盧金生，張 衡，許鴻翔，郭詩蕊

(1.鄭州機械研究所有限公司，河南 鄭州 450002；2.Department of Chemistry, The University of Manchester, Manchester, M13 9PL, The United Kingdom)

新能源產(chǎn)業(yè)是國家確定的七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，但長期以來，我國核電核心設備一直依賴國外，迅速提高國產(chǎn)裝備在核電建設中的比重迫在眉睫。核電中循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的主要功能是向冷凝器供給冷卻水，確保汽輪機冷凝器的有效冷卻，在電站輔機中占有重要地位，其可靠運行直接影響到整個電站的安全性和可用率。其中的水泵齒輪箱具有以下主要特點：傳遞功率大，一般工業(yè)用齒輪箱功率不大于4000 kW，而兆瓦級核電站齒輪箱功率可達4500～10 000 kW；通用齒輪箱的壽命為10年，而核電水泵用齒輪箱減速器的設計壽命長達40年，且要求具有較高的可靠性和制造精度[1]。

國外供應商(如：Allen Gears、David Brown和Alstom Hergeron等公司)已有幾十年的制造經(jīng)驗，其產(chǎn)品在國內主要用于大亞灣、嶺澳、臺山、紅沿河、陽江、寧德等核電站。2010年之前，我國在運行的百萬千瓦級核電機組循環(huán)泵減速箱均為進口產(chǎn)品，為改變現(xiàn)有局面，2008年科技部項目 “百萬千瓦級核電站循環(huán)泵齒輪箱研發(fā)” 立項，進而開發(fā)了渦殼水泥循環(huán)泵用高可靠性行星齒輪箱，試制出6100 kW樣機，在福建福清核電站和浙江方家山核電站率先實現(xiàn)國產(chǎn)化重大突破。目前國內共有49個在運行機組，10個在建機組，鄭機所及重齒等企業(yè)共配套50余臺，90%齒輪箱已由國內研制。

該齒輪箱采用行星傳動，大型薄壁內齒圈是其中的核心重要部件，采用滲碳淬火熱處理畸變很嚴重，定型工裝的制作和后期的磨齒成本也很高。采用內齒感應淬火處理畸變稍輕，但同時也存在過渡區(qū)軟帶、齒根部位容易形成殘余拉應力、仿齒廓淬火硬化工藝不成熟等問題[2]，并且需要專用淬火機床，一次性投入成本也較高。離子滲氮屬于畸變較小的表面硬化工藝，具有硬度高、疲勞強度高、殘余壓應力大等優(yōu)點，并被認證為綠色熱處理[3]，在齒輪的強化領域也得到了較為廣泛的應用，具有較大的發(fā)展前景，但傳統(tǒng)的齒輪滲氮技術存在滲層深度淺、心部硬度偏低及脆性大等不足，難以滿足高端裝備中的重載、高可靠齒輪的服役要求，當前大型重載內齒圈的熱處理技術已成為高端行星傳動齒輪箱制造的瓶頸[4]，針對疲勞強度、壽命及可靠性要求較高的核電內齒圈亟待開發(fā)抗疲勞的離子滲氮強化工藝。

1 試驗材料及條件

1.1 內齒圈基本技術條件

循環(huán)泵齒輪箱的功率為6500 kW，輸入轉速745 r/min，傳動比4.23，內齒圈材料為42CrMo鋼，結構簡圖如圖1(a)所示，外形尺寸為φ1400 mm×273 mm，法向模數(shù)12 mm，齒數(shù)126，精度6級，圖1(b，c)分別為齒圈受載后的應力、應變云圖。

