齿轮离子渗氮化合物层不均匀分析及解决建议

龙见炳

摘 要：本文着重研究离子氮化中化合物层的相组成及厚度随氮化温度、时间而变化的规律，以及氮化气氛和钢中合金元素对化合物层的相组成和厚度的影响，并初步研究了氮化气氛对化合物层深度和均匀性的影响进行分析。

关键词：齿轮离子氮化;化合物层

1 齿轮离子渗氮工艺概述

齿轮离子氮化的基本原理是： 将齿轮零件置于真空炉体内，往炉内充入氨气。齿轮接电源阴极，炉体接阳极，脉冲电源会使阴阳极间产生数百伏直流或脉冲电压。在真空条件下，由于电场作用，炉内气体被电离，氮离子定向撞击阴极，齿轮表面产生蓝紫色的辉光放电并被加热。经过电离、吸收、扩散三个基本过程后得到所需要的氮化层，并在表面形成一层硬度高、耐磨损、抗疲劳和耐腐蚀的化合物层。

离子氮化具有渗速快，渗层性能好，工艺变形小以及耗气、耗电量少等特点，是无污染、无公害的理想工艺，所以在齿轮表面强化中得到了广泛的应用。

2 离子渗氮化合物层形成过程

2.1化合物层中的α相

采用氨气进行离子氮化，齿轮表层的相结构随气氛氮势的提高呈现有规律的变化：α+γ'→γ'+α+ε→γ'+ε，这符合齿轮表层被氮饱和的扩散过程。而在实际的氮化过程中化合物层中确夹杂着α相。但是随着扩散过程的进行，氮化表面氮浓度逐渐增高，α相随之减少，最后消失。

在低氮势气氛离子氮化条件下氮化的工件表面，一般仍然残存有少量的α相，表面氮浓度较低。

2.2化合物层中各相的分布

根据氮化检测结果看，38CrMoAl钢在低氮势气氛中离子氮化时，表面化合物层以γ'相为主，含有少量α相和ε相，而气体氮化齿轮表面化合物层则以ε相为主，含有少量γ'相，并且一般没有α相，或表面仅由ε相组成。

经过试验研究分析，离子氮化和气体氮化时齿轮表面氮的散扩过程是相似的，只不过气体氮化时表面氮饱和度较高，所以γ'相区向齿轮内部推移，而离子氮化时由于离子轰击和阴极溅射作用，使齿轮表层氮的扩散大大加速，造成齿轮外表面不易達到较高的氮浓度，故γ'相区集中在外表层。如果采用较高氮势的气氛，在同样的氮化温度下也可以取得相当于气体氮化的表面高氮浓度。可见化合物层的形成，取决于氮化表面从氮化气氛中吸收的氮量与向齿轮内部扩散的氮量之间平衡的过程。

3离子氮化条件对形成化合物层的影响

3.1氮化温度与时间对化合物层的影晌

随着氮化温度的升高和保温时间的延长，氮化气氛与氮化表面的界面反应，材料内部的扩散过程都在深入进行，因此形成氮化层的两个过程，即化合物层的形成和扩散层的发展，将分别在不同程度上受氮化温度与时间的影响。38CrMoAIA钢在氨分解气中离子氮化时，470℃×36h氮化，齿轮表面氮浓度为8.3%，520℃×24h氮化为6.8%，550℃×12h氮化为5.7%。可见在此实验条件下，提高氮化温度对加速氮的扩散起主导作用，造成表面氮浓度降低，使扩散层深度增加。

随着氮化保温时间的延长，化合物层厚度增加，化合物层中γ'相含量逐渐增多。这表明在氨气中550℃离子氮化保温过程中，齿轮内部氮的扩散过程大于外表面氮的吸收过程。延长保温时间，表面氮浓度有下降的趋势，特别是在低气压时。

3.2气压的对化合物层影晌

气压对离子氮化时离子轰击和阴极溅射过程影响极大，因而直接影响氮化气氛与氮化表面的界面反应。在不同气压下38CrMoAIA钢离子氮化后表面的氮浓度，在氮化过程初期，即化合物层开始形成时，气压升高，表面氮浓度明显下降。因而在扩散层中氮的扩散远未达到平衡状态时，气压主要影响化合物层的形成，低气压可能有利于高氮的ε相形成。

