CN102837165B - 大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法，包括原料配比选择，真空脱气精炼，电渣熔铸，锻造，预先热处理，机械加工，线切割，精铣，后续热处理以及喷丸处理等步骤。本发明的制造方法通过齿轮化学成分的合理选择，采用电渣熔铸技术提高钢水纯净度，优化热处理工艺尤其是渗碳工艺的参数选择，齿轮成品表面硬度达到HRC55～61，芯部硬度达到HRC30～42，抗拉强度保持在1100～1250MPa，冲击功达到110～136J，整体力学性能优异，有效提高使用寿命。

Description

大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法

技术领域

本发明涉及一种齿轮的制造方法，特别是大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法，属于金属材料加工技术领域。

背景技术

装机总功率在1500KW以上的大功率采煤机，其传动件的设计、材料选择和制造工艺都是机械制造行业最高级别的。齿轮是机械设备中关键零件，要求齿轮既有优良的耐磨性，又要具备高的抗接触疲劳和弯曲疲劳性能。齿轮质量的好坏，在很大程度上取决于齿轮材料及其加工方式。现有技术中以电炉钢为原材料进行锻造，然后进行加工前热处理、齿轮加工以及热处理，最后喷丸得到齿轮成品。这样生产的齿轮零件在中小功率采煤机上能基本满足工况需求。但是由于大功率采煤机可靠性要求的提高，对齿轮零件的性能也有更高的要求，原来的生产加工方式无法满足这种要求，主要体现在一下两点：

原材料由于合金成分比较多(特别是提高淬透性合金元素Cr、Ni、W的存在)使得该材料的淬透性很好。在空冷条件下，也能得到M组织，再加上含碳量比较高，在渗碳淬火后的芯部硬度很高，大部分在44HRC以上，韧性指标明显下降，导致齿轮在使用过程中提前失效，最终以开裂、断裂齿而告终。

原制造工艺采用普通的电炉钢，致密度、均匀度、纯净度都不高，非金属夹杂物不可避免地以一定数量、一定分布形式存在着，一般刚材中的偏析和疏松不可避免地存在着，从而导致材料的力学性能的下降。

另外齿轮在齿部成型加工时，用线切割作为最终成型加工。线切割对高淬透性含镍和钨的材料性所产生的危害是巨大的。一方面材料表面产生显微裂纹，另一方面材料将产生抗应力。齿轮在交变载荷的作用下，其表面微观不平，凹凸处和表面缺陷处以及清晰可见的线切割沟痕处极易引起应力集中而产生疲劳裂纹或显微裂纹的扩展，造成零件的疲劳破坏。

在热处理加工方面，由于受传统工艺的影响，表面碳浓度偏高，由此造成金相组织不是太理想，特别是碳化物的级别都在2～3级，有时甚至达到4级。随着碳化物级别的升高，疲劳强度将下降。齿轮失效分析时，常是疲劳裂纹发生在碳化物聚集的晶界上。从碳化物级别与疲劳循环次数间的关系，可以清楚地看到，当碳化物级别超过2级时，疲劳循环周次开始下降，碳化物超过3级甚至4级时，疲劳循环周次开始有明显下降趋势。由于碳化物级别的增大，齿面接触疲劳和弯曲疲劳呈下降趋势，齿面剥落、开裂、断裂明显增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以提高齿轮零件疲劳强度，改善力学性能提高使用寿命的大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是这样的：一种大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将原材料按如下质量百分比组分配料C：0.12～0.15％、Cr：1.35～1.45％、Si：0.20～0.30％、Mn：0.30～0.50％、W：0.85～1.00％、Ni：4.05～4.40％、P：0～0.015％、S：0～0.010％，其余为Fe，对入炉原辅材料的浇注***进行充分干燥、清洁，将选择的原材料进行真空脱气精炼，而后进行电渣熔铸得到钢锭；

