CN113930715A - 一种小模数齿轮离子渗氮方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小模数齿轮离子渗氮方法，步骤包括：S1、根据小模数尺寸形状设计渗氮工装；S2、将S1中的渗氮工装进行真空退火热处理；S3、采用无水乙醇擦拭S2中渗氮工装及小模数齿轮整个外表面，并用无油压缩空气或氮气吹干；S4、将S3中小模数零件装卡于渗氮工装内；S5、将S4中装有小模数零件的渗氮工装均匀分布在离子渗氮炉阴极盘上；S6、对S5中小模数零件进行渗氮；S7、将S6中小模数齿轮待降温至50℃以下出炉。本发明能够在小模数齿轮表面制备氮化层，通过表面维氏硬度检测、金相和扫描电镜观察，渗氮层硬度和渗氮满足要求，且渗氮层均匀无缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种小模数齿轮离子渗氮方法，属于化学热处理技术领域。
背景技术
小模数齿轮是指模数小于或者等于1mm的齿轮。在航空机械、电子产品和精密机械行业中，广泛应用小模数齿轮。
由于齿轮模数小，轮齿越低也越矮，对于相同齿轮，轮的径向尺寸也越小，相邻齿廓间的齿矩也越小。这些因素给离子渗氮带来的很大的难度。
离子渗氮是利用稀薄含氮气体产生辉光放电对金属材料表面进行轰击加热和形成氮化物进行强化。齿轮尺寸小，造成辉光离子加热效率低，可能达不到渗氮温度。由于齿轮间距过小，辉光主要沿着齿顶部位包裹齿轮外表面，而对于齿轮咬合和齿根部分辉光难以深入，从而造成渗氮层深度分布不均，甚至达不到离子渗氮作用。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种小模数齿轮离子渗氮方法，调节渗氮过程中温度、时间、气氛、电参数，使得整个齿轮轮廓获得满足技术要求的渗氮层硬度、渗氮深度，实现齿轮表面表面强化，使齿轮齿齿面耐磨性能极大提升，从而提升零件的寿命。
本发明解决技术的方案是：
一种小模数齿轮离子渗氮方法，步骤包括：
S1、根据小模数尺寸形状设计渗氮工装：工装包括底座和上盖两个部分，底座与上盖的直径相同，上盖平放在底座上，无固定连接；上盖均布通孔露出齿轮渗氮部位，圆孔与齿轮间隙不超过0.5mm；底座用于确保非渗氮面外表面无渗层，利用辉光对工装轰击加热时，保证齿轮渗氮的温度；
S2、将S1中的渗氮工装进行真空退火热处理：室温装炉，升温速率为8-15℃/min，真空退火温度为600-700℃，保温1-3h后冷却，待炉温到150℃以下出炉；
S3、采用无水乙醇擦拭S2中渗氮工装及小模数齿轮整个外表面，并用无油压缩空气或氮气吹干；
S4、将S3中小模数零件装卡于渗氮工装内；
S5、将S4中装有小模数零件的渗氮工装均匀分布在离子渗氮炉阴极盘上；
S6、对S5中小模数零件进行渗氮：室温入炉，抽真空使炉内真空度优于5Pa，炉内充入氨氩气体，采用等离子轰击齿轮表面，控制阴极盘与炉壁之间电压，在渗氮升温过程中调节电参数，利用辉光对工装轰击加热，调整等离子体的辉光形态，使辉光沿着齿轮的轮廓分布，以满足渗氮层沿齿轮轮廓均匀分布，最终在小模数齿轮表面形成氮化层；
S7、将S6中小模数齿轮待降温至50℃以下出炉。
进一步的，炉内充入氨氩气体的比例为3.0:0.1～3.0:0.5。
进一步的，控制阴极盘与炉壁之间电压为800-900V，电流为20-30A。
进一步的，升温速率为5-10℃/min。
进一步的，渗氮温度为500℃-580℃。
进一步的，渗氮保温时间为4-20h。
进一步的，渗氮部位表面硬度HV≥750-950，渗层深度0.05mm≤DN≤0.12mm。
进一步的，渗氮部位表面变形量不大于3μm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明齿轮离子渗氮实现齿轮表面强化，使齿轮齿齿面耐磨性能极大提升，从而提升零件的寿命；
