增加表面氮含量，中后期降低氮勢，使表面高氮向心部擴散，減少表面高氮白亮層的厚度，避免形成網狀氮化物[2]。

2）采用階梯升溫，加熱到250℃、350℃、450℃時分別保溫30min，當達到360℃時進氣系統的常量閥1打開通入氨氣進行排氣。這樣可以使工件表面充分氧化以增加齒面觸媒效應，達到500℃時進氣系統的常量閥2打開，共滲過程中通過脈沖電磁變量閥對流量進行實時控制。

3）根據裝爐量延長保溫時間，強滲階段360m i n，分解率控制在40%～45%；擴散階段120m i n，分解率控制在50%～55%；退氮階段60min，分解率控制在＞80%。

4）利用氮勢控制系統使氨氣流量保持在5～6m3/h、甲醇滴注速度約90滴/min，調節爐內氨氣分解率在設定范圍內，以保證爐內氮勢。

5）由原來單瓶供氣改為雙瓶并聯供氣，保證進氣壓力連續穩定。共滲過程中對進氣壓力和流量、爐內壓力和溫度、甲醇滴注速度等進行實時監控和及時調整。

6）內齒圈隨爐冷卻到150℃時出爐空冷。

改進后熱處理工藝運行曲線如圖7所示，從中可以看出，爐內溫度和壓力，以及氨氣進氣壓力和流量均平穩正常，分解率保持平穩，主要參數均在工藝要求范圍內。

圖7 改進后熱處理工藝運行曲線

改進后熱處理工藝執行完畢后的出爐效果如圖8所示，內齒圈表面呈銀灰色且較均勻，外觀質量較好。隨爐試塊的表面硬度、滲層深度、內齒圈關鍵尺寸均在技術要求范圍內。后續經多爐試驗均取得了良好的效果，驗證了此工藝方案的合理性和可執行性。

圖8 改進后熱處理工藝的出爐效果

5 結束語

氮碳共滲在化學熱處理方式中有著很多優勢，本文從氮碳共滲工藝的制定和執行細節入手，通過對設備和全過程參數的細致分析，找到了造成質量問題的原因，并有針對性地改進工藝方案及相關參數。經驗證取得了良好的效果，為今后類似零件進行氮碳共滲起到了示范作用。