齿轮渗氮、氮碳共渗工艺及质量控制
1 范围
本标准规定了齿轮渗氮（气体、离子）及氮碳共渗（气体、离子、液体）的有关术语、材料选择、处理设备、工艺及质量控制。
本标准适用于合金结构钢和球墨铸铁制齿轮的渗氮、氮碳共渗以及45碳素结构钢氮碳共渗。
2 引用标准
下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。
GB/T 699—1988 优质碳素结构钢 技术条件
GB/T 1818—1994 金属表面洛氏硬度试验方法
GB/T 1348—1988 球墨铸铁件
GB/T 3077—1988 合金结构钢 技术条件
GB/T 3480—1997 渐开线圆柱齿轮承载能力计算方法
GB/T 4340—1984 金属维氏硬度试验方法
GB/T 5030—1985 金属小负荷维氏硬度试验方法
GB/T 9451—1988 钢件薄表面总硬化层深度或有效硬化层深度测定
GB/T 11354—1989 钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验
GB/T 13299—1991 钢的显微组织评定法
YB/T 5148—1993 金属平均晶粒度测定方法
JJG74—1992 自动平衡式显示仪表检定规程
3 术语
本标准采用下列术语。
3.1 齿面硬度
成品齿轮轮齿工作高度中间部位的齿面硬度。
3.2 渗层深度
齿轮或试样经渗氮、氮碳共渗后，从硬化层表面垂直测至规定的硬度或显微组织处的距离。
3.3 界限硬度值
为确定渗氮、氮碳共渗后齿轮的有效硬化层深度而规定的最低硬度值。
界限硬度值=（实际中心硬度+50），HV。
3.4 有效硬化层深度
a）齿轮渗氮、氮碳共渗后，于齿宽中部轮齿法截面上，在齿高中部沿垂直于齿面方向，自表面测至界限硬度值处的深度。
b）试样渗氮、氮碳共渗后，于垂直渗氮表面的横截面上，自表面测至界限硬度值处的深度。
4 齿轮材料选择
4.1 冶金质量
4.1.1 化学成分、低倍和高倍组织、非金属夹杂物，应符合GB/T 3077、GB/T 699的规定。
4.1.2 晶粒度应采用本质细晶粒钢，按YB/T 5148评定；当设计疲劳极限值位于GB/T 3480疲劳极限区域图的上限时，晶粒度级别必须7级以上。
4.1.3 对有特殊要求的齿轮，按用户与制造厂双方协议执行。
4.2 锻坯质量与力学性能
4.2.1 锻造比：对承载能力高的齿轮，用钢锭锻成齿坯，锻造比应大于或等于5；用轧材锻成齿坯，锻造比大于或等于1.5，带状组织等于或小于2级（GB/T 13299）。对形成白点敏感的材料及大截面的齿轮进行扩散处理，其它齿轮及齿轮轴按各行业规定执行。
4.2.2 齿坯流线应在齿坯纵剖面上沿外廓形状分布。
4.2.3 力学性能指标不得低于GB/T 3077、GB/T 699、GB/T 1348的规定值。
4.2.4 齿坯不得过热、过烧，其晶粒度级别不得低于原材料晶粒度级别。
4.3 渗氮、氮碳共渗齿轮材料
作为渗氮齿轮用钢应含有Cr、V、Mo、Al等在渗氮温度下能形成稳定氮化物的元素，推荐材料如下：
a）渗氮材料：40Cr、35CrMo、42CrMo、25Cr2MoV、18Cr2Ni4WA、38CrMoAlA及相近成分的钢材，珠光体球墨铸铁。
b）氮碳共渗材料：45、40Cr、35CrMo、42CrMo、25Cr2MoV等。
注：当齿轮设计的接触疲劳极限与弯曲疲劳极限位于GB/T 3480疲劳极限区域图的不同位置时，参见附录A（提示的附录）选择材料。
5 设备要求
5.1 气体渗氮、氮碳共渗设备
a）齿轮在有效加热区内加热时，其设备应能保证处理温度控制在预定温度±10℃之内；
b）渗氮、氮碳共渗炉氨的分解率应能根据工艺要求作适当的调整；