3.3阴极溅射的影晌

在离子轰击下产生的阴极溅射，对离子氮化化合物层的形成以及氮的扩散有重要的影响。这不仅由于阴极溅射改变了氮化表面状态，更重要的是它强化了气氛与氮化表面之间的界面反应。如果采用特殊的阴极溅射处理，钢表面原始组织中铁素体和碳化物两相都会发生变化，不仅铁受到溅射，更重要的是可能使碳化物发生分解和溅射。由于溅射条件和溅射强度不同，这种表面组织、成分及状态改变的情况也会有差别。

4 化合物层不均匀分析

目前，我公司生产的汽车齿轮的化合物层要求7μm以上，生产中容易出现无化合物层或者化合物层<7μm 的情况，且各部位不均匀，针对化合物层不合格不均匀的分析方法如下：

4.1渗氮气氛的影响

离子渗氮气氛中氮和碳的含量是影响化合物层相结构的重要因素。随着气氛含氮量增加，化合物层中ε相增多，白亮层也随之增厚，

4.2含碳量对化合物层的影响

气氛中添加含碳气体将抑制γ相形成，而得到以ε相为主或ε单相结构的化合物层。如气氛中加入丙烷（ C3H8） 后，化合物层中ε相含量迅速增多，基本由ε单相组成。含碳量再增加则化合物层中开始出现 Fe3C; 含碳量继续增加，则 Fe3C 增多，ε相就会减少直到完全消失。

离子渗氮需要严格控制气氛中含碳量，使之能得到ε单相或ε+少量 Fe3C 的双相组织。这样的组织其硬度和耐磨性均比单纯离子氮化有较大提高。

4.3钢材成分和组织的影响

随着钢中含碳量及合金元素增加，氮化层中ε相也随之增多。基体组织硬度较高者，渗氮层表面硬度也较高，而且化合物层较厚，其中 ε 相也较多。一般来说，调质组织渗氮后化合物层中的ε相含量比正火组织的少。

4.4渗氮保温时间的影响

有些钢化合物层厚度在渗氮初期增长较快，保温2～4 h 后变化不大。而 38CrMoAl 钢化合物层厚度则随时间延长而增厚，保温 24 h 后，这种趋势仍然保持着。所以保温时间对化合物层的影响程度要根据平时调试设备时的经验来总结，每种产品在不同的设备中会有些差异。

4.5渗氮温度的影响

38CrMoAl钢渗氮时，从510 ℃上升到560℃，化合物层中ε和γ'均增加; 当上升到 580 ～ 600 ℃时，ε相忽然减少，γ'相数量猛增; 当温度上升到 620 ℃时，γ'相数量急剧减少; 这点也是要积累调试经验，做好设备档案，供分析问题时参考。

5 结论与建议

由于离子轰击和阴极溅射作用所引起的氮扩散的加速，造成离子氮化表面氮浓度比气体氮化低。充分利用阴极溅射作用，可以增强氮化次表层的硬化效果。

氮化钢离子氮化的化合物层由γ、ε和a相组成，各相的比例随工艺条件而变。由于在低氮势气氛中离子氮化时，氮化表面氮浓度较低，以及整个氮化表面上化合物层不均匀地向扩散层中发展，致使在工件同一深度表层内，化合物层中有时还夹杂着a相。化合物层中保存适当数量的a相，对降低氮化层脆性是很必要的。

离子氮化设备结构复杂，工艺控制困难，在出现问题时借鉴他人的经验能使问题得到快速解决。从解决问题的经验来看，零件的清洁、设备的日常维护极其重要，建议用标准作业指导书、设备点检卡等文件规范设备的操作与维护，这样能大大降低出现质量问题的频率。

参考文献：

[1]徐冰仲 张颖智 范方利 邓洋.离子氮化中化合物层的变化规律及其机理[J] 铁道学报 1983年6月

[2]吴佩芝 王世宽.离子氮化表面化合物层分析[J] 试验研究 1985年第1期

[3]张翔 宋绪丁.38CrMoAlA小模数齿轮离子渗氮层分布特性及脆性控制[J] 热加工工艺  2004年第4期

[4]陆志明.辉光离子氮化条件对形成ε相的影响[J] 国外金属热处理 1986年2月