滲氮工藝由于其硬度高、變形小等優勢正越來越多地應用于硬齒面齒輪的表面處理，如美國費城齒輪公司的硬齒面齒輪中有 40%以上采用滲氮工藝，德國、法國、日本、英國和前蘇聯也在重要的齒輪上大量地采用滲氮處理工藝，如軋鋼機、柴油機、卷揚機和汽車齒輪，昀大直徑已達 4m。
　　
　　我國是離子滲氮工藝研究應用昀早的國家之一，齒輪滲氮工藝在國內也取得了成功應用，其應用的工業領域包括：鋼鐵、化工、機床、汽車和能源等，特別是在一些高速、重載、精密齒輪上的應用。近年來，由于行星傳動具有體積小、質量小、結構緊湊和傳動效率高等特點，正越來越多地被應用，其中一般都有內齒圈，還有新型清潔能源產業風電中的偏航齒圈等都需要滲氮熱處理。其他的處理工藝方法很難滿足內齒圈對變形的要求。蝸桿的表面硬化已普遍首選滲氮工藝。特別是齒輪深層滲氮工藝可以在一定范圍替代滲碳淬火工藝而省掉磨齒的工序，節約制造成本與工期。隨著經濟的發展，齒輪滲氮工藝的工業應用具有很大的發展潛力。
　　
　　早期進行的滲氮工藝由于滲層淺、心部硬度低，齒面承載能力不高，在實際應用中受到一定的限制。特別是受 “蛋殼效應”觀念的影響，對滲氮在齒輪中的應用都比較保守，如國外某機構規定產品設計中滲氮齒輪的接觸疲勞極限和彎曲疲勞極限分別取滲碳淬火齒輪的70% 和75%。因此，如何進一步提高滲氮齒輪的承載能力就成為了相關工程技術人員努力的方向。
　　
　　通過大量的試驗研究可知，決定硬齒面齒輪承載能力的關鍵是硬化層過渡區所受的正交剪切應力與顯微硬度之比，其大小又取決于載荷、齒面曲率半徑、硬化層深度、心部硬度及過渡區的殘余應力等。為防止齒輪的接觸疲勞失效，必須使從齒面到心部任何一處均應滿足相關的條件。因而增加有效硬化層深，改善過渡區硬度梯度的分布可有效地增加齒輪的疲勞強度。文獻中接觸疲勞試驗表明，在其試驗條件下，心部硬度由240～260HBW提高到 310～330HBW，可提高接觸疲勞強度約30% ；滲層厚度由0.5mm增加至0.8～1.0mm，可提高接觸疲勞強度約 25%；表面以γ′相為主的化合物層比ε+γ′雙相層能提高接觸疲勞強度近40%。因此采用中硬調質+韌性深層滲氮是提高滲氮齒輪承載能力的重要途徑。
　　
　　近十幾年來，隨著相關技術的發展，離子滲氮設備有了很大的發展，新的技術和元器件不斷被采用，爐體趨向于低能耗、多功能。脈沖電源的市場推廣應用也取得了很大的成效，自動化控制水平不斷提高，使齒輪滲氮工藝的實施有了堅實的設備保障。本文論述了離子深層滲氮工藝的技術要點，并通過一個設備開發的實例介紹了設備特點及應用效果。
　　
　　一、深層可控離子滲氮的選材及工藝
　　
　　在齒輪上采用深層滲氮工藝，國內外對此都進行了探索與研究。早期成功運用的實例有：美國費城齒輪公司，進行深度達1mm的氣體滲氮，工藝周期要150h，而后磨掉表面的白亮層；國內鄭州機械研究所對深層離子滲氮工藝進行了開發研究，僅用60～70h可使滲氮層深度達0.8～1.2mm，表面獲 γ′單相組織，不需磨掉白亮層加工，并取得了國家專利。國內學者對深層快速滲氮的工藝、組織和機理等方面也開展了深入廣泛的研究，進行了循環變溫離子滲氮、熱循環離子滲氮、增壓滲氮、低壓脈沖滲氮、稀土催滲、形變促滲和高溫滲氮等工藝試驗，加上對滲氮齒輪承載能力、力學性能的研究試驗，促進了深層滲氮工藝在齒輪上的應用。
　　
　　1.材料及預處理
　　
　　選用合適的材料是進行深層可控離子滲氮的先決條件，對深層可控離子滲氮用鋼的基本要求是：
　　（1）具有較高的淬透性，保證一定截面尺寸的齒輪能淬透。
　　（2）具有較高的回火穩定性，確保長時間滲氮后的心部硬度不下降。
　　（3）滲氮速度較快，不易產生缺陷組織。
　　（4）基體的強韌性好，硬度分布平緩。
　　（5）雜質含量低、缺陷少。
　　