(2)本发明针对小模数齿轮渗氮问题，采用渗氮工装，既能够保证非渗氮面外表面无渗层，又能够保证齿轮面渗氮不受影响，利用辉光对工装轰击加热效应，能够保持齿轮的渗氮温度；
(3)本发明采用离子渗氮，离子渗氮采用等离子轰击齿轮表面的方式，可有效缩短渗氮时间，较气体渗氮其工作效率大大提高；
(4)本发明在渗氮过程能够调节电参数，可以满足渗氮层沿齿轮轮廓均匀分布的需要；
(5)本发明能够在小模数齿轮表面制备氮化层，通过表面维氏硬度检测、金相和扫描电镜观察，渗氮层硬度和渗氮满足要求，且渗氮层均匀无缺陷。
附图说明
图1为本发明小模数齿轮渗氮工装；
图2为本发明小模数齿轮离子渗氮工艺流程；
图3为本发明实施例1小模数齿轮离子渗氮微观形貌；
图4为本发明实施例2小模数齿轮离子渗氮微观形貌。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述，如图2所示。
S1、根据小模数尺寸形状设计渗氮工装，如图1所示：工装包括底座和上盖两个部分，底座与上盖的直径相同，上盖平放在底座上，无固定连接；上盖均布通孔露出齿轮渗氮部位，圆孔与齿轮间隙不超过0.5mm；底座用于确保非渗氮面外表面无渗层，利用辉光对工装轰击加热时，保证齿轮渗氮的温度；
S2、将S1中的渗氮工装进行真空退火热处理：室温装炉，升温速率为8-15℃/min，真空退火温度为600-700℃，保温1-3h后冷却，待炉温到150℃以下出炉；
S3、采用无水乙醇擦拭S2中渗氮工装及小模数齿轮整个外表面，并用无油压缩空气或氮气吹干；
S4、将S3中小模数零件装卡于渗氮工装内；
S5、将S4中装有小模数零件的渗氮工装均匀分布在离子渗氮炉阴极盘上；
S6、对S5中小模数零件进行渗氮：室温入炉，抽真空使炉内真空度优于5Pa，炉内充入氨氩气体，采用等离子轰击齿轮表面，控制阴极盘与炉壁之间电压，在渗氮升温过程中调节电参数，利用辉光对工装轰击加热，调整等离子体的辉光形态，使辉光沿着齿轮的轮廓分布，以满足渗氮层沿齿轮轮廓均匀分布，最终在小模数齿轮表面形成氮化层；
S7、将S6中小模数齿轮待降温至50℃以下出炉。
具体的，对S5中小模数零件进行渗氮大概过程为：首先室温装入炉中，抽真空，给电压，充少量氨气，升温，调节气体充入流量，到温后，充入氩气，保温，降温。
S6中，炉内充入氨氩气体的比例为3.0:0.1～3.0:0.5，控制阴极盘与炉壁之间电压为800-900V，电流为20-30A，升温速率为5-10℃/min，渗氮温度为500℃-580℃，渗氮保温时间为4-20h，渗氮部位表面硬度HV≥750-950，渗层深度0.05mm≤DN≤0.12mm，渗氮部位表面变形量不大于3μm。
实施案例1：
1)根据小模数齿轮零件(材料为C286)尺寸形状设计渗氮工装，保护零件非渗氮面，露出齿轮渗氮位置。
2)将步骤1)中的渗氮工装进行真空退火热处理，热处理参数如下：
装炉方式：室温装炉；升温速率：10℃/min；真空退火温度：650℃；保温：2h；冷却：炉温到150℃以下出炉。
3)采用无水乙醇擦拭步骤2)中渗氮工装及小模数齿轮整个外表面，并用无油压缩空气或氮气吹干；
4)将步骤3)中小模数零件装卡于渗氮工装内；
5)将步骤4)中渗氮工装(装有小模数零件)均匀分布在离子渗氮炉阴极盘上；
6)对步骤5)中渗氮工装(装有小模数零件)进行渗氮，渗氮处理参数如下：
装炉方式：室温入炉；真空度：加热前真空度优于5Pa；升温速率：5℃/min；渗氮温度：560℃；渗氮保温时间：10h；氮氩比例：3.0:0.1；电压：800V；电流：25A。
7)将步骤6)中渗氮工装(装有小模数零件)炉温到50℃以下出炉，冷却过程中保持通入气体。
得到的齿轮零件渗氮层采用维氏硬度计检测，硬度满足要求；通过金相检测，如图3所示，渗氮均匀无缺陷，且满足渗层深度要求。
实施案例2：
1)根据小模数齿轮零件(材料为38CrMoAl)尺寸形状设计渗氮工装，保护零件非渗氮面，露出齿轮渗氮位置。
2)将步骤1)中的渗氮工装进行真空退火热处理，热处理参数如下：
