齿圈离子渗氮的技术改进

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      齿圈是美国卡特彼勒公司推土机高端产品SD7高驱动履带式推土机上的关键零件(见图1)，使用性能要求其具有良好的耐磨性、弯曲疲劳强度、接触疲劳强度、抗划伤能力及抗咬合能力。原先我们采用20CrMnTi渗碳淬火的热处理工艺方法，但处理后变形往往超差，问题很难解决。根据齿圈的受力状态及性能的要求，其表面应有一定深度的硬化层，表面硬度应在50HRC以上，心部强韧化组织，基体强度σb≥800MPa，因此我们将齿圈的材料改为42CrMo，预先调质到248～302HBS，机加工成形后再渗氮处理，渗氮层深度≥0.5mm，表面硬度≥550HV。因为离子渗氮与气体渗氮相比，具有渗速快、渗层组织易于控制、脆性小、工件变形小、节能、省气及无公害等诸多优点，并且离子渗氮炉对于齿圈类零件装炉也方便。为此，我们购置了某厂生产的直流电源离子渗氮炉LD-150，有效工作区为Φ51300mm×1600mm。

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1.存在问题

离子氮化炉购回及在以后的调试过程中，虽然齿圈经离子渗氮后热处理变形符合要求，但渗氮技术要求一直达不到图样要求。主要表现在离子氮化后表面硬度和渗氮层深度极不均匀；同件硬度偏差范围达到200HV左右，同件渗氮层深度偏差范围达到0.2mm左右，同炉各齿圈的偏差范围也同样如此，即每炉的上中下三个位置的齿圈硬度和渗氮层深度也不均匀，偏差范围超差。

齿圈装炉方式采取的是堆垛方式(如图2所示)，共三垛，每垛三件，齿轮之间用垫块隔开，间隔约50mm距离。齿固离子渗氮工艺曲线如图3所示。

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图2

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6 v: V2 A6 h) [: [/ R8 }) I图3

2.原因分析及改进措施

( e% l. F0 b" B7 e! O9 P离子渗氮时，零件表面各处温度的均匀一致是保证渗氮质量的重要因素。由于离子氮化炉是在电场的作用下，氮离子轰击阴极，同时加热零件表面达到渗氮温度以实现渗氮的，这就造成离子渗氮零件温度常常很不均匀，各部位温度相差几十度甚至上百度，致使渗氮层的硬度和深度不均匀。所以我们从改善炉温均匀性人手，对齿圈渗氮后出现的问题进行分析并采取改进措施。

" i2 ]6 M8 S* D9 w+ x! a3 v(1)工件的装炉方式对温度的均匀性有很大影响。齿圈采取图2的方式装炉，使得齿圈靠炉壁附近部分和炉子中心部分，由于阴阳极间距离差异和散热的不同，必然导致同一件齿圈的这两部分温度不同，所以我们采取在阴极盘中心放一垛(如图4所示)，每垛5件的装炉方式，这样保证了阴阳极间距离的均匀。考虑到炉子中间温度往往偏高，所以中间齿圈间隔要比上下稍大一些，每件间隔的距离从上到下分别为30mm、80mm、100mm、50mm。通过装炉方式的改进，改善了齿圈的温度均匀性。

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(2)针对罩式离子氮化炉具有因零件上部散热大、温度往往偏低的特点，我们在炉子顶部设置了圆盘状的辅助阴极。工作时辅助阴极和零件一同起辉升温。由于辅助阴极的存在及相互热辐射的影响，提高了附近空间的温度，减小了零件这一部位的散热损失，因此使该处的温度升高直至和其他部位的温度相同。
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- P7 f% }: q# m' l: u$ N' Z% ?, a: g(3)调试过程中我们还发现，离子渗氮炉炉体外壁温度严重不均，外壁温差约有50℃左右。经分析认为原因之一是该炉体的循环冷却水路存在问题，原炉体水冷系统只有一处进水和一处出水，冷却水从炉子底部进入，从炉子顶部流出。在此种冷却方法下，在炉子底部，由于循环水的不断注入，使其温度基本保持在20℃；而在炉子顶部，由于冷却水被炉子所散发出来的热量不断加热，冷却水温度已达到70℃左右。另一个原因是该炉体设计上只有一层隔热屏，对零件的隔热起不到很好的效果。所以我们首先是对冷却水路进行了改造，在炉子中部增设一处进水口，通过调整两处进水口的流量，最终达到炉体外壁温度基本均匀一致，确保炉温更均匀；其次是新增加_，一个不锈钢隔热屏，成为双层隔热屏，这样可提高离子渗氮炉膛的温度，减小从工件到炉壁的温度梯度，不仅可以节省电能，而且也减小了工件各处散热条件上的差异，使得工件的温度均匀性得到很大的改善。

3.效果
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$ p6 q9 q! s& P/ Z0 C针对离子氮化炉炉温均匀性问题，通过采取以上措施，齿圈经离子渗氮后，其变形、硬度、渗氮层深度及其偏差范围均符合要求，证实我们采取的改进措施切实可行而有效。

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我们曾经还试图用渗碳+二次压淬的方法干过类似的零件，不过锥度初始不合适，最终由于种种原因，后来再没试过，相信这种方法也应该可以达到要求