离子渗氮是利用稀薄气体(渗剂)在强电场的作用下，将含氮气体渗剂电离成氮离子，氮离子在电场的作用下高速向工件表面运动，通过溅射沉积作用在工件表面形成一定厚度的渗氮层。与其他渗氮方式相比，离子渗氮由于渗速快、渗层相成分易控制、节能环保等优势，被广泛应用到齿轮的表面改性上。但也由于辉光存在一定厚度，在深孔或窄缝中无法提供产生辉光厚度的空间，导致渗氮困难甚至无法渗氮;另外，在一定尺寸的小孔与窄缝处易产生辉光叠加，造成工件加热温度不均匀，从而使渗层厚度和硬度不均匀，以致出现热处理不合格。
齿轮是传递动力的关键部件，在传递动力过程中承受摩擦、冲击、剪切等应力，因此要求齿面具有高的耐磨、抗咬合等性能。齿轮常见的失效形式是齿面出现麻点、接触疲劳破坏及渗层剥落、齿根处断裂等，其中以沿齿根断裂危害性最大。中碳合金钢齿轮经调质后进行渗氮处理，可使齿面硬度提高到 500 ～ 1200 HV，有效提高齿面的耐磨性和抗咬合性能。同时，渗氮层在表面形成压应力，提高齿根处疲劳强度，使得齿轮寿命大大延长。
由于齿轮的特殊形状和辉光离子渗氮的特性，如果渗氮工艺参数控制不当，在近齿根处易出现渗层深度不够，甚至无渗氮现象，导致齿根处强化效果达不到要求。目前，针对这种情况热处理厂均都没有很好的应对措施，只知道齿轮离子渗氮应采用较大炉压，以减小辉光厚度，使得齿轮根部能充分渗氮，但对应模数大小与工况的齿轮适用多高炉压，还没有资料参考。为了提高检测效率和降低检测成本，绝大多数热处理厂家采用简单的圆形或方形试样检测齿轮离子渗氮的渗氮质量，这时往往会出现试样渗氮检测合格而齿轮不合格现象。即使个别厂家随工件配置同形状和状态的齿形试样，当试样检测不合格时也只是调整工艺进行补渗，多次渗氮又会导致变形量大幅增加，降低齿轮精度，同时严重浪费能源和延长工期。本研究选择模数 4 mm 的小齿轮对其在不同炉压下进行离子渗氮试验，以供生产参考。
一、试验材料与方法
试验材料为齿轮最常用 42CrMo 钢，化学成分(质量分数，% )为 0. 39 ～ 0. 42C、0. 16 ～ 0. 24Mo、0. 75 ～ 1. 0Mn、0. 15 ～ 0. 34Si、0. 9 ～ 1. 02Cr，余量 Fe。调质工艺为 850 ℃ × 1 h 油淬 + 560 ℃ × 3 h 回火，调质硬度 为 280 ～ 300 HBW。从齿轮本体上取样，取样齿轮具体参数见表 1。
试验设备采用某研究所生产的单热源脉冲式离子渗氮炉，炉压为 180、230、280 和 330 Pa。渗氮过程为抽真空→打弧→通氩气升温→到温后通氨气，通入量为 0.5 L / min，调整氩气通入量达到设定炉压进行渗氮，具体工艺见表 2。
根据 GB / T 11354—2005《钢铁零件渗氮层深度测定和金相组织检验》采用硬度法对试样齿顶、节圆、齿根处渗氮层深度进行测量，测量位置见图 1。用小负荷显微硬度计从表面 0.1mm 处向心部每隔 0.05mm 测试一个硬度值(加载载荷砝码为 300g，加载时间为 15s)，见图 2，以比基体高 50 HV 的位置作为渗层深度。用金相显微镜对渗层组织进行判定。
二、试验结果
渗氮层深度
齿轮节圆处是受摩擦力最大的地方，该处渗层硬度越高、渗层越深其耐磨性能越好。当齿轮在传递动力过程中，由于齿根处受到循环应力作用，所以在齿根处易出现疲劳断裂。齿轮渗氮会在表面形成压应力，渗层越深，压应力越大;表面压应力越大，越有利于疲劳性能的改善。所以评判一个齿轮的渗氮质量，需对齿轮节圆和齿根的渗氮层硬度、深度和组织进行测量和评级。