步骤二：将钢锭锻造成齿轮坯料，锻造比＞3；

步骤三：对齿轮坯料进行机械粗加工后进行预先热处理工艺，所述预先热处理工艺包括正火工艺和回火工艺，所述正火工艺为将齿轮坯料加热至930～960℃保温4～7小时后空冷，所述回火工艺为将齿轮坯料加热至660～690℃保温4.5～7.5小时后空冷；

步骤四：对预先热处理后齿轮坯料进行机械加工，机械加工包括对齿轮坯料进行粗加工、精加工以及电火花加工；

步骤五：对机械加工后的齿轮坯料进行线切割成型加工并留有一定余量，而后对其精铣加工至技术要求尺寸；

步骤六：对精铣加工后的齿轮进行后续热处理，所述后续热处理为将齿轮加热至910～940℃渗碳保温80～140小时，随炉冷却至850～900℃后出炉空冷，然后进行回火，所述回火为将齿轮加热至650～680℃保温4～7小时后空冷，再进行淬火，所述淬火为将齿轮加热至765～830℃保温180～240分钟后淬火油冷至室温，又经过-70±1℃冷处理2～5小时，最后加热至200～280℃出炉空冷至室温；

步骤七：对齿轮进行强化喷丸处理得到齿轮成品。

为了消除步骤四中机械加工时齿轮坯料内部产生的切削应力，防止坯料变形或开裂，所述步骤五中进行线切割成型加工前，对齿轮坯料进行第一次消应力回火，所述第一次消应力回火是加热至600～650℃保温4～6小时后空冷。

为了消除步骤五中齿轮在线切割加工以及精铣加工时的切削应力，所述步骤六中进行后续热处理前，对齿轮坯料进行第二次消应力回火，所述第二次消应力回火是加热至500～550℃保温4～6小时后空冷。

优选地，所述步骤六中淬火油冷至室温后在4～8小时内进行冷处理。

优选地，所述步骤六中冷处理后将齿轮放在热水中升温至室温。

进一步地为了优化步骤七中喷丸处理的效果，所述步骤七中强化喷丸时喷丸机工作电流设定为18～22A，喷丸时间9～30分钟，覆盖率≥100％。

齿轮的性能是由金相组织决定的，这取决于化学成分、冶炼方式及热处理工艺。本发明中根据各个元素的所起作用确定其质量百分比，其中：

C：钢中主要的强化元素，具有固溶强化或形成碳化物弥散强化。随着含碳量的增加，组织中碳化物的数量增多，尺寸加大，碳化物间距缩小。另外随着含碳量的增加，组织中的碳化物增多，耐磨性提高，浓度提高，但韧性和塑性指标减少。

Si：脱氧剂，固溶强化元素，有利提高基体强度，改善齿轮的耐磨性，硅易在钢中的产生带状组织，从而使钢材横向性能低于纵向性能，使脆性转变温度升高，韧性下降。

Cr：碳化物形成元素，能增加淬透性，有固溶强化作用。铬的增加能有效的增加碳化物的数量，有利于齿轮材料的耐磨性和硬度，及强度的提高。但加入过多对齿轮材料的韧性和塑性有不利的作用。

Mn：脱氧剂，固定碳形成MnS，可以除去FeS形成热脆，增加淬透性，但锰含量过高会增加过热敏感性。

Ni：主要韧化元素，降低相变温度增加淬透性。镍加入量过多导致材料渗碳淬火后残余奥氏体增多，影响表面硬度和耐磨性。

W：强碳化物形成元素，细化晶粒，提高耐磨性及钢的深度和韧性。缺点是过多的钨使得渗碳淬火的表面存在大量的A，使热处理复杂。

S和P：有害元素硫和磷是原料中带入的不可避免的微量杂质。磷是表面活性杂质，在晶界及相界面偏析严重，往往达到平均浓度的数十至上千倍。在钢中多以磷化物的形式存在，对绝大数钢而言，在室温下钢的塑性、韧性急剧下降，使钢材产生冷脆。硫及硫化物的含量增加降低材料的各种韧性指标，钢的断裂韧性随着夹杂物数量或长度的增加而下降。硫化物溶点低，使钢材在热加工过程中晶粒分离，引起材料断裂，形成热脆现象。硫使钢的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀均降低。

