CN101984139A - 一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法，包括：将待处理的风电齿轮在碳势为0.8％～1.1％的气氛下进行第一次渗碳处理，然后进行第一次淬火处理，再升温至600℃～660℃进行第一次回火处理；然后在碳势为0.8％～1.0％的气氛下进行第二次渗碳处理，第二次渗碳处理后，进行第二次淬火处理；再将所述第二次淬火处理后的风电齿轮在150℃～200℃进行第二次回火处理。与现有技术相比，本发明先对风电齿轮在0.8％～1.1％的气氛下渗碳30～40小时，然后经第一次高温回火后，马氏体中过饱和的碳会均匀溶解并扩散，有利于下一步的处理；第一次高温回火处理后，本发明再对风电齿轮在碳势为0.8％～1.0％的气氛下渗碳1小时～4小时，第二次渗碳处理时，可进一步增加风电齿轮表面的碳浓度，从而提高其表面强度。

Description

一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法

技术领域

本发明涉及金属热处理领域，具体涉及一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法。

背景技术

在传统能源日益枯竭的情况下，风能作为一种可再生、无污染、能量大、前景广的清洁能源越来越受到世界各国的重视，而利用风能进行发电是风能利用的一种重要途径。目前，大力发展风力发电技术已经成为世界各国的战略选择。

风力发电的基本原理是将风的动能转变为机械能，再把机械能转化为电能。风力发电所使用的装置称为风力发电机组。通常，风力发电机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等风口处，长时间经受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，而且还需要经受酷暑严寒和极端温差的影响。此外，由于风力发电机组所处的自然环境交通不便，维修困难，故对风力发电机组的零部件的可靠性和使用寿命都提出了比一般机械零件高的多的要求。在风力发电机组中，风电齿轮是重要的核心部件，其使用寿命直接决定着整个风力发电机组的寿命。在制备风电齿轮的过程中，需要对其进行热处理以提高其力学性能。

目前，典型的用于制备风电齿轮的材料是美国牌号为4320H钢，相当于国内的G20CrNi2Mo，其主要成分以重量百分计包括：0.17％～0.23％的C、0.15％～0.35％的Si、0.40％～0.70％的Mn、0.35％～0.65％的Cr、0.20％～0.30％的Mo、1.55％～2.00％的Ni、≤0.025％的P、≤0.015％的S，余量Fe。该材料经过渗碳处理后，表面具有很高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，而且心部还能保持良好的韧性，能承受高的冲击负荷。

现有技术中，对风电齿轮进行渗碳处理时，通常采用传统的井式炉深层渗碳方法，即将风电齿轮埋放在井式炉中，然后加热至渗碳温度后，在碳势气氛下完成渗碳处理。相对于密封箱式炉，采用井式炉渗碳的缺点包括，渗碳气氛的均匀性和温场的均匀性上要差一些，而这其中最重要的缺点是，因为井式炉的加热室和淬火油槽是分开的，不是一个整体，因而在转移淬火过程中会使高温的风电齿***露于空气中，这样极易在风电齿轮的表面产生氧化层，使得内氧化程度大大加深，从而直接影响了风电齿轮的性能。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法，该渗碳方法可以有效控制风电齿轮表面的微裂纹、内氧化。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法，包括：

