离子渗氮对机床齿轮用钢显微组织及性能的影响_毕业论文(编辑修改稿)

离子渗氮对机床齿轮用钢显微组织及性能的影响_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

缘崩碎较 4级～ 5级 极脆，压痕边缘严重脆裂 9 通常 2级合格， 5级不合格。 但若经扩散处理或磨削后再次进行脆性检验，如符合 2级标准仍为合格。 采用压痕法主观因素较多，目前应用的更为客观的方法是声发射技术，通过测量渗氮试样在弯曲或扭转过程中出现第一根裂纹的挠度来定 量描述脆性。 渗氮层深度的测定 从表面至与基体组织有明显分界为止的距离为氮化层深度。 其测量方法有断口法、金相法、硬度法三种。 断口法是将带缺口的试样打断，用 25倍放大镜进行测量。 由于氮化层组织较细呈现瓷状断口而心部组织较粗呈现塑性破断的特征，因此能直接测出渗氮层的深度。 此法方便迅速，但精度较低。 金相法是利用渗氮层组织与心部组织抗腐蚀性能不同的特点测量渗氮层深度 [17]。 将金相试样用 3﹪～ 4﹪ 硝酸酒精溶液或 4﹪苦味酸酒精溶液侵蚀后，在放大 100或 200倍的显微镜下，从试样表面垂直方向测至与基体组织有明显的 分界处为止，此深度即为渗氮层深度。 对于渗氮层显微组织与扩散层 显微组织 无明显分界线的试样，可加热至接近或略低于 Ac1（ 700～ 800℃ ） 的温度，然后水淬，利用渗氮层含氮而使 Ac1点降低的特点测定层深，此时渗层淬火成为抗蚀性能较好的的马氏体组织，而心部为抗蚀性能较差的高温回火组织。 硬度法是将渗氮后的试样从表面沿层深方向测得一系列硬度值，维氏硬度为 500HV试验力为 ， 以上者皆可算在氮化层内。 金相组织检查 金相组织检查包括渗氮层组织检查和心部组织检查两部分。 合格的渗氮组织应是索氏体加氮化物，不应有 白色的针状、脉状、网状及鱼骨状氮化物，否则会使渗层变脆，剥落。 最外层出现的 ε脆性相应磨去，合格的心部组织应为回火索氏体组织（调制处理），不允许有大量游离铁素体存在 [18]。 氮化件常见的缺陷及预防 渗氮层硬度低 产生硬度低的原因是氮化温度过高；氨分解率偏高或中断氨气供给的时间太长 ；使用新的氮化罐或氮化罐久用未退氮，从而提高了氨分解率；不合理 装炉 ， 造成气流不均匀，使部分零件氮化不良；零件调质后心部硬度太低等， 可采取相应的预防措施[19]。 例如，合理确定和控制氮化工艺温度；加强对氨分解率的测定和控 制；在使用新氮化罐时，注意适当加大氨气流量；氮化罐使用 10 炉左右进行一次退氮处理；预备热处理时，适当降低调质 回火温度，以提高零件心部硬度。 除了因氮化温度偏高及调质 心部硬度太低外，其他原因产生的氮化层硬度低均可通过补充氮化来补救。 补充氮化的工艺是 510℃ 、 10h 氮化，氨分解率 20%～ 30%。 10 渗氮层浅 氮化层深度不足的原因是：氮化温度偏低；保温时间太短；氨分解率过高或过低；使用了新的氮化罐或夹具；工件之间距离太近等。 针对以上原因可采取相应的预防措施，例如，对新用的氮化罐或夹具，一定要空炉氮化一两次后再使 用；严格控制温度、时间、氨分解率等工艺参数。 补偿措施是进行一次补充氮化，其工艺应根据氮化层已达到的深度及表面硬度等具体情况而定。 如表面硬度很高，补充氮化温度可高些，时间则可短些；反之，则应用较低的温度，保温时间按具体情况而定。 工件表面硬度不均匀 渗氮层硬度不均匀是指零件局部表面有软点或面积不等的软块 [20]。 产生的原因是炉内温度不均匀或炉内进气管道上部分进气孔堵塞，造成气流分布不均匀；零件表面有锈斑、油污；装炉量太大，零件 彼此间距太小；绑扎铁丝上的锌或镀锡层（防止渗氮）流淌到氮化面上， 补救办法是重新 进行氮化。 氮化层脆性大或气泡脱落 氮化层脆性大产生的原因是液氨含水量高，造成脱碳；氮化前工件表面脱碳层未全部加工掉；氨分解率过低，氨浓度太高，退氮不当；工件有尖角、锐边，表面太粗糙等。 挽救的方法是进行一次退氮处理（ 500～ 520℃ ， 3～ 5h，氨分解率 80%） ；磨掉白亮层；在 20%NaCN 溶液中，于 60～ 80℃ 浸煮 68h，去掉白亮层。 工件变形大 产生工件变形的原因是零件氮化前机械加工或预备热处理的残余应力未彻底消除；零件形状复杂，厚薄尺寸相差悬殊，有易变形的尖角、棱角等；氮化技术要求不合理，要 求渗层太深或不均匀的局部氮化；氮化温度过高或不均匀，氮化时间过长；出炉过早；升降温过快或氨气流量不稳定等都会导致变形增大。 