本发明在原料冶炼时采用电渣熔铸提高了钢的纯度，降低有害元素硫的含量使得钢锭表面光滑，组织均匀致密，金相组织均匀，为后续制造步骤提供良好的材料基础。

由于如背景技术中所述，线切割成型的齿轮表面易产生显微裂纹，齿轮在交变载荷的作用下，其表面微观不平，凹凸处和表面缺陷处以及清晰可见的线切割沟痕处极易引起应力集中而产生疲劳裂纹或显微裂纹的扩展，造成零件的疲劳破坏。因此本发明的步骤五中，采用线切割成型并留有一定余量然后采用精铣加工完成最终成型，尽可能地减少了零件表面的显微裂纹。

本发明通过各热处理工艺特别是渗碳时工艺参数的选择，有效控制了碳化物等级处于2级以下，避免因碳化物级别的增大导致的齿面接触疲劳和弯曲疲劳性能的下降，以及齿面剥落、开裂、断裂明显增加。

本发明所述的大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法的优点在于，齿轮成品化学成分组成合理，表面硬度达到HRC55～61，芯部硬度达到HRC30～42，抗拉强度保持在1100～1250Mpa，冲击功达到110～136J，整体力学性能优异，有效提高使用寿命。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将原材料按如下质量百分比组分配料C：0.12％、Cr：1.35％、Si：0.20％、Mn：0.30％、W：0.85％、Ni：4.05％、P：0.015％、S：0.010％，其余为Fe，对入炉原辅材料的浇注***进行充分干燥、清洁，将选择的原材料投入初炼炉冶炼后经过真空脱气精炼炉进行真空脱气处理，脱氧脱硫提高钢水纯净度，把通过真空脱气精炼的钢铸造或锻压成电渣熔铸所需要的自耗电极，而后采用电渣熔铸工艺进行熔炼，将自耗电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用，迅速凝固形成钢锭；

步骤二：采用液压机将钢锭锻造成齿轮坯料，锻造比＞3；

步骤三：对齿轮坯料进行机械粗加工后进行预先热处理，包括正火和回火处理。先进行正火处理，将齿轮坯料加热至930℃保温4小时后空冷，然后进行回火处理，将齿轮坯料加热至660℃保温4.5小时后空冷；

步骤四：对预先热处理后齿轮坯料进行机械加工，包括粗加工、精加工以及电火花加工；

步骤五：对机械加工后的齿轮坯料使用电火花线切割机进行线切割成型加工并留有一定余量，而后经过数控铣床进行精铣加工至技术要求尺寸；

步骤六：对精铣加工后的齿轮进行后续热处理，即将齿轮加热至910℃渗碳保温80小时，随炉冷却至850℃后出炉空冷，然后进行回火，将齿轮加热至650℃保温4小时后空冷，再进行淬火，将齿轮加热至765℃保温180分钟后淬火油冷至室温，并在4小时内经过-70±1℃冷处理2小时，冷处理后将齿轮放在热水中升温至室温，最后加热至200℃回火出炉空冷至室温；