渗层深度测试结果见表 3。由表 3 可以看出，当炉内压强为 180 Pa 时，从齿顶到节圆处渗层深度从 0.23 mm减小到 0.15 mm，在节圆偏下(偏齿根处)渗层深度即接近于零。保持氨气流量不变，向炉内通入氩气，当炉压增加到 230 Pa，齿顶渗层深度稍有增加，节圆处渗层深度达到 0.23 mm，此时齿根处渗层深度为 0.15 mm，与节圆、齿顶的渗层深度相比，仍有较大差距。保持氨气通入量不变，继续增加氩气通入量，使炉压升高到 280 Pa，此时齿顶、节圆和齿根渗层深度分别达到 0.32、0.33 和 0.24 mm，渗层深度从齿顶到齿根处全部增加，虽然齿顶到齿根的渗层深度仍存在梯度，但渗层的均匀性得到较大改善。继续增加氩气通入量，使炉压升高到 330 Pa，此时齿顶、节圆、齿根渗层深度分别达到 0.35、0.34 和 0.28 mm，渗层深度和均匀性进一步得到改善。但此时由于辉光厚度较薄，炉内放置的辅助卡具间的小缝偶尔出现打弧现象。
渗氮层硬度梯度
硬度梯度是衡量渗层质量的重要指标之一。当表面硬度相同时，硬度梯度越平缓，越有利于渗层性能的提高。图 3 为不同炉压下齿顶、节圆、齿根处渗氮层硬度分布曲线。从图 3(a)中可以看到，当炉压为 180 Pa 时，齿顶表面硬度为 648 HV0. 3，为正常的渗氮硬度。而在节圆处表面硬度仅为 527 HV0.3，距表面 0.1 mm 处，硬度仅有 409 HV0.3 左右，表面硬度太低和渗层深度太薄将导致齿轮在使用过程中出现开裂、脱落等现象，严重影响渗氮层的耐磨性能。在齿根距表面0.1 mm处硬度和基体硬度无明显差别。由此可见，模数 4 mm 的齿轮在 180 Pa 炉压下轮齿渗层非常不均匀。
图 3(b) 为炉压 230 Pa 时轮齿的渗氮情况，可以看出，齿顶和节圆表面硬度分别为 647 HV0.3 和 638 HV0.3 ，距表面0.1 mm 处硬度可以达到651 HV0.3 和 633 HV0.3，同位置节圆处比齿顶处稍低，但齿根距表面 0.1 mm 处只有 545 HV0.3，与齿顶与节圆处仍有较大差距。图3(c)为炉压 280 Pa 时轮齿的渗氮情况，可以看到，齿顶和节圆距表面 0.1 mm 处硬度均可以达到 625 HV0.3 左右，而齿根同位置达到了 610 HV0.3 左右，整个轮齿的渗层深度较均匀，也大大降低了齿根处的硬度梯度。图 3(d)为炉压 330 Pa 时轮齿的渗氮情况，可以看到，齿顶和节圆距表面 0.1 mm 处硬度均可以达到 630 HV0.3 左右，而齿根同位置达到了 620 HV0.3 左右，整个轮齿的渗层深度非常均匀。
显微组织
渗氮层是由化合物层(白亮层)与扩散层组成，化合物层硬且脆，耐腐蚀性最强。渗氮层中化合物层与扩散层的厚度、表面疏松、扩散层中脉状氮化物的级别都是直接决定渗氮层性能关键因素，需通过对渗氮层的显微组织进行检验，对疏松与脉状氮化物进行评级。图 4 为轮齿不同部位在不同渗氮条件下齿轮的显微组织。
图 4(a～c)为炉压为 230 Pa 时，轮齿各处的渗氮层显微组织。可以看到，在齿顶处有较厚的白亮层，约 10 μm，在节圆处白亮层大幅度减少至 5 μm 左右，而在齿根处几乎看不到任何白亮层。齿顶、节圆处的化合物层中疏松级别皆为 1 级;而在齿顶处出现了约为 2 级的脉状氮化物，节圆处和齿根处脉状氮化物皆为 1 级。
图 4(d～f)为炉压为 280 Pa 时，轮齿各处的渗氮层显微组织。可以看到，在齿顶处的白亮层约 10 μm，在节圆处白亮层厚度和 230 Pa 时相比，没有明显变化，而在齿根处出现了为 2 ～ 3 μm 的白亮层。齿顶、节圆、齿根处的化合物层中疏松级别皆为 1 级;而在齿顶和节圆处皆出现了约为 2 级的脉状氮化物，齿根处脉状氮化物为 1 级。
图 4(g～i)为炉压为 330 Pa 时，轮齿各处的渗氮层显微组织。可以看到，在齿顶处的白亮层和 230 Pa 和 280 Pa 时相比，稍有减薄，约为 7 μm，在节圆和齿根处白亮层厚度和 230 Pa 和 280 Pa 时相比，明显增加，约为 8 μm。齿顶、节圆、齿根处的化合物层中疏松级别皆为 1 级;在齿顶和节圆处脉状氮化物约为 2 级，且在齿根处也出现了微量的脉状氮化物。