将待处理的风电齿轮在碳势为0.8％～1.1％的气氛下进行第一次渗碳处理，第一次渗碳处理时间为30小时～40小时；

将所述第一次渗碳处理后的风电齿轮进行第一次淬火处理；

将所述第一次淬火处理后的风电齿轮升温至600℃～660℃进行第一次回火处理；

将所述第一次回火处理后的风电齿轮升温在碳势为0.8％～1.0％的气氛下进行第二次渗碳处理，第二次渗碳处理时间为1小时～4小时；

将所述第二次渗碳处理后的风电齿轮进行第二次淬火处理；

将所述第二次淬火处理后的风电齿轮在150℃～200℃进行第二次回火处理。

优选的，在将所述风电齿轮进行第一次渗碳处理之前还包括步骤：

将所述待处理的风电齿轮在含氧气氛下升温至420℃～470℃进行预氧化处理。

优选的，所述预氧化处理时的保温时间为2～3小时。

优选的，所述第一次淬火处理具体为：

将所述第一次渗碳处理后的风电齿轮冷却至800℃～900℃进行第一次淬火处理。

优选的，将所述第一次渗碳处理后的风电齿轮在碳势为0.75％～0.9％的气氛下冷却至800℃～900℃进行第一次淬火处理。

优选的，所述第一次回火处理时的保温时间为4～6小时。

优选的，所述第二次淬火处理具体为：

将所述第二次渗碳处理后的风电齿轮在碳势为0.85％～0.95％的气氛下冷却至800℃～900℃进行第二次淬火处理。

优选的，所述第二次回火处理时的保温时间为3～4小时。

优选的，所述第一次渗碳处理包括：

a)将风电齿轮在碳势为1.0％～1.2％的气氛下、温度为900℃～970℃的条件下渗碳20小时～24小时；

b)将步骤a)处理后的风电齿轮在碳势为0.9％～1.1％的气氛下、温度为900℃～970℃的条件下渗碳5小时～6小时；

c)将步骤c)处理后的风电齿轮在碳势为0.7％～0.9％的气氛下、温度为900℃～970℃的条件下渗碳7小时～9小时。

优选的，所述渗碳方法中的渗碳过程是在可控气氛箱式渗碳炉中进行的。

本发明提供了一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法。与现有技术相比，本发明先对风电齿轮在0.8％～1.1％的气氛下渗碳30～40小时，然后经第一次高温回火后，马氏体中过饱和的碳会均匀溶解并扩散，有利于下一步的处理；第一次高温回火处理后，本发明再对风电齿轮在碳势为0.8％～1.0％的气氛下渗碳1小时～4小时，第二次渗碳处理时，可进一步增加风电齿轮表面的碳浓度，从而提高其表面强度

在一种优选的实施方式中，本发明对风电齿轮进行渗碳之前对其进行预氧化处理，预氧化处理后，不但可以去除材料表面机加工过程中留下的油污，使材料表面更加清洁，从而有利于渗碳的进行；而且，经过预氧化处理后，可以在材料表面形成一层预氧化膜，提高了风电齿轮工件表面碳原子的亲和力，这样在渗碳时，碳原子不容易积聚形成碳黑，有利于得到均匀的渗碳层，而且加快了渗碳速度。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明提供的一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法的实施方式，包括：

将待处理的风电齿轮在碳势为0.8％～1.1％的气氛下进行第一次渗碳处理，第一次渗碳处理时间为30小时～40小时；

将所述第一次渗碳处理后的风电齿轮进行第一次淬火处理；

将所述第一次淬火处理后的风电齿轮升温至600℃～660℃进行第一次回火处理；

将所述第一次回火处理后的风电齿轮升温在碳势为0.8％～1.0％的气氛下进行第二次渗碳处理，第二次渗碳处理时间为1小时～4小时；

将所述第二次渗碳处理后的风电齿轮进行第二次淬火处理；

将所述第二次淬火处理后的风电齿轮在150℃～200℃进行第二次回火处理。

本发明所述的风电齿轮是指本领域技术人员熟知的用于风力发电的风电齿轮箱中的风电齿轮，风电齿轮材质优选为美国牌号为4320H型钢或国内的G20CrNi2Mo，典型成分以重量百分比计包括：0.17％～0.23％的C、0.15％～0.35％的Si、0.40％～0.70％的Mn、0.35％～0.65％的Cr、0.20％～0.30％的Mo、1.55％～2.00％的Ni、≤0.025％的P、≤0.015％的S，余量Fe。本发明中的风电齿轮的材质并不限于此，也可以为其它材质的风电齿轮。所述待处理的风电齿轮是机加工后的风电齿轮经过常规热处理后的风电齿轮，机加工后的风电齿轮的常规热处理方法可以根据材质的不同的常规热处理手册上查询，属于本领域技术人员的公知常识。