步骤七：选用HRC42～48的CrMo铸钢钢丸对齿轮进行强化喷丸处理得到齿轮成品，强化喷丸时喷丸机工作电流设定为18A，喷丸时间9分钟，覆盖率≥100％。

本实施例得到的齿轮成品金相组织及力学性能见表1、表2

表1：实施例1金相组织

表2实施例1力学性能

实施例2：

大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将原材料按如下质量百分比组分配料C：0.15％、Cr：1.37％、Si：0.23％、Mn：0.36％、W：0.92％、Ni：4.23％、P：0.014％、S：0.006％，其余为Fe，对入炉原辅材料的浇注***进行充分干燥、清洁，将选择的原材料投入初炼炉冶炼后经过真空脱气精炼炉进行真空脱气处理，脱氧脱硫提高钢水纯净度，把通过真空脱气精炼的钢铸造或锻压成电渣熔铸所需要的自耗电极，而后采用电渣熔铸工艺进行熔炼，将自耗电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用，迅速凝固形成钢锭；

步骤二：采用液压机将钢锭锻造成齿轮坯料，锻造比＞3；

步骤三：对齿轮坯料进行机械粗加工后进行预先热处理，包括正火和回火处理。先进行正火处理，将齿轮坯料加热至940℃保温6.5小时后空冷，然后进行回火处理，将齿轮坯料加热至665℃保温7小时后空冷；

步骤四：对预先热处理后齿轮坯料进行机械加工，包括粗加工、精加工以及电火花加工，然后对齿轮坯料进行第一次消应力回火，将坯料加热至600℃保温4小时后空冷；

步骤五：对机械加工后的齿轮坯料使用电火花线切割机进行线切割成型加工并留有一定余量，而后经过数控铣床进行精铣加工至技术要求尺寸，然后对齿轮坯料进行第二次消应力回火，将坯料加热至500℃保温4小时后空冷；

步骤六：对精铣加工后的齿轮进行后续热处理，即将齿轮加热至915℃渗碳保温128小时，随炉冷却至850℃后出炉空冷，然后进行回火，将齿轮加热至650℃保温6.5小时后空冷，再进行淬火，将齿轮加热至770℃保温220分钟后淬火油冷至室温，并在5.5小时内经过-70±1℃冷处理2小时，最后加热至200℃回火出炉空冷至室温；

步骤七：选用HRC42～48的CrMo铸钢钢丸对齿轮进行强化喷丸处理得到齿轮成品，强化喷丸时喷丸机工作电流设定为21A，喷丸时间10分钟，覆盖率≥100％。

本实施例得到的齿轮成品金相组织及力学性能见表3、表4

表：3：实施例5金相组织

表：4：实施例5力学性能

实施例3：

大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将原材料按如下质量百分比组分配料C：0.13％、Cr：1.41％、Si：0.29％、Mn：0.38％、W：0.98％、Ni：4.13％、P：0.012％、S：0.009％，其余为Fe，对入炉原辅材料的浇注***进行充分干燥、清洁，将选择的原材料投入初炼炉冶炼后经过真空脱气精炼炉进行真空脱气处理，脱氧脱硫提高钢水纯净度，把通过真空脱气精炼的钢铸造或锻压成电渣熔铸所需要的自耗电极，而后采用电渣熔铸工艺进行熔炼，将自耗电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用，迅速凝固形成钢锭；

步骤二：采用液压机将钢锭锻造成齿轮坯料，锻造比＞3；

步骤三：对齿轮坯料进行机械粗加工后进行预先热处理，包括正火和回火处理。先进行正火处理，将齿轮坯料加热至955℃保温4.5小时后空冷，然后进行回火处理，将齿轮坯料加热至675℃保温5.5小时后空冷；

步骤四：对预先热处理后齿轮坯料进行机械加工，包括粗加工、精加工以及电火花加工，然后对齿轮坯料进行第一次消应力回火，将坯料加热至650℃保温5.5小时后空冷；

步骤五：对机械加工后的齿轮坯料使用电火花线切割机进行线切割成型加工并留有一定余量，而后经过数控铣床进行精铣加工至技术要求尺寸，然后对齿轮坯料进行第二次消应力回火，将坯料加热至520℃保温6小时后空冷；