装炉方式：室温装炉；升温速率：10℃/min；真空退火温度：650℃；保温：2h；冷却：炉温到150℃以下出炉。
3)采用无水乙醇擦拭步骤2)中渗氮工装及小模数齿轮整个外表面，并用无油压缩空气或氮气等吹干；
4)将步骤3)中小模数零件装卡于渗氮工装内；
5)将步骤4)中渗氮工装(装有小模数零件)均匀分布在离子渗氮炉阴极盘上；
6)对步骤5)中渗氮工装(装有小模数零件)零件进行渗氮，渗氮处理参数如下：
装炉方式：室温入炉；真空度：加热前真空度优于5Pa；升温速率：5℃/min；渗氮温度：530℃；渗氮保温时间：8h；氮氩比例：3.0:0.1；电压：750V；电流：25A。
7)将步骤6)中渗氮工装(装有小模数零件)炉温到50℃以下出炉，冷却过程中保持通入气体。
得到的齿轮零件渗氮层采用维氏硬度计检测，硬度满足要求；通过金相检测，如图4所示，渗氮均匀无缺陷，且满足渗层深度要求。
本发明齿轮离子渗氮实现齿轮表面强化，使齿轮齿齿面耐磨性能极大提升，从而提升零件的寿命；
本发明针对小模数齿轮渗氮问题，采用渗氮工装，既能够保证非渗氮面外表面无渗层，又能够保证齿轮面渗氮不受影响，利用辉光对工装轰击加热效应，能够保持齿轮的渗氮温度；
本发明采用离子渗氮，离子渗氮采用等离子轰击齿轮表面的方式，可有效缩短渗氮时间，较气体渗氮其工作效率大大提高；
本发明在渗氮过程能够调节电参数，可以满足渗氮层沿齿轮轮廓均匀分布的需要；
本发明能够在小模数齿轮表面制备氮化层，通过表面维氏硬度检测、金相和扫描电镜观察，渗氮层硬度和渗氮满足要求，且渗氮层均匀无缺陷。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种小模数齿轮离子渗氮方法，其特征在于，步骤包括：
S1、根据小模数尺寸形状设计渗氮工装：工装包括底座和上盖两个部分，底座与上盖的直径相同，上盖平放在底座上，无固定连接；上盖均布通孔露出齿轮渗氮部位，圆孔与齿轮间隙不超过0.5mm；底座用于确保非渗氮面外表面无渗层，利用辉光对工装轰击加热时，保证齿轮渗氮的温度；
S2、将S1中的渗氮工装进行真空退火热处理：室温装炉，升温速率为8-15℃/min，真空退火温度为600-700℃，保温1-3h后冷却，待炉温到150℃以下出炉；
S3、采用无水乙醇擦拭S2中渗氮工装及小模数齿轮整个外表面，并用无油压缩空气或氮气吹干；
S4、将S3中小模数零件装卡于渗氮工装内；
S5、将S4中装有小模数零件的渗氮工装均匀分布在离子渗氮炉阴极盘上；
S6、对S5中小模数零件进行渗氮：室温入炉，抽真空使炉内真空度优于5Pa，炉内充入氨氩气体，采用等离子轰击齿轮表面，控制阴极盘与炉壁之间电压，在渗氮升温过程中调节电参数，利用辉光对工装轰击加热，调整等离子体的辉光形态，使辉光沿着齿轮的轮廓分布，以满足渗氮层沿齿轮轮廓均匀分布，最终在小模数齿轮表面形成氮化层；
S7、将S6中小模数齿轮待降温至50℃以下出炉。
2.根据权利要求1所述的一种小模数齿轮离子渗氮方法，其特征在于，S6中，炉内充入氨氩气体的比例为3.0:0.1～3.0:0.5。
3.根据权利要求1所述的一种小模数齿轮离子渗氮方法，其特征在于，S6中，控制阴极盘与炉壁之间电压为800-900V，电流为20-30A。
4.根据权利要求1所述的一种小模数齿轮离子渗氮方法，其特征在于，S6中，升温速率为5-10℃/min。
5.根据权利要求1所述的一种小模数齿轮离子渗氮方法，其特征在于，S6中，渗氮温度为500℃-580℃。
6.根据权利要求1所述的一种小模数齿轮离子渗氮方法，其特征在于，S6中，渗氮保温时间为4-20h。
7.根据权利要求1所述的一种小模数齿轮离子渗氮方法，其特征在于，S6中，渗氮部位表面硬度HV≥750-950，渗层深度0.05mm≤DN≤0.12mm。
8.根据权利要求7所述的一种小模数齿轮离子渗氮方法，其特征在于，渗氮部位表面变形量不大于3μm。
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