c）渗氮、氮碳共渗炉应能根据工艺要求良好密封；气体应均匀接触齿轮表面，最好有流通装置；
d）测试仪表的精度为0.5级（JJG74）；
e）氮碳共渗设备应具有充分燃烧、排出废气的装置，环境中CN-含量应控制在0.3mg/m3以下；
f）渗氮罐应定期进行退氮处理。
5.2 离子渗氮、氮碳共渗设备
a）设备应设置电压、电流、温度、真空度和气体流量的测量指示仪表，温度应能自动控制和记录；
b）极限真空度应不低于6.7Pa（5×10-2Torr），压升率不大于1.3×10-1Pa/min（1×10-3Torr/min）；
c）设备应具有可靠的灭弧装置。
5.3 液体氮碳共渗设备
a）应有良好的吸风防护罩等安全防护装置；
b）应有中和消除有毒废液处理装置，排放须符合环境保护条例。
6 工艺控制
6.1 渗剂
6.1.1 常用种类
a）渗氮：氨、热分解氨、氮氢混合气、氨加氧；
b）氮碳共渗：氨加甲醇、氨加二氧化碳、氨加吸热性气氛、微毒盐类等。
6.1.2 要求
渗剂不得对齿轮产生有害影响，应符合标准渗剂技术条件。
6.2 齿轮渗氮、氮碳共渗预处理要求
6.2.1 基体处理
6.2.1.1 合金结构钢采用调质。调质回火温度一般比渗氮温度高20℃以上，调质加工表面不允许有脱碳，调质硬度应符合技术条件。
6.2.1.2 碳素钢氮碳共渗齿轮在冲击性能要求不高时可采用正火处理，正火后硬度应符合技术条件要求。
6.2.2 去应力退火
对变形要求小的齿轮，在渗氮前应进行一次或数次去应力退火，其最高温度应低于调质回火温度，高于渗氮、氮碳共渗温度。
6.2.3 表面清理
齿轮渗氮、氮碳共渗前必须除去锐边、清洗干净，不得有油污、氧化皮等其他有害的杂物。
6.2.4 局部防渗
对不需渗氮、氮碳共渗部位，用镀层、防渗涂料或机械屏蔽法防渗。
6.2.5 待处理齿轮表面粗糙度Ra应小于3.2μm。
6.2.6 夹具
6.2.6.1 气体渗氮及氮碳共渗夹具应设计合理、吊挂牢固。经一定时间使用后要进行退氮处理。
6.2.6.2 离子渗氮及氮碳共渗夹具与齿轮之间的间隙应适当，以免打弧。
6.3 齿轮渗氮、氮碳共渗工艺规程
6.3.1 随炉试样
a）随炉试样的材料成分、预先热处理、金相组织、力学性能应与齿轮相一致。高可靠度齿轮最好在齿轮上取样；
b）试样尺寸（圆棒直径或方形试样厚度）应近似于分度圆齿厚；
c）随炉试样被检表面粗糙度Ra应小于0.8μm，表面不得有脱碳层、氧化皮、锈斑和油污；
d）试样应放置在能代表该炉齿轮渗层质量的位置上。
6.3.2 装炉
齿轮的装炉量、位置及方向要恰当，使炉内介质流畅和每个轮齿加热均匀，以减少变形。
6.4 齿轮渗氮、氮碳共渗工艺
6.4.1 温度及参数
根据齿轮材料、形状、模数及技术要求选取表1中的温度及参数。
表 1
6.4.2 处理时间
按齿轮材料、渗层深度要求选择的工艺类别等综合确定。一般按每小时0.01mm的平均渗速估算时间。
6.4.3 冷却方式
a）气体渗氮、离子渗氮、离子氮碳共渗后在炉内冷至200℃以下后空冷；
b）气体氮碳共渗后也可采用油冷；
c）液体氮碳共渗后一般采用水冷；
d）为减少变形，对高精度不磨齿的齿轮可采用分段冷却。
6.4.4 清洗
液体氮碳共渗后要及时清洗、中和附在齿轮上的残盐、残渣。
7 齿轮渗氮、氮碳共渗质量控制与检验方法
7.1 随炉试样检验
7.1.1 表面硬度
表面硬度检验按GB/T 5030、GB/T 4340、GB/T 1818测量；对渗氮后要磨削的齿轮，应将试样表面磨去加工余量后测量，硬度应符合技术条件规定，推荐测试负荷见表2。
表 2(www.xing528.com)
6.4.2 处理时间
按齿轮材料、渗层深度要求选择的工艺类别等综合确定。一般按每小时0.01mm的平均渗速估算时间。
6.4.3 冷却方式
a）气体渗氮、离子渗氮、离子氮碳共渗后在炉内冷至200℃以下后空冷；