按照本发明，对风电齿轮进行渗碳处理前，优选对其进行预氧化处理，预氧化处理后，不但可以去除材料表面机加工过程中留下的油污，使材料表面更加清洁，从而有利于渗碳的进行；而且，经过预氧化处理后，可以在材料表面形成一层预氧化膜，提高了风电齿轮工件表面碳原子的亲和力，这样在渗碳时，碳原子不容易积聚形成碳黑，有利于得到均匀的渗碳层，而且加快了渗碳速度。

预氧化优选采用如下工艺，即将风电齿轮在含氧气氛下升温至420℃～470℃进行预氧化处理，预氧化处理时的保温时间优选为1～3小时，更优选为2～3小时，所述含氧气氛优选在空气气氛下进行。经过预氧化处理后，提高了工件的整体温度，这样也节约了后续的在渗碳炉中的加热时间，提高了加工效率，有利于节能生产。

经过预氧化处理后，将风电齿轮在碳势为0.8％～1.1％的气氛下进行第一次渗碳处理，第一次渗碳处理优选采用如下工序：

a)将风电齿轮在碳势为1.0％～1.2％的气氛下、温度为900℃～970℃的条件下渗碳20小时～24小时；

b)将步骤a)处理后的风电齿轮在碳势为0.9％～1.1％的气氛下、温度为900℃～970℃的条件下渗碳5小时～6小时；

c)将步骤c)处理后的风电齿轮在0.7％～0.9％的气氛下、温度为900℃～970℃的条件下渗碳7小时～9小时。

第一次渗碳处理时的步骤a)中，碳势最优选为1.1％，步骤b)中的碳势最优选为1％，步骤c)中的碳势最优选为0.8％。在第一次渗碳处理工序中，步骤a)为强渗工序，该步骤中的碳势最高，此时可以使碳原子充分的扩散到工件表面，增加渗碳层的深度；步骤b)和步骤c)的碳势逐渐降低，这样可以增加最表面的碳化物的浓度，从而提高其表面硬度，提高耐磨性。

按照本发明，第一次渗碳处理后，将风电齿轮进行第一次淬火处理，淬火处理工艺优选为，将第一次渗碳处理后的风电齿轮冷却至800℃～900℃进行淬火处理，优选的，第一次淬火处理的温度为840℃～860℃，冷却至第一次淬火处理时的温度时优选在碳势为0.75％～0.9％的气氛下进行冷却，更优选在碳势为0.8％的气氛下进行冷却，淬火介质优选为油淬。

第一次淬火处理后，将风电齿轮清洗后进回火炉优选在620℃～650℃保温4～10小时，优选在630℃～645℃保温5小时～8小时进行第一次回火处理。

第一次回火处理后，优选将风电齿轮在碳势为0.8％～1.0％的气氛下进行第二次渗碳处理，第二次渗碳处理时候的碳势最优选为0.9％，时间优选为1小时～4小时，更优选为2小时～3小时。

第二次渗碳处理后，优选将风电齿轮进行第二次淬火处理，第二次淬火处理工艺可以与第一次淬火处理时的工艺相同。

第二次淬火处理后，优选将风电齿轮在150℃～200℃，保温2小时～5小时进行第二次回火处理，第二次回火处理时的温度优选为160℃～190℃，保温时间优选为3小时～4小时；第二次回火处理时的温度更优选为170℃～180℃。第二次回火处理后，可以按照与第二次回火处理同样的条件进行第三次回火处理。

在上述渗碳处理工艺中，所述渗碳处理工序优选在可控气氛箱式渗碳炉中进行。对于碳源气氛，本发明并无特别限制，可以使用本领域技术人员熟知的丙烷、甲醇等等，只要能够满足本发明中的碳势的要求即可，碳源气氛的使用也属于本领域技术人员公知的常识。