　　一般要求原材料中含有易于形成氮化物的合金元素，如： Cr、Mo、V、Al等，在國產的常用鋼材中，篩選了以下材料。滲氮齒輪的母材強化水平和硬化層的厚度都是關系到齒輪承載能力及使用壽命的關鍵因素。齒輪深層滲氮后要和滲碳淬火的承載水平相媲美，齒輪毛坯必須進行中硬調質預處理，以獲得均勻細小的回火索氏體組織。
　　
　　由于38CrMoAl材料的過熱敏感性較強，以及易產生滲氮缺陷、滲氮速度過慢等原因，而不推薦作為齒輪的深層滲氮材料。
　　
　　其中，25Cr2MoV是推薦的性能較好的齒輪滲氮材料，預處理后對常規力學性能進行測試，并與滲碳鋼 20CrMnMo、20Cr2Ni4淬回火狀態進行對比，各項指標均達到或超過滲碳鋼淬回火狀態水平。
　　
　　2.滲氮層組織的控制
　　
　　滲氮層表面的組織直接影響到齒面的脆性、齒輪的疲勞強度等力學性能。離子滲氮工藝的主要優點之一就是可以通過控制爐內氣氛中的氮、氫比例獲得不同的相成分。某文獻介紹，在其試驗條件下，在wNi=8%～12%的介質氣氛中進行離子滲氮時，可獲得γ′單相的化合物層組織，當含氮氣量為5%時可得到無化合物層的純擴散層組織。而對于wC≈0.4%的42CrMo、40CrNiMo材料，由于含碳量偏高，會形成一定量的 ε相，而不易得到完全γ′的單相組織。
　　
　　3.滲氮層深的獲得
　　
　　常規滲氮層厚度一般在0.6mm以下，進行0.8～1.2mm的深層滲氮，勢必大幅度延長處理時間。為使深層滲氮工藝便于在工業上應用，必須保證工藝周期不過長，行之有效的措施是提高滲氮溫度，但這又受到中硬基體和良好的滲氮層硬化效果的約束，需采用三段工藝進行處理。
　　
　　第一階段強滲：該階段處理的目的，是使齒輪外表層在盡可能短的時間內富有較高的氮濃度，以獲得較大的氮濃度梯度，為以后的較高溫度下的擴散形成較高的勢壘，增大氮的擴散速度。溫度一般取520～530℃，時間12～15h，可使表面的氮濃度達到飽和狀態，時間延長，意義不大。
　　
　　第二階段擴滲：在第一階段的基礎上，需加強氮原子在鋼內部的擴散，就必須適當地提高處理溫度，以增加氮的擴散系數，獲得較深而且硬度梯度平緩的硬化層。溫度的升高不能影響中硬基體的強度，還要兼顧到溫度升高對齒輪變形的副作用，一般取570～580℃，擴滲時間選取40h左右即可。
　　
　　第三階段補滲：經擴滲之后在表層0.3mm深度范圍內，顯微硬度有不同程度的下降。這是因為經過較高溫度下長時間的擴散，使一定深度范圍內的氮濃度有所降低，而且氮化物有一定程度的聚集長大并與母相的共格關系破壞，彈性畸變應力場作用削弱，對位錯運動的障礙力減小。為此采用與第一階段強滲基本相同的工藝進行補滲，以提高滲層硬化效果。
　　
　　三段滲氮過程中各階段完成后的顯微硬度梯度情況。滲層深度可達0.8～1.2mm，表面硬度可達550～570HV，表面獲得以γ′相為主或單相的化合物層組織。
　　
　　二、用于齒輪深層滲氮的計算機控制離子滲氮設備的開發
　　
　　工藝的順利實施需要先進的設備來保障，但目前國內用于工業生產的離子滲氮爐大多數結構簡單，自動化程度不高，結構也不夠合理。近年來，隨著電力電子技術和工業自動化控制技術的發展，國產脈沖電源的技術已經成熟，由于其一系列的優越性，已被市場所接受，得到了普及應用，計算機控制的離子滲氮設備也逐步被開發，功能也日趨完善。
　　
　　本文針對為某企業的齒輪產品 （齒圈、蝸桿和小模數齒輪等）而設計開發的離子滲氮設備系統加以描述，其中集成了目前國內較先進的配置，并且配置了計算機控制系統，開發了有關軟件。
　　
　　除此之外，還增加了爐內輔助加熱系統，有利于提高加熱溫度，改善爐溫均勻性，減少打弧清洗和升溫時間，特別是將提供等離子體為主的離子電源與提供熱源的加熱系統分開控制，有利于減少弧光放電的出現，以便更廣泛地調節和控制工藝參數。
　　
　　該設備的主要技術參數和配置如下：有效工作區為1600mm×1500mm，離子加熱功率為200kW，輔助加熱功率為75kW，配2X— 70和2X—30旋片式真空泵各一臺、離子加熱變壓器和輔助加熱變壓器各一臺、電源控制柜一臺、PC計算機一臺，系統配置與連接。現就其主要特點分別論述如下。