b）气体氮碳共渗后也可采用油冷；
c）液体氮碳共渗后一般采用水冷；
d）为减少变形，对高精度不磨齿的齿轮可采用分段冷却。
6.4.4 清洗
液体氮碳共渗后要及时清洗、中和附在齿轮上的残盐、残渣。
7 齿轮渗氮、氮碳共渗质量控制与检验方法
7.1 随炉试样检验
7.1.1 表面硬度
表面硬度检验按GB/T 5030、GB/T 4340、GB/T 1818测量；对渗氮后要磨削的齿轮，应将试样表面磨去加工余量后测量，硬度应符合技术条件规定，推荐测试负荷见表2。
表 2
7.1.2 渗层深度
渗层深度检验以硬度法为主，金相法为辅，检验结果应符合产品技术要求。
7.1.2.1 硬度法
测定有效硬化层深度，选用4.9N负荷，从试样表面垂直测至界限硬度处的距离。
测试负荷只能在1.96～19.6N范围内选取。
渗层深度在0.3mm以下时，按GB/T 9451进行测定。
7.1.2.2 金相法
用金相显微镜按GB/T 11354规定，从试样表面垂直测至与基体组织有明显分界处的距离。当基体组织界线不明显、无法正确判断时，应以硬度法为准。
7.1.3 心部硬度
随炉试样磨制后，在大于渗层两倍处测定3点硬度，取其平均值作为心部硬度。测定方法按GB/T 4340或GB/T 230规定，测量结果应达到技术要求。
7.1.4 脆性
按GB/T 11354有关规定检验压痕周边碎裂程度，每件测3点，至少有两点处于相同级别，1～3级为合格。对留有磨量的齿轮，可磨去加工余量后测量，测量结果应符合技术条件。对要求高的齿轮，经双方协商可对试样采用声发射法检验。
7.1.5 渗层疏松
渗层表面化合物层疏松按GB/T 11354评定，1～3级为合格。
7.1.6 渗层中氮化物形态
渗层扩散层中氮化物形态按GB/T 11354评定，1～3级为合格。
7.1.7 渗氮、氮碳共渗化合物层厚度与硬度
化合物层厚度与硬度应符合产品图样技术条件，厚度用金相显微镜测定；硬度使用显微硬度计测定，负荷采用0.49～0.98N。
7.1.8 其他
根据用户要求或产品需要，可测量表面相结构的组成或残余应力。
7.2 齿轮渗氮、氮碳共渗质量检验
7.2.1 外观
齿轮渗氮、氮碳共渗后用肉眼检查表面，不得有氧化皮、碰伤、剥落、电弧烧伤、残盐存留等缺陷。
7.2.2 齿面硬度
a）抽检批量生产的齿轮，当随炉试样合格时，每批抽检1件，约在相隔120°的三个轮齿上，在齿高中部各测1～3点，也可用维氏硬度计或表面洛氏硬度计（HR15N）测量端面或齿顶硬度；
b）当随炉试样检查不合格时，应取同炉的齿轮3件，每件测3个轮齿，每个轮齿测1～3点；
c）对无法用硬度计检查的齿轮，一般以随炉试样的测量值为准；
d）硬度不符合技术条件要求时，应根据具体情况进行返修处理或判废。
7.2.3 渗层深度与轮齿中心硬度
a）批量生产的齿轮，在随炉试样检验合格情况下应定期抽检。若随炉试样不合格，则该批至少抽检1件齿轮。检验方法同7.1.2、7.1.3；
b）单件重要的齿轮，一般以随炉试样测量为准。经协商可将一个轮齿的末端沿一个角度磨制抛光并腐蚀，用带有刻度的放大镜测量渗层深度。用肖氏硬度计检测轮齿中心的硬度，测量结果应达到产品图样和技术文件的规定值；
c）渗氮、氮碳共渗层深度的均匀度为技术条件要求中值的±15%。
7.2.4 抽检
抽检齿轮的渗氮、氮碳共渗层脆性、渗层疏松、氮化物形态。检查同7.1.4、7.1.5、7.1.6。
7.2.5 变形
对精度要求高的齿轮，抽查1～3件，用相应量具检查齿轮几何精度，其结果应符合技术条件要求。
7.2.6 局部防渗
用肉眼观察局部防渗部位，一般应基本保持原金属色，若发现有渗氮色，可用硬度计或高硬度锉刀进行检查，以不影响切削加工为准。
附录A
（提示的附录）
渗氮、氮碳共渗齿轮常用材料选择
表A1 渗氮、氮碳共渗齿轮常用材料选择