齒圈材料為42CrMo鋼，屬于中碳合金鋼，具有較高的性價比，可以滿足滲氮齒圈基體良好強韌性的需求，其中Cr提高鋼的淬透性，還可提高回火穩(wěn)定性，Mo進一步提高鋼的強度、淬透性、回火穩(wěn)定性和減小晶粒長大的傾向，而且有抑制第二類回火脆性的作用，在滲氮溫度下長時間保溫，心部仍可保持所需硬度。由于Cr、Mo可保證鋼的晶粒細小，滲氮時能減小過渡層晶界處氮化物聚集成脈網(wǎng)狀的傾向，從而減少疲勞裂紋萌生源。

1.2 試驗及分析檢測設備

離子滲氮試驗及產(chǎn)品處理在LDM-200型脈沖電源離子滲氮爐內進行，滲氮介質為瓶裝氫氣和氮氣，純度≥99.99%，經(jīng)分子篩和變色硅膠凈化后，通過LZB型轉子流量計和混合穩(wěn)壓罐等氣路裝置按一定比例混合通入爐內。HV-10B型小負荷維氏硬度計、HXD-1000TMC/LCD型顯微硬度計分別用于測試滲氮后的表面硬度和硬度梯度，LEICA DMI 3000M型金相顯微鏡用于觀測顯微組織，用島津XRD-6100型X射線衍射儀進行相成分分析，Proto-LXRD型大功率(1200 W)X射線應力分析儀采用同傾固定法測殘余應力，拉伸試驗在WJ-10型萬能試驗機上進行，沖擊試驗在JB30型沖擊試驗機上進行。金相試樣形狀為矩形，尺寸為32 mm×18 mm×8 mm。

2 基體預處理及其力學性能

2.1 提高滲氮齒輪承載能力的途徑

滲氮齒輪的強度研究和工程應用實踐表明，傳統(tǒng)的滲氮工藝用于重載齒輪的表層強化存在一些不足之處，難以滿足重載齒輪的力學性能需求，主要體現(xiàn)在：硬化深度淺、基體硬度偏低，造成硬度梯度太陡，過渡區(qū)強度不足；表面化合物層組織為混合相、脈狀組織嚴重及基體組織不當時脆性大，耐沖擊性差，導致滲氮齒輪疲勞強度偏低、過載能力差，S-N曲線的低周疲勞階段的斜率小等問題[5]。

常規(guī)滲氮工藝的現(xiàn)狀限制了滲氮齒輪的應用范圍，常用于輕載小模數(shù)齒輪，有關文獻[5]也推薦滲氮齒輪的模數(shù)為8～10 mm。為解決大型重載內齒圈存在的壽命短、可靠性差、功率密度小等問題，攻克制造工藝及表層強化關鍵技術，遵循抗疲勞制造理論，針對現(xiàn)有滲氮工藝不足，進一步提高滲氮齒輪承載能力的有效途徑如下[6]：增加滲氮層深度，擬采用深層離子滲氮使層深至0.7～1.2 mm；提高基體硬度，改善硬度梯度的分布，采用可使硬度達300 HBW及以上的中硬度調質預處理；改善組織提高韌性，使基體組織為均勻細小索氏體組織，滲氮層表面為少量γ′單相化合物層；控制殘余應力場，使表層獲得較大幅值和一定深度的殘余壓應力場分布；由于高硬度材料的應力集中敏感性較強，還要控制齒圈的表面完整性，實施精密加工；熱處理畸變控制問題對于大型滲氮內齒圈也較為突出。綜合控制多種因素并考慮加工制造過程中的工藝可行性及經(jīng)濟可承受性，使得產(chǎn)品制造技術的難度增大。

2.2 齒圈制造工藝流程及基體預處理

內齒圈按以下流程進行加工制造：鍛造—退火—粗加工—調質—半精加工—粗插齒—去應力退火—精加工—精插齒—離子滲氮。

通常為了維持心部的硬度，減小滲氮后齒圈的畸變，回火溫度要高于滲氮溫度20 ℃以上，這樣才能使工件在長時間滲氮過程中較好地保持原來的基體硬度和減少畸變。42CrMo鋼基體調質預處理工藝為：840～860 ℃淬火，570～580 ℃回火，硬度為300～330 HBW，晶粒度為8級，調質組織為均勻細索氏體組織，見圖2，調質后的常規(guī)力學性能經(jīng)測試如表1所示，基體獲得了較好的強韌性配合，為滲氮后的強化打下了基礎。

