齒輪氣體滲氮的常見問題及對策

任素紅，李朋九

大連創新齒輪箱制造有限公司 遼寧大連 116314

1 序言

氣體滲氮與離子滲氮相比，具有操作簡單、工藝可重復性高、設備結構和滲氮原理簡單等優勢，可以實現工藝過程的自動控制[1]，最突出的特點是滲氮溫度和氣氛均勻性較好。對于齒輪滲氮尤其是小模數齒輪，齒根與節圓的滲氮層深之差比離子滲氮小[2]。近年來，氣體滲氮工藝的發展較快，如預先氧化催滲氣體滲氮工藝和各種氣體滲氮催滲等[3]，這些新工藝都不同程度地縮短了離子滲氮與氣體滲氮間生產周期的差距。但是，在齒輪可控氣氛滲氮過程中還應注意以下幾個問題。

2 氣體滲氮前的清洗

齒輪在氣體滲氮裝爐前要將齒輪清洗干凈，不得有水分和雜質殘留，否則滲氮后齒輪外觀顏色不均勻，出現暗色花斑。雖然花斑處與正常區域處的滲氮層深、滲氮硬度及金相組織并無明顯的區別，但花斑會嚴重影響齒輪的外觀質量。通過對不規則花斑區域進行超景深體視顯微鏡進行宏觀形貌分析（見圖1）、掃描電鏡觀察花斑區域的微觀形貌（見圖2，肉眼觀察到的花斑區域在掃描電鏡下呈現白色區域）。

圖1 齒輪端面花斑區域宏觀形貌

圖2 齒輪端面花斑區域微觀形貌

對齒輪端面外觀異常的花斑區域與齒輪端面正常區域的化學成分進行對比分析，結果見表1。從表1可知，異常花斑區域較正常區域的O元素含量高，除了含有較高的O元素外，還含有少量的Na、S、Cl、K、Ca、Mg和Al等元素。這些元素主要來源于水、清洗劑和剃齒油的殘留。

表1 齒輪端面微區化學成分測定對比結果（質量分數） （%）

從上述分析可知，氣體滲氮外觀花斑是由于滲氮前清洗不凈造成的，因此在氣體滲氮齒輪的清洗方面要特別注意以下幾點。

1）采用水基清洗劑進行清洗時，最后漂洗的水溫不宜過高。漂洗水溫過高時，會使水分直接烘干在工件表面，因此適當降低漂洗溫度并使用高壓氣槍吹干效果較好。

2）采用丙酮、汽油等物質進行清洗，但這類物質閃點較低，應注意清洗環境的通風和消防安全。

3）采用碳氫清洗機進行清洗前應對工件進行脫水處理。

4）要注意清洗過程中所使用水的水質，盡可能使用純水。

3 齒輪滲氮畸變的控制

齒輪滲氮畸變與齒輪形狀、機加工殘余應力、齒輪材料、滲氮工裝、滲氮工藝及滲氮后齒輪的冷卻速度有關[4]。在日常生產中，人們往往關注前幾項因素，而忽略了滲氮后齒輪的冷卻速度，尤其是薄壁件齒輪內孔的畸變量對滲氮后的冷卻速度較為敏感。以圖3所示齒輪為例，其滲氮前內孔尺寸φ52-0.02-0.035mm，齒輪冷卻時間與內孔漲量的關系見表2。

表2 齒輪冷卻時間與內孔漲量的關系

圖3 齒輪尺寸

由試驗結果可見，不同冷卻速度齒輪內孔的畸變趨勢都是一致的，基本表現為漲大，但畸變量卻不同。當滲氮后冷卻速度較慢時，內孔的畸變量較大，當滲氮后的冷卻速度較快時，內孔的畸變量較小。為使齒輪內孔畸變量穩定，提高齒輪滲氮后內孔的合格率，必須嚴格控制齒輪氣體滲氮后的冷卻速度。

4 氣體滲氮爐漏氣導致氧化的補救

氣體滲氮爐因密封等問題出現漏氣時，會造成工件表面氧化，這種氧化對工件的內在質量沒有影響[5]，但不符合外觀質量要求。在這種狀態下，可以采用表3的返修工藝進行還原。氣體滲氮漏氣氧化與還原后齒輪外觀如圖4所示。

圖4 氣體滲氮漏氣還原前后齒輪外觀

表3 氧化工件的返修工藝

在進行外觀還原時一定要注意：還原時的滲氮溫度不能超過第一次滲氮的溫度，通常還原時的滲氮溫度應低于上一次氮化溫度的20℃左右。根據氧化的嚴重程度，可以適當延長工藝時間。

5 結束語

從上述三方面問題及解決方案可知，當熱處理過程出現問題時，應注意工藝過程中的每個細節，抓住關鍵才能解決問題。