渗氮齿轮与渗碳齿轮的技术及经济性对比

1、第35卷第3期2010年3月Vol135No13March2010渗氮齿轮与渗碳齿轮的技术及经济性对比卢金生,陈国民(郑州机械研究所,河南郑州450052)摘要:从齿轮的强度性能、热处理畸变、工艺路线、制造成本等方面阐述了渗氮齿轮与渗碳齿轮的情况对比,肯定了渗氮齿轮在某些方面的独特优势,总结了渗氮齿轮的应用范围。关键词:渗氮齿轮;渗碳齿轮;应用领域中图分类号:TG162.73;TG15618文献标志码:A文章编号:025426051(032TechnicalandeconomiccomparisonofcarburizedgearLUJin(ZhengzhouIofZhengzhouHenan

2、450052,China)Abstract:Thispaperdealswithheattreatmentdistortion,manufacturingprocess,productioncostofnitridedgearandcarburizedgear1geararesure,anditsapplicationfieldisproposed1Keywords:nitridedapplicationfield随着工业技术的发展,高速、钢质重载齿轮已经广泛地采用硬齿面技术。硬齿面齿轮具有强度高、精度高、体积小、质量轻等一系列优点。渗碳、渗氮分别是齿轮最常用的表面强化工艺,两种工艺各具优缺点

3、。表1是齿轮渗碳与渗氮工艺对比。由于渗氮具有畸变小的优点,受到了人们的关注,特别是近年来深层可控渗氮在高速、重载、精密齿轮上的应用,在实践中取得了成功,并证明在某些领域有明显的优势。本文从几个方面将渗氮齿轮与渗碳齿轮作一个系统的对比。1两种工艺齿轮的力学性能对比111齿面耐磨性对比收稿日期:2009209214作者简介:卢金生(1965),男,河南潢川人,高级工程师,硕士,主要从事化学热处理工艺与性能、设备的研究,发表论文30余篇。联系电话:0371267710617,E2mail:lujinsheng20081261com5王磊.钛表面微弧氧化膜的研究进展J.中国口腔种植学,2006,11(

4、1):48250.6YerokhinAL.SpatialcharacteristicsofdischargephenomenainplasmaelectrolyticoxidationofaluminumalloyJ.SurfaceandCoatingsTech2nology,2004,1772188:7792783.7XueWB,WangC,ChenRY,etal.Structureandpropertiescharacter2izationofceramiccoatingsproducedonTi26Al24Valloybymicro2arcoxidationinaluminatesolu

5、tionJ.MaterLett,2002,52(6):4352441.8王志刚,朱瑞富,吕宇鹏,等.钛、镁、铝合金的表面微弧氧化技术J.陶瓷,2007(1):17221.9李淑华,程金生,尹玉军,等.微弧氧化过程中电流和电压变化规律由于渗氮层化合物层中的相具有较高硬度,因而渗氮齿轮具有良好的耐磨性,这对于保持齿轮传动的精度至关重要。图1为18HGT钢(俄罗斯钢号,相当于我国20CrMnTi钢)可控渗氮、8620钢渗碳后在两种载荷下的耐磨性比较,在其试验条件下渗氮表面比1渗碳表面的耐磨性高70%80%。保护,2007,40(2):30232.13高玉周.微等离子体氧化制备TiO2薄膜的结构特性J

6、.中国表面工程,2003,63(6):35237.14郭宝刚,梁军,田军.阳极电压对钛合金微弧氧化膜性能的影响J.电镀与精饰,2005,27(3):124.15陈宁,赵晴,章志友.交流脉冲参数对TC4钛合金微弧氧化陶瓷膜的影响J.表面技术,2007,36(3):43245.16王庆良,徐伶俐,葛世荣.钛合金微弧氧化陶瓷层结构研究J.中国表面工程,2007,20(5):11215.17魏同波,田军,压达元.LY12铝合金微弧氧化陶瓷层的结构和性能J.材料研究学报,2004,18(2):1612166.18史敬伟,邵忠财,田彦文,等.稀土元素对镁合金微弧氧化的影响J.材料保护,2007,40(5)