圖2 基體材料42CrMo鋼調質后的索氏體組織(a)和晶粒度(b)

表1 基體材料42CrMo鋼調質后的常規(guī)力學性能

3 深層離子滲氮工藝試驗

3.1 三段式離子滲氮工藝試驗

工業(yè)生產(chǎn)上常規(guī)滲氮層深度一般是0.6 mm以下，要進行0.7～1.2 mm的深層滲氮，勢必需大幅度延長處理時間。為使深層滲氮工藝達到實用化，節(jié)約能源和時間，必須保證生產(chǎn)周期不過長，行之有效的措施是提高滲氮溫度，但這又受到基體硬度和滲氮層組織硬度要求的制約。三段式滲氮工藝方法較適合于深層滲氮，既保證中硬基體+深層滲氮的綜合質量，工藝周期方面又保證了經(jīng)濟可承受性。工藝曲線如圖3(a)所示，測得深層滲氮不同階段隨爐試樣的硬度梯度，如圖3(b)所示。

圖3 三段式離子滲氮工藝(a)及不同階段試樣的硬度梯度(b)

齒圈離子滲氮的打弧階段要避免發(fā)生大能量的弧光放電，以免表面被電弧燒傷，采用高電壓、低氣壓離子轟擊清理表面。為了減小畸變，需控制升溫速度，根據(jù)情況設置均溫階段，減少熱應力，合理裝爐支撐，盡量減少重力引起的受力不均勻。

第二段是深層滲氮中氮原子加速擴散并獲得預定層深的關鍵階段。在第一段強滲所奠定的氮濃度梯度基礎上，要促使氮原子進一步向內部擴散，需適當提高工藝溫度，以便提高氮原子的擴散系數(shù)，從而獲得較深且硬度梯度平緩的硬化層。但溫度的升高不能影響基體的硬度，要保證對整個滲氮層的強化水平影響不大，對于大尺寸內齒圈還要考慮溫度對畸變的影響。文獻[5]中推薦滲氮溫度應低于回火溫度且差值應在20 ℃以上，因此，選用比調質回火溫度低20 ℃的550～560 ℃作為擴滲溫度。

圖4是42CrMo鋼隨爐試樣經(jīng)強滲后進行不同時間擴滲試驗的結果，層深與擴滲處理時間的關系以及平均滲速的變化趨勢，它表明了在T2溫度下擴滲，不同保溫時間所達到滲氮深度，擴滲30 h時平均滲速已達到最大值，強滲12 h再擴滲40 h，總滲層深度可達1.0 mm以上，隨后繼續(xù)延長處理時間，滲層厚度的增加已非常緩慢。因此，該階段擴滲時間選40 h左右較為合理。

圖4 滲氮層深及平均滲速與擴滲時間的關系

經(jīng)過較高溫度長時間擴滲后，一定深度范圍內氮濃度有所降低，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。擴滲后的硬度梯度曲線Time②與強滲后的相比，表面至0.3 mm深度范圍內，顯微硬度有不同程度的下降。為此，繼第二段擴滲后，第三段采用與第一段強滲基本相同的工藝進行補滲，以提高滲層硬化效果，補滲后試樣的斷面硬度梯度曲線Time③較擴滲有所回升，如圖3(b)所示。

經(jīng)三段工藝處理后，硬化層硬度梯度分布平緩，見圖3(b)中Time③曲線。金相法總滲層檢測結果見圖5(a)，滲氮層深度達1.05 mm，化合物層厚度達18 μm，擴散層氮化物級別為2級。表面硬度達610～623 HV5，10 kg砝碼加載維氏硬度壓痕法脆性檢測結果見圖5(b)，脆性為Ⅰ級。滲氮層內獲得了較深的殘余壓應力場，最大壓應力幅值為620 MPa，位于次表面，離表面0.4 mm處，殘余應力分布曲線如圖5(c)所示。