步骤六：对精铣加工后的齿轮进行后续热处理，即将齿轮加热至935℃渗碳保温105小时，随炉冷却至895℃后出炉空冷，然后进行回火，将齿轮加热至670℃保温4.5小时后空冷，再进行淬火，将齿轮加热至810℃保温190分钟后淬火油冷至室温，并在8小时内经过-70±1℃冷处理4小时，冷处理后将齿轮放在热水中升温至室温，最后加热至250℃回火出炉空冷至室温；

步骤七：选用HRC42～48的CrMo铸钢钢丸对齿轮进行强化喷丸处理得到齿轮成品，强化喷丸时喷丸机工作电流设定为18A，喷丸时间22分钟，覆盖率≥100％。

本实施例得到的齿轮成品金相组织及力学性能见表5、表6

表5：实施例3金相组织

表6：实施例3力学性能

实施例4：

大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将原材料按如下质量百分比组分配料C：0.14％、Cr：1.44％、Si：0.30％、Mn：0.45％、W：0.96％、Ni：4.40％、P：0.003％、S：0.002％，其余为Fe，对入炉原辅材料的浇注***进行充分干燥、清洁，将选择的原材料投入初炼炉冶炼后经过真空脱气精炼炉进行真空脱气处理，脱氧脱硫提高钢水纯净度，把通过真空脱气精炼的钢铸造或锻压成电渣熔铸所需要的自耗电极，而后采用电渣熔铸工艺进行熔炼，将自耗电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用，迅速凝固形成钢锭；

步骤二：采用液压机将钢锭锻造成齿轮坯料，锻造比＞3；

步骤三：对齿轮坯料进行机械粗加工后进行预先热处理，包括正火和回火处理。先进行正火处理，将齿轮坯料加热至955℃保温6小时后空冷，然后进行回火处理，将齿轮坯料加热至690℃保温7.5小时后空冷；

步骤四：对预先热处理后齿轮坯料进行机械加工，包括粗加工、精加工以及电火花加工，然后对齿轮坯料进行第一次消应力回火，将坯料加热至630℃保温6小时后空冷；

步骤五：对机械加工后的齿轮坯料使用电火花线切割机进行线切割成型加工并留有一定余量，而后经过数控铣床进行精铣加工至技术要求尺寸，然后对齿轮坯料进行第二次消应力回火，将坯料加热至550℃保温4.5小时后空冷；

步骤六：对精铣加工后的齿轮进行后续热处理，即将齿轮加热至920℃渗碳保温140小时，随炉冷却至900℃后出炉空冷，然后进行回火，将齿轮加热至680℃保温7小时后空冷，再进行淬火，将齿轮加热至820℃保温240分钟后淬火油冷至室温，并在6.5小时内经过-70±1℃冷处理4.5小时，冷处理后将齿轮放在热水中升温至室温，最后加热至260℃回火出炉空冷至室温；

步骤七：选用HRC42～48的CrMo铸钢钢丸对齿轮进行强化喷丸处理得到齿轮成品，强化喷丸时喷丸机工作电流设定为20A，喷丸时间20分钟，覆盖率≥100％。

本实施例得到的齿轮成品金相组织及力学性能见表7、表8

表：7：实施例4金相组织

表8：实施例4力学性能

实施例5

大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将原材料按如下质量百分比组分配料C：0.15％、Cr：1.45％、Si：0.25％、Mn：0.50％、W：1.00％、Ni：4.31％、P：0.004％、S：0.005％，其余为Fe，对入炉原辅材料的浇注***进行充分干燥、清洁，将选择的原材料投入初炼炉冶炼后经过真空脱气精炼炉进行真空脱气处理，脱氧脱硫提高钢水纯净度，把通过真空脱气精炼的钢铸造或锻压成电渣熔铸所需要的自耗电极，而后采用电渣熔铸工艺进行熔炼，将自耗电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用，迅速凝固形成钢锭；