本发明提供了一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法。与现有技术相比，本发明先对风电齿轮在0.8％～1.1％的气氛下渗碳30～40小时，然后经第一次高温回火后，渗入的过饱和的碳有利于均匀溶解并扩散在风电齿轮的表面，形成碳化物；第一次高温回火处理后，本发明再对风电齿轮在碳势为0.8％～1.0％的气氛下渗碳1小时～4小时，第二次渗碳处理时，可进一步增加风电齿轮表面的碳化物浓度，从而提高其表面强度。

以下以具体实施例说明本发明的效果，但是本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

以下实施例和比较例中的试验件和工件材质为G20CrNi2Mo，成分以重量百分计包括：0.18％的C、0.27％的Si、0.48％的Mn、0.52％的Cr、0.26％的Mo、1.68％的Ni、≤0.025％的P、≤0.015％的S，余量Fe。

以下实施例和比较例所用的可控气氛箱式渗碳炉为江苏丰东热技术股份公司提供的BBH型气体渗碳淬火炉，所用的井式渗碳炉为江苏丰东热技术股份有限公司提供的FPQ井式渗碳炉，所用的回火炉为江苏丰东热技术股份公司提供的BTF回火炉。

实施例1

试验件为直径160mm×长度100mm的圆柱，机加工后，常规热处理：第一次淬火880℃×2小时，油冷；第二次淬火800℃，油冷；回火180℃×1小时，空冷。

将常规热处理后的试验件在可控气氛渗碳炉中升温至430℃、空气气氛下、保温2.5小时进行预氧化处理；

将预氧化处理后的试验件进行第一次渗碳处理，包括：

a)在碳势为1.1％的气氛下、温度为920℃下渗碳22小时；

b)保持温度不变，碳势降为1％，渗碳5小时；

c)保持温度不变，碳势降为0.8％，渗碳8小时；

第一次渗碳处理后，碳势保持为0.8％，降温至850℃保温2小时，进入淬火油进行第一次淬火处理；

第一次淬火处理之后，清洗试验件，然后将试验件送入回火炉中升温至630℃，保温5小时第一次回火处理，空冷；

第一次回火处理后，将试验件在置于渗碳炉中，碳势为0.9％，保温2小时进行第二次渗碳处理；

第二次渗碳处理后，碳势保持为0.9％，降温至850℃保温2小时，进入淬火油进行第二次淬火处理；

第二次淬火处理后，清洗试验件，然后将试验件送入回火炉中升温至150℃，保温3小时第二次回火处理，空冷；

第二次回火处理后，按照与第二次回火处理同样的条件进行第三次回火处理。

实施例2-实施例5

主要改变了预氧化条件和渗碳条件，其它条件与实施例1相同，渗碳工艺参数如表1所示：

表1  实施例2-实施例5渗碳工艺参数

实施例6

本实施例中，未对工件进行预氧化处理，其它工艺与实施例1相同。

实施例7

本实施例中，与实施例1相比，改变了第一次渗碳处理的参数，其它工序工艺参数与实施例1相同，其中第一次渗碳处理时碳势均为1.1％，渗碳温度为920℃，渗碳时间为33小时。

实施例8

本实施例中，与实施例1相比，省略了第二次渗碳处理和第二次淬火处理工艺，其它工艺参数与实施例1相同，即第一次回火处理后，直接进行第二次回火处理和第三次回火处理。

比较例1

试验件为直径160mm×长度100mm的圆柱，机加工后，常规热处理：第一次淬火880℃×2小时，油冷；第二次淬火800℃，油冷；回火180℃×1小时，空冷。

将常规热处理后的试验件在井式炉中进行渗碳处理，碳势为1.1％，渗碳时间为45小时，渗碳温度为920℃；

渗碳后，碳势保持为0.8％，降温至850℃保温2小时，进入淬火油进行第一次淬火处理。

第一次回火处理工艺与实施例1相同。

第一次回火处理之后，按照与实施例1相同的工艺直接进行第二次回火处理和第三次回火处理。

对实施例1-8和比较例1取样进行测试，具体测试结果请参见表2。

表2  本发明实施例和比较例试验件性能测试结果

表2的结果表明，经过预氧化处理后，得到的试验件表面的硬度高于未经预氧化处理的工件的表面硬度。另外，采用井式炉渗碳处理后的工件的表面硬度要低于在可控气氛渗碳炉中的工件的表面硬度，且表面碳化物级别较高，易形成微裂纹。(表面碳化物级别需符合GB/T 3480-5《齿轮强度和材料质量》渗碳齿轮最高级别ME的要求)