圖5 經(jīng)三段式離子滲氮工藝后滲氮層的組織與性能

3.2 滲氮層組織結構的控制

氨氣或氨分解氣介質的離子滲氮表面通常獲得γ′+ε相化合物組織，其中γ′相為面心立方晶格，等軸晶，ε相為密排六方晶格，柱狀晶，由于比容的不同，相邊界產(chǎn)生內應力，嚴重時在服役過程中的外加應力作用下，就可能誘發(fā)顯微裂紋，成為疲勞點蝕或深層剝落的萌生源，因此國外某些齒輪公司的氣體滲氮齒輪要求滲氮后磨去白亮層后使用。對于低合金結構鋼滲氮來說，相比較而言一定厚度的γ′單相化合物層韌性好，其彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度相對較高，相關標準中對于ME級齒輪滲氮化合物構成已有明確規(guī)定[7]。

離子滲氮中γ′單相的形成與原材料化學成分和工藝參數(shù)等多種因素有關[8]，最為有效的手段是控制氣氛中氮的比例，采用低氮的氣氛，氫比例的增加還有利于凈化表面、還原表面氧化膜、提高滲速，而且氫離子的轟擊可使表面發(fā)生脫碳，有利于γ′相的形成，并且氫氣有較高的導熱性，還有利于爐內溫度的均勻，對于42CrMo鋼采用較低的氮分壓還可抑制擴散層中脈網(wǎng)狀組織的形成，圖6為三段滲氮后滲氮層XRD圖譜，表明氮氣比例15%以下時滲氮表面可獲得γ′單相組織。

圖6 三段式離子滲氮后滲氮層的XRD圖譜

為使深層離子可控滲氮工藝在生產(chǎn)中便于靈活應用，本文推薦表面獲得γ′單相組織的氮、氫混合氣供氮比范圍：第一段和第三段是4%～10%N2，第二段為10%～15%N2。

4 臺架試驗及運行考核

為了測試水泵減速器的各項技術指標，對減速器進行了臺架試驗，在試驗臺上行星減速器超速120%(894 r/min)運行48 h后解體檢查，行星齒輪與內齒圈接觸區(qū)沿齒高>50%，沿齒長>70%，達到GB/T 10095—2008《圓柱齒輪 精度制》要求，內齒圈接觸區(qū)狀況如圖7所示。運行噪聲<80 dB，達到技術指標要求。接觸區(qū)檢測和噪聲檢測的結果間接表明內齒圈的熱處理畸變被控制在了允許范圍內，滿足了對制造精度的要求。批量生產(chǎn)50余套減速器的內齒圈在核電站現(xiàn)場經(jīng)多年服役考核，可靠運行，實現(xiàn)了核電水泵減速器國產(chǎn)化替代。

圖7 內齒圈接觸區(qū)(a)和行星輪齒面接觸區(qū)(b)的照片

5 結論

1)42CrMo鋼中硬基體+深層可控離子滲氮成功應用于模數(shù)為12 mm的核電水泵大型內齒圈強化，達到以下技術指標：滲氮表面硬度達610～623 HV5；滲氮后心部硬度為291～330 HV0.1；滲氮層總厚度為1.05 mm；滲氮表面狀況為γ′相化合物層，脆性1級。

2)深層可控離子滲氮的核心是低氮三段工藝處理，滲擴時間比約是1∶3，工藝總時間60～70 h，相比氣體滲氮大大縮短。

3)深層離子滲氮硬化層內形成殘余壓應力場，最大幅值達620 MPa左右，位于離表面約0.4 mm處。

4)減速器經(jīng)超速臺架試驗測試，噪聲和齒面嚙合區(qū)面積達到了技術要求，表明離子滲氮后齒圈的制造精度得以保證。