内齿圈氮碳共渗工艺研究

朱贺

徐州圣邦机械有限公司 江苏徐州 221000

1 序言

某新型工程机械的行走机构采用行星齿轮减速机，其内齿圈与行星齿轮啮合，承载整个行走机构最终输出的转矩，因此不仅要求齿面有着足够高的硬度、耐磨性和抗疲劳性，而且要求心部有一定的强度和韧性。根据实际工况并结合设计要求及加工条件，对内齿圈采用调质处理后进行氮碳共渗的热处理工艺。为满足技术要求，我公司新购入一台自动化可控井式渗氮炉对其进行处理，但是在氮碳共渗后出现了一些质量问题。本文从设备、工艺参数、操作等方面进行原因分析，针对性优化工艺，经验证满足了设计技术要求。

2 初始工艺

2.1 工件

内齿圈结构如图1所示，材料为42CrMo钢，工件渗氮（安装面A除外）。技术要求：齿面硬度620～750HV1，渗层深度0.2～0.3mm。

图1 内齿圈结构

2.2 设备

采用R N-160-6可控井式渗氮炉，额定温度650℃，3区控温加热，有效减少炉内温差。配置微控全自动氮势控制系统，按照程序设定在对温度、时间、压力等参数进行控制的同时，通过流量控制系统中的常量电磁阀、脉冲电磁变量阀等，对通入炉内的氨气流量和甲醇滴速进行实时精确控制，从而将炉内氨气分解率控制在设定范围内，以保证炉内氮势Np[1]。

2.3 工艺方案

零件加工路线为：下料→锻打毛坯→正火→粗加工→调质→精加工→钻孔→插齿→氮碳共渗→装配。采用滴注式气体氮碳共渗处理工艺，渗剂采用氨气+甲醇。

将内齿圈A面涂抹防渗剂后，均匀摆放在专用工装上，每批带若干随炉试块（材料和调质处理与内齿圈同批），以便进行表面硬度、渗层深度的检测。初步制定热处理工艺曲线如图2所示，具体工艺过程如下。

图2 热处理工艺曲线

1）采用等温渗氮法进行氮碳共渗。

2）内齿圈入炉加热后通入氨气进行排气，加热到350℃时保温30min，达到500℃时进气系统的两个常量阀全部打开，炉内温度达到设定值520℃时保温330min。

3）强渗阶段2 4 0 m i n，分解率控制在2 0%～2 5%，扩散阶段9 0 m i n，分解率控制在40%～45%。

4）利用氮势控制系统使氨气流量保持在4.5～5.5m3/h、甲醇滴注速度约60滴/min，从而调节炉内氨气分解率在设定范围内。

5）为保证炉内氮势，共渗过程中对进气压力和流量、炉内压力和温度、甲醇滴注速度等都要进行实时监控和调整。

6）内齿圈随炉冷却到200℃时出炉空冷。

3 内齿圈氮碳共渗问题及分析

3.1 出炉后出现质量问题

1）渗层平均硬度约550HV1，渗层平均深度约0.15mm，均未达到设计技术要求。

2）工件表面颜色不均匀，有斑状和流挂现象，如图3所示。

图3 表面斑状和流挂

3）上面两层工件表面出现蓝色，如图4所示。

图4 表面蓝色

4）零件畸变尺寸超差：设计要求径向圆跳动控制在0.05mm以内，多次测量实际值约为0.12mm。

3.2 原因分析

调取热处理工艺运行曲线（见图5）。结合设备、工艺和实际运行数据，对出现的质量问题原因进行分析。

图5 热处理工艺运行曲线

（1）渗层深度不够，硬度偏低 主要原因为共渗温度520℃偏低，保温时间330min偏短，通入氨气过早。强渗阶段分解率偏低，造成炉内氮势过高，另外分解率不稳定，在运行过程中多次出现波动。

（2）工件表面颜色不均匀，有斑状和流挂现象主要原因为工件没有清洗干净，表面存在油污和残留清洗剂。另外A面涂抹的KS-2局部防渗剂较多，导致受热后流淌到工件表面。

（3）工件表面出现蓝色 从热处理工艺运行曲线可以看出，在共渗过程中氨气进气压力有两次突然降低，在冷却阶段更是降低到零线，可以反映出运行过程中氨气出现过中断，导致炉内出现负压，有空气进入炉内，造成上层工件表面氧化出现蓝色。

（4）零件畸变尺寸超差 升温过程中保温阶段只有一段太少且保温时间太短，出炉温度200℃偏高，导致工件受热不均产生畸变。

4 改进工艺

根据以上分析，再次制定的热处理工艺曲线如图6所示。

1）采用二段渗氮法，将氮碳共渗分两个温度阶梯保温。初期采用高氮势，增加表面氮含量，中后期降低氮势，使表面高氮向心部扩散，减少表面高氮白亮层的厚度，避免形成网状氮化物[2]。

2）采用阶梯升温，加热到250℃、350℃、450℃时分别保温30min，当达到360℃时进气系统的常量阀1打开通入氨气进行排气。这样可以使工件表面充分氧化以增加齿面触媒效应，达到500℃时进气系统的常量阀2打开，共渗过程中通过脉冲电磁变量阀对流量进行实时控制。

3）根据装炉量延长保温时间，强渗阶段360m i n，分解率控制在40%～45%；扩散阶段120m i n，分解率控制在50%～55%；退氮阶段60min，分解率控制在＞80%。

4）利用氮势控制系统使氨气流量保持在5～6m3/h、甲醇滴注速度约90滴/min，调节炉内氨气分解率在设定范围内，以保证炉内氮势。

5）由原来单瓶供气改为双瓶并联供气，保证进气压力连续稳定。共渗过程中对进气压力和流量、炉内压力和温度、甲醇滴注速度等进行实时监控和及时调整。

6）内齿圈随炉冷却到150℃时出炉空冷。

改进后热处理工艺运行曲线如图7所示，从中可以看出，炉内温度和压力，以及氨气进气压力和流量均平稳正常，分解率保持平稳，主要参数均在工艺要求范围内。

图7 改进后热处理工艺运行曲线

改进后热处理工艺执行完毕后的出炉效果如图8所示，内齿圈表面呈银灰色且较均匀，外观质量较好。随炉试块的表面硬度、渗层深度、内齿圈关键尺寸均在技术要求范围内。后续经多炉试验均取得了良好的效果，验证了此工艺方案的合理性和可执行性。

图8 改进后热处理工艺的出炉效果

5 结束语

氮碳共渗在化学热处理方式中有着很多优势，本文从氮碳共渗工艺的制定和执行细节入手，通过对设备和全过程参数的细致分析，找到了造成质量问题的原因，并有针对性地改进工艺方案及相关参数。经验证取得了良好的效果，为今后类似零件进行氮碳共渗起到了示范作用。