　　
　　1.輔助加熱系統
　　
　　輔助加熱電阻絲采用8mm的0Cr25Al5鐵鉻鋁合金絲垂直固定于爐內隔熱屏之上，與隔熱屏之間采用瓷座絕緣，輔助加熱線電壓為90V，電流輸出為0～480A，沿圓周方向共30根均勻分布，每組加熱器為5根串聯，然后采用并聯星型接法。加熱功率的調節采用雙向晶閘管進行控制，可以進行連續給定。
　　
　　2.主要儀器、儀表的選用
　　
　　以往的離子滲氮爐真空測量多采用電阻真空計，電阻真空計對所測介質成分較敏感，它是按照空氣介質進行標定的，在爐子預抽真空時可用，而滲氮過程中爐內通氣以后讀數就沒有參考價值了。因此我們選用目前較先進的CPCA—100Z型電容薄膜式絕對壓力變送器，可以在實際滲氮過程中準確地測量并控制爐壓。
　　
　　普通的玻璃轉子流量計只可手動調節，且因精度和穩定性較差，而無法實現自動化控制。在本系統中選用的D07—7B型質量流量計，可以不受介質壓力、種類等的影響，進行流量的精密測量和控制，共有4路質量流量計分別通入氮氣、氫氣、分解氨和丙烷氣，以滿足不同工藝的需求。
　　
　　真空蝶閥的驅動采用 Nucom—Z驅動裝置，可以通過電源柜上的給定位器得到4～20mA的電流信號，加到驅動裝置上，可將蝶閥開啟角度控制在0～90°的任意位置，代替人工的調節，從而達到控制真空泵抽氣速率的目的。
　　
　　3.計算機控制系統
　　
　　本系統采用三菱可編程控制系統和 PC機，配以北京昆侖通態智能全中文人機界面，系統連接。
　　
　　軟件主菜單中包括了五個子菜單，其中 “升溫保溫參數設定”子菜單中可進行10段的溫度設定和10段的壓力設定，在此界面還可進行電壓、時間、輔助加熱功率和介質流量等各參數的設定。將工藝的有關參數輸入、存儲，可進入運行界面，實現工藝的全自動運行，工藝執行過程中的溫度、壓力參數可實時記錄，并可調出、打印。
　　
　　此設備應用于齒輪的深層滲氮生產。
　　
　　三、齒輪深層滲氮的應用實例及推薦的應用范圍
　　
　　多年來，鄭州機械研究所在齒輪深層滲氮的工業應用方面進行了許多卓有成效的工作，所涉及齒輪的模數為2.5～10mm，精度為5～7級，昀高線速度達118m/s，形狀有直齒、斜齒、雙圓弧、螺旋錐齒，內齒圈、非圓齒輪和蝸桿等。以下為兩例深層滲氮的實際應用。實例1：鎮海石化總廠年產250 萬t主風機高速雙圓弧齒輪，齒輪模數4.5mm，線速度118m/s，負荷系數1.63kN/m2，材料34Cr Ni3Mo，表面硬度620～650HV，有效硬化層深0.8mm，脆性1級。實例2：寶鋼焦化廠主卷揚機減速機輸入軸齒輪，齒輪模數9mm，精度7級，材料25Cr2MoV，表面硬度730～760HV，有效硬化層深0.85mm，脆性1級。
　　
　　根據多年來國內外在齒輪滲氮領域的研究和實際工程的應用經驗，推薦在以下工況條件下選用齒輪滲氮工藝。
　　
　　四、結語
　　
　　雖然深層滲氮工藝在齒輪上得到了一定程度的應用，但還有需多的問題尚待解決，除了受傳統觀念的影響之外，還需要冷熱加工的配合，由于基體硬度的提高，對制齒工藝和刀具有新的要求；省去了磨齒的工序，就要盡量地減小變形，不僅在滲氮工藝過程中進行控制，在前期工序中也要控制，如精加工前增加去應力回火等措施。為了更加熟練地掌握、應用深層滲氮的工藝，建議從以下幾點進行努力：
　　
　　（1）原材料的選用 目前可選用的國產材料鋼種有限，有些鋼種還不易采購，需要開發一些齒輪滲氮的專用鋼材，如沉淀硬化鋼，可在滲氮過程中使基體的硬度進一步提高。
　　
　　（2）工藝研究 進一步提高滲速，增加深度，減少變形，探索研究新的工藝。
　　
　　（3）數據積累 探索組織與疲勞性能之間的關系，積累滲氮齒輪的力學性能數據，不斷完善有關標準。
　　
　　（4）設備開發 建立齒輪滲氮的專家智能系統，提高設備的控制水平，并解決大批量生產情況下的自動化程度不高的問題。