实施例10

机加工得到风电齿轮后，按照与实施例1同样的工艺进行常规热处理、预氧化处理和渗碳处理。

测量风电齿轮表面硬度为62.0HRC，无损检测结果表明内部最大微裂纹长度为0.15μm。

实施例11

机加工得到风电齿轮后，按照与实施例6同样的工艺进行常规热处理和渗碳处理。

测量风电齿轮表面硬度为60.5HRC，无损检测结果表明内部最大微裂纹长度为0.24μm。

比较例2

机加工得到风电齿轮后，按照与比较例1同样的工艺进行常规热处理和渗碳处理。

测量风电齿轮表面硬度为61.0HRC，无损检测结果表明内部最大微裂纹长度为1.2μm。

以上对本发明所提供的用于风电发电的风电齿轮渗碳方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法，包括：

将待处理的风电齿轮在碳势为0.8％～1.1％的气氛下进行第一次渗碳处理，第一次渗碳处理时间为30小时～40小时；

将所述第一次渗碳处理后的风电齿轮进行第一次淬火处理；

将所述第一次淬火处理后的风电齿轮升温至600℃～660℃进行第一次回火处理；

将所述第一次回火处理后的风电齿轮升温在碳势为0.8％～1.0％的气氛下进行第二次渗碳处理，第二次渗碳处理时间为1小时～4小时；

将所述第二次渗碳处理后的风电齿轮进行第二次淬火处理；

将所述第二次淬火处理后的风电齿轮在150℃～200℃进行第二次回火处理。

2.根据权利要求1所述的渗碳方法，其特征在于，在将所述风电齿轮进行第一次渗碳处理之前还包括步骤：

将所述待处理的风电齿轮在含氧气氛下升温至420℃～470℃进行预氧化处理。

3.根据权利要求2所述的渗碳方法，其特征在于，所述预氧化处理时的保温时间为2～3小时。

4.根据权利要求2所述的渗碳方法，其特征在于，所述第一次淬火处理具体为：

将所述第一次渗碳处理后的风电齿轮冷却至800℃～900℃进行第一次淬火处理。

5.根据权利要求4所述的渗碳方法，其特征在于，将所述第一次渗碳处理后的风电齿轮在碳势为0.75％～0.9％的气氛保护下冷却至800℃～900℃进行第一次淬火处理。

6.根据权利要求5所述的渗碳方法，其特征在于，所述第一次回火处理时的保温时间为4～6小时。

7.根据权利要求6所述的渗碳方法，其特征在于，所述第二次淬火处理具体为：

将所述第二次渗碳处理后的风电齿轮在碳势为0.85％～0.95％的气氛保护下冷却至800℃～900℃进行第二次淬火处理。

8.根据权利要求7所述的渗碳方法，其特征在于，所述第二次回火处理时的保温时间为3～4小时。

9.根据权利要求1至8任一项所述的渗碳方法，其特征在于，所述第一次渗碳处理包括：

a)将风电齿轮在碳势为1.0％～1.2％的气氛下、温度为900℃～970℃的条件下渗碳20小时～24小时；

b)将步骤a)处理后的风电齿轮在碳势为0.9％～1.1％的气氛下、温度为900℃～970℃的条件下渗碳5小时～6小时；

c)将步骤c)处理后的风电齿轮在0.7％～0.9％的气氛下、温度为900℃～970℃条件下渗碳7小时～9小时。

10.根据权利要求9所述的渗碳方法，其特征在于，所述渗碳方法中的渗碳过程是在可控气氛箱式渗碳炉中进行的。