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鋼經滲碳表面硬度達到68～72HRC，用以製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。
齒輪模數越大，在承載接觸應力下最大剪切應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，當心部硬度超過一定值（約400HV）後，滲氮鋼的疲勞強度超過滲碳鋼。我們研製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，不利於齒輪的綜合性能。
實現製造高性能滲氮齒輪和替代滲碳齒輪的關鍵在於研製適於齒輪切削加工和適於深層離子滲氮的時效硬化鋼，以及根據齒輪不同服役條件和精度要求不同研製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鋼基礎上進行創新，以鎳鋁為主導，採用低碳高錳和鋁鉻鉬釩共存研製成功的專利鋼種（專利號201210028899.9），鋼的成分範圍見表2。
（1）空冷固溶處理後適宜切削加工
在850～900℃保溫3h後空冷，硬度為283～332HBW(30～36HRC)，可以直接進行切削加工。省去了常規調質鋼的淬火和高溫回火。
（2）時效硬化作為基體強化手段
時效硬化鋼比調質鋼的優勢在於，時效硬化後基體硬度可以達到40~43HRC，而經過深層離子滲氮後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870℃×3h空冷固溶處理後，在不同時效溫度分別處理6h，試驗結果如表3所示。
試驗結果表明，500～560℃時效後硬度最高，與滲氮溫度吻合，560～600℃區間硬度降低緩慢，對滲氮處理有利。20CrNi3Mn2Al鋼化學成分按照Ni3Al金屬間化合物和AlCrMoV氮化物複合時效硬化原理設計，實現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
常用調質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後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後截面性能均勻，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具有以下特點：表層硬度高，表面下0.1mm處硬度應大於900HV；表面化合物層薄（小於5μm）或單相ץ‘為主；滲氮層硬度梯度好，表面下0.4mm處硬度應大於600HV；滲氮層深應大於0.7mm；深層離子滲氮後基體硬度為400～450HV（42～46HRC）。
利用離子滲氮過程的優勢，工件表面活化和活性氮原子傳遞通道暢通的特點，綜合採用不同的滲氮溫度，保溫時間和供氨條件，經過反覆試驗確定了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。
結論：
（1）滲氮齒輪能夠代替滲碳齒輪的關鍵，在於研製成功新型時效硬化鋼，實現深層離子滲氮和保持齒輪心部高硬度（強度）。
（2）研製成功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，化合物層厚度小於5μm，表面下0.1mm處硬度大於900HV，0.4mm處硬度大於600HV，滲氮層深大於0.7mm，滲氮基體硬度為400～450HV。
（3）可以採用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10mm以下，滲碳層深2mm以下應用的滲碳齒輪，實現省去滲碳和油中淬火，簡化工藝，減少變形，減少汙染，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合，可實現高性能齒輪的高端突破，有深遠和重要的意義。
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