7、:729.19刘凤岭,骆更新,毛立信.微弧氧化与材料表面陶瓷化J.材料保的探讨J.特种铸造及有色金属,2001(3):425.10MarcL,RackHJ.TitaniumalloysintotaljointreplacementamaterialsscienceperspectiveJ.Biomaterials,1998,19(18):162121639.11李卫,陈柳珠,刘英,等.阳极电压对医用钛材微弧氧化的影护,1998,31(3):22224.20史兴岭,王庆良,葛世荣.钛合金表面微弧氧化/水热处理复合陶响J.特种铸造及有色金属,2007,27(2):972100.12黄京浩,张永君.

8、镁合金微弧氧化新型电解液配方研究J.材料瓷层的性能研究J.表面技术,2007,36(6):15218.© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 26表1齿轮的渗碳和渗氮工艺对比Table1Processcomparisonofcarburizedgearandnitridedgear比较项目材料适应性常规工艺温度热处理精加工畸变表面洁净度表面硬度渗碳限于特定钢材850950第35卷渗氮材料广泛(包括奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及沉淀硬化钢)460600渗碳后需

9、淬火、回火,有时还需冷处理磨削较大要求清洗、除去淬火油6065HRC无后续处理工艺一般不需磨削很小表面洁净,()图2两种工艺齿轮的接触疲劳强度22Fig12Contactfatiguestrengthoftwokindsgear图118HGT钢可控渗氮、8620钢渗碳后在两种载荷下的耐磨性比较1Fig11Wearresistanceofnitrided18HGTsteelandcarburized8620steelundertwoloads1112齿轮的接触疲劳强度对比图3齿轮渗层深度、曲率半径和持久应力之间的关系3Fig13Relationshipofhardeningdepth,curva

10、tureradius3andendurancestrengthofgear齿轮的接触疲劳强度是齿轮性能的重要指标,也是一般齿轮的设计依据。图2是按ISO标准进行的齿轮台架试验结果2,从图2可以看出,当渗氮齿轮的有效硬化层深度大于015mm时,渗氮齿轮比常规渗碳齿轮的抗接触疲劳性能提高10%15%。文献3的研究表明:不论齿轮是渗碳还是渗氮,其接触疲劳强度还与有效硬化层深度(500HV)及齿轮的相对曲率半径有关,见图3所示,从曲线的走势上看,两者相差不大。113齿轮的弯曲疲劳强度对比图4两种工艺齿轮的双齿弯曲疲劳强度22Fig14Doubleteethbendingfatiguestrengtho

11、ftwokindsgear由图4和图5中的弯曲疲劳试验数据和结果中可以看出223,渗氮与渗碳的齿轮弯曲疲劳强度基本相5当,只有当循环次数小于10时,渗氮齿轮的承载能力才为渗碳齿轮的75%,因而渗氮齿轮不宜用于冲击负荷大的场合。另外,通过试验还发现弯曲疲劳性能与材料的成分关系密切。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期卢金生,等:渗氮齿轮与渗碳齿轮的技术及经济性对比273图53种齿轮的单齿弯曲疲劳试验的S2N曲线Fig15Singleteethben

12、dingfatigueS2Ncurve图626twokindsgear2ofthreekindsgearparts3114齿轮胶合强度2合试验,结果见图6,+相最好,表明较大的作用。感应淬火等高温表面硬化过程中,以及快速冷却过程中造,都会造成齿轮发生较大的变形。目前国内的渗碳淬火齿轮,单面变形量为200300m以上,这给磨齿工序增加了很大成本。而渗氮处理温度低,基体无相变,所以变形极小。表2和表3为某齿轮经过深层离子渗氮前后的齿4形、齿向误差数据,渗氮齿轮处理前后其齿形曲线形状基本不变,绝对变形量为12m,齿向变化量为212m。42渗氮及渗碳齿轮的变形情况齿轮热处理的变形主要是由热应力、组织应

