Study on the effect of nitrogen ion implantation process on the bending fatigue strength of carburized and quenched gear

ZHANG Wei; JIA Huapo; GUAN Rongxin; WANG Xiaopeng; MA Chengtian; XU Yaowei

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.08.011

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Study on the effect of nitrogen ion implantation process on the bending fatigue strength of carburized and quenched gear

·Experimental Research·Testing Technology· | 更新时间：2025-08-18

- Study on the effect of nitrogen ion implantation process on the bending fatigue strength of carburized and quenched gear
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 8, Pages: 91-100(2025)
- 作者机构：
  
  1.郑州科技学院机械工程学院，郑州 450064
  2.中国机械总院集团郑州机械研究所有限公司国家齿轮产品质量检验检测中心，郑州 450001
  3.郑州航空工业管理学院机械工程学院，郑州 450015
- 作者简介：
  
  GUAN Rongxin, E-mail: guanrongxin@163.com
- 基金信息：
  
  Key R&D and Promotion Projects of Henan Province(252102220076);Key Research Projects of Henan Higher Education Institutions(23A460024;23A460004)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.08.011
  CLC： C55;TH114
- Received：09 May 2025，
  
  Published：15 August 2025
- 稿件说明：
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张伟，贾华坡，关荣鑫，等. 离子注入氮工艺对渗碳淬火齿轮弯曲疲劳强度的影响研究［J］. 机械强度，2025，47（8）：91-100.

ZHANG Wei，JIA Huapo，GUAN Rongxin，et al. Study on the effect of nitrogen ion implantation process on the bending fatigue strength of carburized and quenched gear［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（8）：91-100.
张伟，贾华坡，关荣鑫，等. 离子注入氮工艺对渗碳淬火齿轮弯曲疲劳强度的影响研究［J］. 机械强度，2025，47（8）：91-100. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.08.011.

ZHANG Wei，JIA Huapo，GUAN Rongxin，et al. Study on the effect of nitrogen ion implantation process on the bending fatigue strength of carburized and quenched gear［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（8）：91-100. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.08.011.

摘要

为了优化齿轮表面改性工艺，研究了离子注入氮工艺对渗碳淬火齿轮弯曲疲劳强度的影响。以低碳合金钢18CrNiMo7-6渗碳淬火齿轮为基体，通过射频等离子体辅助离子注入系统进行氮离子注入处理，系统对比了离子注入齿轮与未注入齿轮的齿根金相组织、硬度梯度、残余应力分布及弯曲疲劳性能。结果表明，离子注入氮工艺使得齿根硬度由695 HV0.1提升至780 HV0.1，增幅12.2%；硬化层深度由1.50 mm减少到1.41 mm，降低了6.0%；表面残余应力由-400 MPa减小到-286 MPa，降低了28.5%。基于弯曲疲劳试验拟合的

R-S-N

方程，在99%可靠度下，离子注入齿轮的疲劳寿命仅为对照齿轮的12.3%~19.3%，且失效模式以脆性断裂为主，裂纹扩展速率加快。研究表明，离子注入氮虽可通过表面强化延缓裂纹萌生，但过浅的硬化层与残余应力降低导致裂纹扩展抗力不足，最终削弱齿轮弯曲疲劳寿命。

Abstract

Aiming at optimizing the gear surface modification process

the influence of ion nitrogen implantation on the bending fatigue strength of carburized and quenched gears was studied.Using low-carbon alloy steel 18CrNiMo7-6 carburized and quenched gears as the matrix

nitrogen ion implantation treatment was carried out through a radio-frequency plasma-assisted ion implantation system. The root metallography

hardness gradient

residual stress distribution

and bending fatigue properties of ion-implanted gears and unimplanted gears were systematically compared. The results show that the ion nitrogen implantation process increases the root hardness from 695 HV0.1 to 780 HV0.1

an increase of 12.2%; the hardened layer depth decreases from 1.50 mm to 1.41 mm

a reduction of 6.0%; and the surface residual stress decreases from -400 MPa to -286 MPa

a reduction of 28.5%. Based on the R-S-N equation fitted by bending fatigue tests

under 99% reliability

the fatigue life of ion-implanted gears is only 12.3%-19.3% of that of the control gears

with the failure mode dominated by brittle fracture and accelerated crack propagation rate. The study indicates that although ion nitrogen implantation can delay crack initiation through surface strengthening

the excessively shallow hardened layer and reduced residual stress lead to insufficient crack propagation resistance

ultimately weakening the bending fatigue life of gears.

关键词

Keywords

references

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