对于尺寸要求不高的零件可以进行热校，但校直后必须进行消除应力处理。 表面氧化 氮化罐漏气，氮化罐中有空气侵入；出炉温度太高，在 300℃ 以上出炉，零件表面发生氧化；氮化后过早停止通氨，罐内出现负压，吸入了空气；氨液含水量超过了规定的要求或干燥剂失效，有过多的水分进入罐内造成氧化，进气管道内积存了水分，进入罐内导致氧化等。 表面氧化一般没有什么影响，对要求高的零件可再进行一次 3h的氮化处理 ，因氨分解的氢使工件表面上的氧化物还原，从而使氧化色消除。 氮化层不致密、抗蚀性差 产生氮化层不致密、抗蚀性差的原因是表面氨浓度太低，工件表面有锈斑。 对抗蚀氮化的工件可再进行一次氮化。 11 渗层中出现网状或波纹状氮化物 氮化温度过高、氨气含水量多、调质 淬火温度过高所造成的晶粒粗大以及零件尖角或锐边处，都会导致在扩散层中形成波纹状及网状氮化物 [21]。 这种组织的出现，严重影响氮化质量，使氮化层脆性增加，极易剥落， 可用扩散处理方法予以减轻。 针状或鱼骨状氮化物 产生针状或鱼骨状氮化物的原因是工件表面有 脱碳层、氨气含水量高造成脱碳或氮化前钢内已有大块铁素体或上贝氏体组织。 针状或鱼骨状氮化物增加渗层脆性。 离子氮化与离子渗碳的区别 渗碳和渗氮最大的区别就是介质不同，适用的钢也不同，渗碳适用于低碳钢，渗氮适用于中碳钢。 渗碳 ： 渗碳是目前应用最广泛的一种化学热处理方法。 它是渗碳介质在工件表面产生的活性碳原子，经过表面吸收和扩散 ， 将碳渗入低碳钢或低碳合金钢工件表层，使其达到共析或略高于共析成分时的含碳量，以便将工件淬火和低温回火后，其表层的硬度、强度，特别是疲劳强度和耐磨性，较心部都有显著的提高，而心 部仍保持一定的强度和良好的韧性 [22]。 渗氮： 将氮渗入钢件表面的热处理工艺称为钢的氮化或渗氮。 特点 ： 氮化能使钢件表面获得比渗碳更高的表面硬度（可高达 HV950~1200）、耐磨性、疲劳强度、红硬性及抗咬合性。 氮化在钢件表面形成稳定的化合物层，所以氮化还可以提高钢件的抗蚀性。 氮化温度低，一般 480~600℃ ，常用 560℃ ，而且氮化后通常炉冷，因此氮化后工件变形很小。 氮化周期长，一般几十甚至上百小时、成本高、氮化层较薄，一般 、且脆性较高，使氮化件不能承受太高的接触应力和冲击载荷。 课题 研究意义及主要内容 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的需求增长变得十分耀眼。 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12 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。 基于上述情况，结合我校所具备的实验设备和实验条件，选定本论文的研究内容为： 利用离子氮化技术对齿 轮进行表面强化处理，分析离子氮化对齿轮的表面性能的影响； 对离子氮化后的齿轮进行组织形貌、厚度、成分、硬度、抗氧化性能、抗腐蚀性能进行分析。 13 第二章 实验内容及条件 试样的制备 机床齿轮的性能不仅取决于基材的常规工艺操作，也取决于后期的特殊工艺操作，如离子氮化 及离子氮化工艺参数的设置。 所以对材料的选择及工艺的 选择 非常重要。 齿轮材料的选择 基体材料 为 40Cr，氮 源为氨 气 齿轮材料的制备过程 预先热处理 调质钢经热加工后，必须经过 预备热处理来降低硬度，便于切削加工，消除热加工时造成的组织缺陷，细化晶粒，改善组织，为最终热处理做好准备。 对于 40Cr 钢而言，可进行正火或退火处理。 最终热处理 调质钢的最终热处理是淬火加高温回火 [23]。 一般可以采用较慢的冷却速度淬火，可以用油淬以避免热处理缺陷。 当强度较高时，采用较低的回火温度，反之选用较高的回火温度。 本次实验是将 40Cr 在 840~860℃ 下 淬火， 然后 油冷， 最后在 500~540℃回火。 离子氮化处理 离子氮化， 又称辉光渗氮，是利用辉光放电原理进行的。 离子渗氮是在充以含氮气 体的低 真空炉体内把金 属工件作为阴极炉体为阳极，通电后介质中的氮氢原子在高压直流电场 下 被电离，在 阴阳极之间形成等离子区。 在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子 高速 向工件表面轰击。 