13、力等表2渗氮前后齿形误差测量数据4Table2Involuteprofileerrorofthegearbeforeandafternitriding齿轮编号03#状态渗氮前渗氮后变化量渗氮前渗氮后变化量/m/m/m/m/m/m12220-22018-222018-22020031515016160452221-12422-26303002018-27222202020081615-11920105#注:表中序号18表示所测试齿轮上的8个齿面。表3渗氮前后齿向误差测量结果4Table3Toothalignmenterrorofthegearbeforeandafternitriding齿轮编号

14、03#4清洗回火喷丸磨齿涂油清洗最终检验装配。由于加工工艺流程的不同,两种齿轮制造成本的4状态渗氮前渗氮后变化量渗氮前渗氮后变化量/m/m/m/m/m/m1-6-4+20+2+22+12+2-10-2+10+123+4+8+4+12+120构成和多少也不同,表4为某厂统计其生产中的42CrMo钢渗氮齿轮和20CrNi2Mo钢渗碳齿轮的成本-6+4+10汇总比较,其中离子渗氮齿轮的总体制造成本仅为渗碳淬火齿轮的27%左右有一定的优势。5。从生产制造总成本上看,05#对于67级精度的齿轮,渗氮工艺在生产总成本上具注:表中序号14表示所测试齿轮上的4个齿面。3渗氮与渗碳的工序和成本对比渗氮齿轮的加工

15、工序如下:锻造调质制齿清洗装炉渗氮最终检验装配。渗碳齿轮的加工工序如下:锻造调质制齿清洗装炉渗碳4两种工艺的应用范围根据两种齿轮有关标准ISO633625(齿轮强)、度和材料质量AGMA2001B88美国齿轮制造者协会标准中推荐图可以看到(见图7、图8及表5所© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 28表4渗碳淬火齿轮与离子渗氮齿轮成本汇总对比Table4Productioncostofgascarburizedgearandplasmanitridied

16、gear工序及项目原材料/元kg-1预备热处理/元kg-1制齿/元kg-1表面热处理/元kg-1抛丸/元kg-1后续加工/元kg-1合计/元kg-120CrNi2Mo钢渗碳齿轮1801801541601348157217191542CrMo钢渗氮齿轮91121138221534612301217010100815061352318112701856第35卷表5不同热处理工艺适用的齿轮模数范围Table5Appropriatemodulusscopeofdifferentheattreatments模数m径节DP渗氮工艺50kHz10kHz感应淬火感应淬火渗碳淬火示),渗氮齿轮的模数都限制于12

17、mm以下,轮的模数可达40mm,7中当渗氮齿轮的模数m度约为0171所能达到的上限轮、受冲击载荷较多及精度高于6级的齿轮,还是以渗碳淬火磨齿工艺为优。根据国内外的一些研究和经验2,渗氮齿轮一般应用于以下工况条件:齿轮模数210mm;载荷系数K310kN/m;圆周线速度v120m/s;精度67级;齿形不限,非渐开线齿形更适用。工业上渗氮齿轮常见的应用场合如下:机床、汽车中要求耐磨的齿轮;对变形要求高的蜗杆、齿圈类工件,已成为表面硬化的首选;工业高速齿轮,对耐磨、抗胶合能力要求高,但运行平稳。渗氮究竞能在多大范围内满足这些齿轮的设计要求,还需进一步的深入研究与实践。5结束语在某些范围内,渗氮齿轮与渗碳齿轮相比在力学图7ISO推荐的齿轮渗氮层深度Fig17ISOrecommendatorygearnitridingdepth性能、热处理变形、制造成本上具有一定的优势,在这部分齿轮的表面强化上可以采用渗氮工艺。进一步发挥渗氮工艺的潜力,需要在齿轮的原材料、冷热加工工艺等方面做更深入的探索,如:提高渗氮层深度、改善硬度梯度、控制渗层组织等措施。参考文献:1陈国民,陈乃录.渗氮齿轮的工业应用展望J.金属热处理学报,1999(增刊):63272.2陈秀玉,卢金生.深层离子渗氮在齿轮制造中的应用前景J.机械传动,1994(2):123.3YoungIT.氮化齿轮的应用前景J.齿轮