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1.新時效硬化鋼和深層離子滲氮工藝
齒輪的接觸疲勞強度，代表齒面的承載能力，表面硬度越高，接觸疲勞強度越高。Chesters早年研究滲碳齒輪承載能力時，指出接觸疲勞強度與其抗拉強度平方成正比，當(dāng)表面硬度為62~63HRC接觸疲勞強度達最大值。最新研究成果，CSS-42L鋼經(jīng)滲碳表面硬度達到68～72HRC，用以制造軸承接觸疲勞壽命高出52100鋼軸承70倍以上。可見齒輪表面高的硬度和高的抗拉強度，可以得到更高的接觸疲勞強度。
齒輪模數(shù)越大，在承載接觸應(yīng)力下最大剪切應(yīng)力的峰值深度從滲層表面下0.1～0.2mm移向齒輪心部（見表1），如果心部硬度較低，將會使接觸疲勞強度顯著降低。試驗表明，提高心部硬度達470HV，增大滲氮層至1mm，接觸疲勞強度可提高到2300MPa。

齒輪彎曲疲勞強度代表齒根的承載能力，滲氮鋼和滲碳鋼的彎曲疲勞強度都隨心部硬度提高而提高。在相同的心部硬度下，滲氮鋼的疲勞強度略比滲碳鋼低。但是，滲碳鋼的疲勞強度隨心部硬度提高有一個極大值，在35～42HRC之間。而滲氮鋼的疲勞強度隨心部硬度的提高一直呈直線型增加，當(dāng)心部硬度超過一定值（約400HV）后，滲氮鋼的疲勞強度超過滲碳鋼。我們研制的方向是選擇心部硬度為400～450HV，過高的心部硬度（強度）可能造成其塑性降低，不利于齒輪的綜合性能。
實現(xiàn)制造高性能滲氮齒輪和替代滲碳齒輪的關(guān)鍵在于研制適于齒輪切削加工和適于深層離子滲氮的時效硬化鋼，以及根據(jù)齒輪不同服役條件和精度要求不同研制的特種深層離子滲氮工藝。

2.時效硬化鋼的特點
新型時效硬化鋼20CrNi3Mn2Al，是在美國P21鋼基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，以鎳鋁為主導(dǎo)，采用低碳高錳和鋁鉻鉬釩共存研制成功的專利鋼種（專利號201210028899.9），鋼的成分范圍見表2。
（1）空冷固溶處理后適宜切削加工
在850～900℃保溫3h后空冷，硬度為283～332HBW(30～36HRC)，可以直接進行切削加工。省去了常規(guī)調(diào)質(zhì)鋼的淬火和高溫回火。
（2）時效硬化作為基體強化手段
時效硬化鋼比調(diào)質(zhì)鋼的優(yōu)勢在于，時效硬化后基體硬度可以達到40~43HRC，而經(jīng)過深層離子滲氮后基體進一步時效硬化提高到42～46HRC。
（3）時效硬化溫度與滲氮強化溫度一致
試樣經(jīng)870℃×3h空冷固溶處理后，在不同時效溫度分別處理6h，試驗結(jié)果如表3所示。

試驗結(jié)果表明，500～560℃時效后硬度最高，與滲氮溫度吻合，560～600℃區(qū)間硬度降低緩慢，對滲氮處理有利。20CrNi3Mn2Al鋼化學(xué)成分按照Ni3Al金屬間化合物和AlCrMoV氮化物復(fù)合時效硬化原理設(shè)計，實現(xiàn)了時效硬化峰值溫度高（540℃），平均峰值溫度寬（500～560℃），過時效不明感。
（4）淬透性高
常用調(diào)質(zhì)鋼和滲碳鋼基體強度都受鋼的淬透性限制，工件大小會造成性能差異，而20CrNi3Mn2Al時效硬化鋼空冷固溶處理過程中貝氏體轉(zhuǎn)變比較緩慢，受冷卻速度影響極小。直徑200mm試樣空冷固溶處理和時效硬化后檢查截面表面和心部硬度完全一致。表明直徑200mm以下工件可保證空冷后截面性能均勻，可比對稱為淬透性高。
3.深層離子滲氮特點及工藝方案
綜合國內(nèi)外對深層滲氮研究的成果，提出了時效硬化鋼深層離子滲氮工藝應(yīng)具有以下特點：表層硬度高，表面下0.1mm處硬度應(yīng)大于900HV；表面化合物層?。ㄐ∮?μm）或單相?‘為主；滲氮層硬度梯度好，表面下0.4mm處硬度應(yīng)大于600HV；滲氮層深應(yīng)大于0.7mm；深層離子滲氮后基體硬度為400～450HV（42～46HRC）。
利用離子滲氮過程的優(yōu)勢，工件表面活化和活性氮原子傳遞通道暢通的特點，綜合采用不同的滲氮溫度，保溫時間和供氨條件，經(jīng)過反復(fù)試驗確定了520～540℃×50h氨氣變溫離子滲氮的2號工藝，可以滿足時效硬化鋼深層離子滲氮的全部要求：0.1mm處981HV，0.4mm處652HV，滲氮層深0.75mm，基體硬度431HV。
 注：時效硬化鋼滲氮層深為基體+30HV；有效滲氮層深為500HV處層深。
結(jié)論：
（1）滲氮齒輪能夠代替滲碳齒輪的關(guān)鍵，在于研制成功新型時效硬化鋼，實現(xiàn)深層離子滲氮和保持齒輪心部高硬度（強度）。
（2）研制成功20CrNi3Mn2Al時效硬化鋼和520～540℃×50h氨氣變溫離子滲氮的工藝，實現(xiàn)了時效硬化鋼的深層離子滲氮。滲氮層表面硬度高，化合物層厚度小于5μm，表面下0.1mm處硬度大于900HV，0.4mm處硬度大于600HV，滲氮層深大于0.7mm，滲氮基體硬度為400～450HV。
（3）可以采用20CrNi3Mn2Al鋼心部硬度為400～450HV滲氮層深0.7～1.0mm的深層離子滲氮齒輪，部分替代齒輪模數(shù)10mm以下，滲碳層深2mm以下應(yīng)用的滲碳齒輪，實現(xiàn)省去滲碳和油中淬火，簡化工藝，減少變形，減少污染，顯著提高齒輪的性能。
（4）新型時效硬化鋼和深層離子滲氮工藝的結(jié)合，可實現(xiàn)高性能齒輪的高端突破，有深遠和重要的意義。