离子的高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度。 由于离子的轰击，工件表面产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂渗入工件表 面 ，离子渗氮装置见图一 [24]。 14 炉子的工艺参数为温度 550℃ ，气氛是分解氨。 离子渗氮属于等离子热处理的范畴，也是渗氮化学热处理中的一种。 它是利用稀薄气体辉光放电形成活性氮离子，在直流电场中对工件进行 热处理的一种表面改性技术。 相比于气体渗氮，离子渗氮具有清洁无公害、渗速快、节能省气、畸变小、渗层组成可调、处理温度范围广 ( 从 380 ～ 850 ℃ ) 等优点，已被广泛用于碳素结构钢、合金结构钢、工模具钢、不锈钢、球墨铸铁、灰口铸铁、钛合金、粉末冶金等材料的表面强化。 齿轮材料的的性能表征 离子渗氮过程中， 离子渗氮作为强化金属表面的一种 化学热处理 方法，广泛适用于 铸铁 、碳钢、合金钢、不锈钢及钛合金等。 零件经离子渗氮处理后，可显著提高材料表面的硬度，使其具有高的耐磨性、疲劳强度，抗蚀能力及抗烧伤性等。 同时，在离子渗氮过程中，也存在一些缺陷，例 如，硬度偏低、硬度和渗层不 均匀、变形超差、外观质量差、脉状氮化物等 [25]。 而在实际使用中，对齿轮的性能要求很高。 所以，离子渗氮层的表征对其应用于实际具有重要意义。 齿轮材料表征所用仪器 金相试样抛光 机 金相试样的制备是通过切割机、镶嵌机、磨 /抛光机来完成的，金相试样的最终质量是由抛光工序决定的，抛光是金相制样过程中至关重要的一环。 抛光是将试样上磨制产生的磨痕及变形层去掉，使其成为光滑镜面的最后工序。 金相显微镜 金相显微镜用于鉴别和分析各种材料内部的组织。 原材料的检验、铸造、压力加工、热处理等一系列生产过程的质量检测与控制需要使用金相显微镜，新材料、新技术的开发以及跟踪世界高科技前沿的研究工作也需要使用金相显微镜。 15 显微硬度计 HXS1000Z 显微硬度计是测定金属、合金表面层及金属内部组织结构的显微 硬度，测定用其他方法所不能及的小件、薄件、脆硬件以及相夹杂、镀层等的硬度 [25]。 显微硬度图像处理则可在细微距离内进行精密定位的多点测量 ， 或经表面处理后的硬化层（氮化层，渗碳层）深度的测试与分析 ，通过测定试样的各个组织显微硬度的变化，可以对试样进行相，组织的分析。 X 射线衍射仪 X 射线衍射仪是利用 衍射 原理 ,精确测定物质的 晶体结构 ,织构及应力 ,精确的进行物相分析 ,定性分析 ,定量分析 ,广泛应用于冶金 、 石油 、 化工 、 科研 、 航空航天 、 教学 、 材料生产等领域。 X 射线衍射 仪是利用 X 射线衍射原理研究物质内部微观结构的一种大型 分析仪器 ，广泛应用于各大、专院校 、 科研院所及厂矿企业。 原始试样及渗氮层的组织形貌及成分分析 渗氮层的宏观形貌和显微组织是渗氮层组织的重要性能之一，也是影响材料性能的最重要的因素。 试样 先进行调质处理，得到回火索氏体组 织， 550℃ 渗 氮。 表层为白色氮化物层 (ε 相 )，次表层侵蚀后变黑，是氮化扩散层，在 ε 相和扩散层之间常有白色的脉状分布的氮化物组织，由于氮浓度的增加，脉状组织可以变粗，甚至形成网状 [28]。 为了清楚地了解渗氮层的组织及成分 ， 因而 借助 金相显微镜和 XRD 衍射仪等仪器，帮助我们更好地探索试样的性能。 目前， X 射线粉末衍射技术（ XRD）已发展成为最重要的材料分析测试技术之一，它具有操作简便、迅速、信息全面、样品用量少、对样品无损害、无污染、衍射强度准确等优点。 主要应用于无机物，可以测定晶体中晶粒的大小、晶胞形状或材料的 织构等。 XRD 特别适用于晶态物质的物相分析。 通过样品的 X 射线衍射图与已知的晶态物质的 X 射线衍射谱图的对比分析便可以完成样品物相组成和结构的定性鉴定和定量分析。 X 射线是人们首次发现的一种短波长电磁波，具有很强的穿透性， 而且 波长介于 0. 001 ～ 10 nm 之间，与物质的结构单元尺寸在同一个数量级，这决定了 X 射线技术能够成为物质结构的主要分析手段之一。 X 射线衍射是利用 X 射线在晶体或非晶体中的衍射与散射效应进行物相的定性和定量分析、结构类型和不完整性分析的技术。 X 射线衍射基于单色 X 射线与结晶样品之间的相长干涉，衍射线空间方位和晶体结构之。