步骤二：采用液压机将钢锭锻造成齿轮坯料，锻造比＞3；

步骤三：对齿轮坯料进行机械粗加工后进行预先热处理，包括正火和回火处理。先进行正火处理，将齿轮坯料加热至960℃保温7小时后空冷，然后进行回火处理，将齿轮坯料加热至680℃保温6.5小时后空冷；

步骤四：对预先热处理后齿轮坯料进行机械加工，包括粗加工、精加工以及电火花加工；

步骤五：对机械加工后的齿轮坯料使用电火花线切割机进行线切割成型加工并留有一定余量，而后经过数控铣床进行精铣加工至技术要求尺寸；

步骤六：对精铣加工后的齿轮进行后续热处理，即将齿轮加热至940℃渗碳保温128小时，随炉冷却至870℃后出炉空冷，然后进行回火，将齿轮加热至680℃保温7小时后空冷，再进行淬火，将齿轮加热至830℃保温240分钟后淬火油冷至室温，并在7小时内经过-70±1℃冷处理5小时，最后加热至280℃回火出炉空冷至室温；

步骤七：选用HRC42～48的CrMo铸钢钢丸对齿轮进行强化喷丸处理得到齿轮成品，强化喷丸时喷丸机工作电流设定为22A，喷丸时间30分钟，覆盖率≥100％。

本实施例得到的齿轮成品金相组织及力学性能见表9、表10

表9：实施例5金相组织

表10：实施例5力学性能

Claims (4)

1.一种大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：将原材料按如下质量百分比组分配料C：0.12～0.15％、Cr：1.35～1.45％、Si：0.20～0.30％、Mn：0.30～0.50％、W：0.85～1.00％、Ni：4.05～4.40％、P：0～0.015％、S：0～0.010％，其余为Fe，对入炉原辅材料的浇注***进行充分干燥、清洁，将选择的原材料进行真空脱气精炼，而后进行电渣熔铸得到钢锭；

步骤二：将钢锭锻造成齿轮坯料，锻造比＞3；

步骤三：对齿轮坯料进行机械粗加工后进行预先热处理工艺，所述预先热处理工艺包括正火工艺和回火工艺，所述正火工艺为将齿轮坯料加热至930～960℃保温4～7小时后空冷，所述回火工艺为将齿轮坯料加热至660～690℃保温4.5～7.5小时后空冷；

步骤四：对预先热处理后齿轮坯料进行机械加工；

步骤五：对机械加工后的齿轮坯料进行线切割成型加工并留有一定余量，而后对其精铣加工至技术要求尺寸，进行线切割成型加工前，对齿轮坯料进行第一次消应力回火，所述第一次消应力回火是加热至600～650℃保温4～6小时后空冷；

步骤六：对精铣加工后的齿轮进行后续热处理，所述后续热处理为将齿轮加热至910～940℃渗碳保温80～140小时，随炉冷却至850～900℃后出炉空冷，然后进行回火，所述回火为将齿轮加热至650～680℃保温4～7小时后空冷，再进行淬火，所述淬火为将齿轮加热至765～830℃保温180～240分钟后淬火油冷至室温，又经过-70±1℃冷处理2～5小时，最后加热至200～280℃回火出炉空冷至室温，进行后续热处理前，对齿轮坯料进行第二次消应力回火，所述第二次消应力回火是加热至500～550℃保温4～6小时后空冷；

步骤七：对齿轮进行强化喷丸处理得到齿轮成品。

2.根据权利要求1所述的大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法，其特征在于：所述步骤六中淬火油冷至室温后在4～8小时内进行冷处理。

3.根据权利要求1所述的大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法，其特征在于：所述步骤六中冷处理后将齿轮放在热水中升温至室温。

4.根据权利要求1所述的大功率采煤机末级传动齿轮的制造方法，其特征在于：所述步骤七中强化喷丸时喷丸机工作电流设定为18～22A，喷丸时间9～30分钟，覆盖率≥100％。