化合物层硬且脆，具有较高的耐蚀性能和较低的摩擦因数，较厚的化合物层可有效提高渗氮层的耐蚀性能、耐磨性和抗胶合性能，却对抗疲劳性能不利;所以对模数为 4 mm 的齿轮离子渗氮时，可选择适当的工艺，保证节圆处的化合物层厚度，而减小齿根处的化合物层厚度。
三、结果分析
离子渗氮由于渗速快、相成分可控和环保节能等一系列优点，被大量用于改善齿轮表面耐磨性、抗咬合及抗疲劳等性能上。但由于其渗层浅、硬度梯度较陡，一般用于模数 4 mm 以下齿轮的表面改性上。而齿轮模数越小，齿槽的宽度越小，特别是节圆到齿根部分，形成的缝隙越窄。
离子渗氮产生的辉光具有一定厚度 d(2 ～ 8 mm)，当窄缝或小孔尺寸小于 2d 时，无法为正常产生辉光提供足够的空间，故无法正常渗氮，也就无法得到工况所需的渗氮层厚度和组织。辉光厚度和离子渗氮炉内的压强成反比：炉压越高，辉光厚度越薄。
模数 4 mm 的齿轮在节圆处两齿之间的宽度约为 5 mm，而炉压为 180 Pa 时，辉光厚度约为 4 mm，此时两相邻轮齿之间的距离从节圆至齿根部都将无法给辉光提供足够空间，致使渗氮无法正常进行，距离越小渗氮越困难，所以本文试验齿轮从节圆到齿根部，渗层逐渐减少。
保持向离子渗氮炉内通入的氨气量不变，向炉内通入氩气，致使炉内压强增加，辉光厚度变薄，在更小的空间内能进行正常渗氮，所以从齿顶到齿根渗氮层深度差逐渐减小。本文中当炉压为 230 Pa 时，模数为 4 mm 的小齿轮试样齿根部渗层深度已是节圆处的 65% 左右;当炉压升高到 280 Pa 时，齿根部渗层深度升至节圆处的 73% 左右;当炉压升高到 330 Pa 时，齿根部渗层深度升至节圆处的 82% 左右。
氩离子相比于氢离子和氮离子，具有较强的轰击强度。根据溅射沉积理论可知，首先，轰击强度越强，从试样(工件)表面轰击出的铁和合金离子越多，在试样表面产生合金氮化物越多，强化了溅射沉积作用，导致试样表面氮势升高，增加了扩散动力;其次，轰击强度越强，作用在试样表面上的力越大，产生晶体缺陷越多，越有利于氮元素扩散。最后，根据文献的研究成果，经过氩气 4 h 离子溅射激活处理，再经 550 ℃ × 6 h 离子渗氮处理后，表面 γ′相从 55% 降低到 45% ，表面 α 相从 25% 增加到 42% ，ε 相从 20% 降低到 13% ，可见离子溅射激活处理的试样，渗氮时表面化合物层中 α 相数量增加，ε 相减少，形成以 γ′相为主和夹杂着 α 相的化合物层，有利于次表层氮的扩散，加速了扩散层的形成。
据此，解释了本文随着氩气通入量的增加，化合物层的厚度微量减薄的原因。所以在离子渗氮气氛中加入适量的氩气，不仅有利于加快渗氮速率，同时可以减少化合物层厚度。在本试验中，随着氩气通入量的增加渗速逐渐增加，但炉压增加到 330 Pa 时，由于辉光厚度此时约 2 mm，致使炉内卡具之间的部分缝隙产生辉光叠加，局部出现温度超高的情况。在实际生产中，由于装炉量更大，情况更复杂，当辉光太薄时，许多窄缝、小孔容易产生辉光叠加，造成局部温度超高或者打弧现象，使得产品报废，所以使用 330 Pa 炉压进行离子渗氮时需谨慎。
四、结论
1)对齿轮进行离子渗氮时要严格控制炉内压强，压强越大，轮齿渗氮层越均匀。
2)齿轮离子渗氮过程中保持氨气通入量不变的同时加入适量的氩气，可以有效减小辉光厚度。
3)对模数4 mm 的齿轮经540 ℃ × 8 h 离子渗氮，其渗层均匀性随着氩气通入量的增加逐渐改善。当炉压低于 180 Pa 时，齿根处无法渗氮;当炉压高于 280 Pa 时，炉内由于辉光厚度太薄，打弧几率增加，炉温均匀性变差。
4)在氨气中通入氩气可增加离子轰击效果，减少化合物层厚度和在一定程度上提高渗氮速率，但炉压对渗层疏松和脉状氮化物级别无明显影响。
参考文献略.