7.1.2 渗层深度
渗层深度检验以硬度法为主，金相法为辅，检验结果应符合产品技术要求。
7.1.2.1 硬度法
测定有效硬化层深度，选用4.9N负荷，从试样表面垂直测至界限硬度处的距离。
测试负荷只能在1.96～19.6N范围内选取。
渗层深度在0.3mm以下时，按GB/T 9451进行测定。
7.1.2.2 金相法
用金相显微镜按GB/T 11354规定，从试样表面垂直测至与基体组织有明显分界处的距离。当基体组织界线不明显、无法正确判断时，应以硬度法为准。
7.1.3 心部硬度
随炉试样磨制后，在大于渗层两倍处测定3点硬度，取其平均值作为心部硬度。测定方法按GB/T 4340或GB/T 230规定，测量结果应达到技术要求。
7.1.4 脆性
按GB/T 11354有关规定检验压痕周边碎裂程度，每件测3点，至少有两点处于相同级别，1～3级为合格。对留有磨量的齿轮，可磨去加工余量后测量，测量结果应符合技术条件。对要求高的齿轮，经双方协商可对试样采用声发射法检验。
7.1.5 渗层疏松
渗层表面化合物层疏松按GB/T 11354评定，1～3级为合格。
7.1.6 渗层中氮化物形态
渗层扩散层中氮化物形态按GB/T 11354评定，1～3级为合格。
7.1.7 渗氮、氮碳共渗化合物层厚度与硬度
化合物层厚度与硬度应符合产品图样技术条件，厚度用金相显微镜测定；硬度使用显微硬度计测定，负荷采用0.49～0.98N。
7.1.8 其他
根据用户要求或产品需要，可测量表面相结构的组成或残余应力。
7.2 齿轮渗氮、氮碳共渗质量检验
7.2.1 外观
齿轮渗氮、氮碳共渗后用肉眼检查表面，不得有氧化皮、碰伤、剥落、电弧烧伤、残盐存留等缺陷。
7.2.2 齿面硬度
a）抽检批量生产的齿轮，当随炉试样合格时，每批抽检1件，约在相隔120°的三个轮齿上，在齿高中部各测1～3点，也可用维氏硬度计或表面洛氏硬度计（HR15N）测量端面或齿顶硬度；
b）当随炉试样检查不合格时，应取同炉的齿轮3件，每件测3个轮齿，每个轮齿测1～3点；
c）对无法用硬度计检查的齿轮，一般以随炉试样的测量值为准；
d）硬度不符合技术条件要求时，应根据具体情况进行返修处理或判废。
7.2.3 渗层深度与轮齿中心硬度
a）批量生产的齿轮，在随炉试样检验合格情况下应定期抽检。若随炉试样不合格，则该批至少抽检1件齿轮。检验方法同7.1.2、7.1.3；
b）单件重要的齿轮，一般以随炉试样测量为准。经协商可将一个轮齿的末端沿一个角度磨制抛光并腐蚀，用带有刻度的放大镜测量渗层深度。用肖氏硬度计检测轮齿中心的硬度，测量结果应达到产品图样和技术文件的规定值；
c）渗氮、氮碳共渗层深度的均匀度为技术条件要求中值的±15%。
7.2.4 抽检
抽检齿轮的渗氮、氮碳共渗层脆性、渗层疏松、氮化物形态。检查同7.1.4、7.1.5、7.1.6。
7.2.5 变形
对精度要求高的齿轮，抽查1～3件，用相应量具检查齿轮几何精度，其结果应符合技术条件要求。
7.2.6 局部防渗
用肉眼观察局部防渗部位，一般应基本保持原金属色，若发现有渗氮色，可用硬度计或高硬度锉刀进行检查，以不影响切削加工为准。
附录A
（提示的附录）
渗氮、氮碳共渗齿轮常用材料选择
表A1 渗氮、氮碳共渗齿轮常用材料选择
注：1.疲劳极限适用于渗氮层深度0.3mm以上。
2.各材料心部抗拉强度应大于900N/mm2。
3.表中推荐数据适用于常温条件。
4.特殊使用的齿轮经用户和制造厂协商选取其他材料。
注：1.疲劳极限适用于渗氮层深度0.3mm以上。
2.各材料心部抗拉强度应大于900N/mm2。
3.表中推荐数据适用于常温条件。
4.特殊使用的齿轮经用户和制造厂协商选取其他材料。
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