CN104388950A - 大直径高碳钢齿轮、齿套加工工艺 - Google Patents

Abstract

大直径高碳钢齿轮、齿套加工工艺其按照以下工艺路线：第一步、下料；第二步、锻坯组分均匀化处理；第三步、机加工；第四步、渗碳；第五步、压床淬火；第六步、回火；第七步、车内孔；第八步、齿轮配对；第九步、抛丸；第十步、磷化；第十一步、入库。本发明优点：通过控制高碳钢在奥氏体化的组织状态、奥氏体化后的冷却速度、中温等温温度和等温时间，获得由含过饱和碳的单相铁素体构成的板条状贝氏体与细小均匀分布的颗粒状碳化物组成的组织，以改善高碳钢的韧性。

Description

大直径高碳钢齿轮、齿套加工工艺

技术领域

本发明涉及机械制造领域，具体是一种大直径高碳钢齿轮、齿套加工工艺。

背景技术

工件在热处理时，特别是淬火过程中，因其截面各部分加热和冷却速度不一致而存在温差，加上组织转变的不等时性等原因，使得工件截面上各部分的体积胀缩不均匀，以及弹塑性畸变不一致，从而导致热处理应力的产生。热处理应力的大小、状态及其分布直接影响到热处理质量。例如，较高的淬火应力一旦超过钢的屈服强度和脆断强度时，将会引起工件的畸变，甚至开裂。热处理应力的产生原因比较复杂，影响因素也较多。如钢的化学成分、原始组织、工件形状、尺寸大小及热处理操作方法等都可能使工件在热处理过程中产生畸变，甚至开裂。

目前，多数齿轮或齿套都是采用渗碳直接淬火或渗碳后二次加热淬火，由于渗碳温度较高，经渗碳淬火后，齿轮畸变较大。且经检验，齿轮畸变合格率仅为60%左右，而且有部分表面有脱碳情况。

传统上认为，钢中碳含量过高，碳化物易于网状析出，而致材料脆性大，因而高碳钢在工程上很少应用。随着材料加工技术的发展，高碳钢的研究获得突破性进展。目前国内外一般采用热机械变形或多重热处理技术控制高碳钢的碳化物形成状态，以改善钢的脆性。但前者带来环境噪音污染，而后者具有高能耗，均不利于工业化应用。

若采用中温等温热处理工艺，形成由含过饱和碳的单相铁素体构成的板条状贝氏体加细小均匀分布的颗粒状碳化物组织，即控制碳原子主要以固溶形式存在于贝氏体铁素体中，以有效地克服碳化物以大块或结网状的析出，进而改善材料的韧性。这不仅使得高碳钢的应用潜质得以彰显，而且得以发展出一种新型的高碳钢加工工艺。高碳钢有着较为广泛的工程应用前景，控制中温等温热处理工艺，获得由含过饱和碳的单相铁素体构成的板条状贝氏体加细小均匀分布的颗粒状碳化物组织的研究有着强烈工程应用背景。然而使高碳钢具有由含过饱和碳的单相铁素体构成的板条状贝氏体加细小均匀分布的颗粒状碳化物组织是较困难的。关键的问题是如何选择适宜的热处理条件，如奥氏体化温度、奥氏体化后的冷却速度、中温等温温度及等温时间等控制组织形成条件的协调组合。目前，关于高碳钢通过中温等温热处理工艺获得由含过饱和碳的单相铁素体构成的板条状贝氏体加细小均匀分布的颗粒状碳化物组成的组织的研究工作国内外鲜有报道。

申请号201210392812.6公开了一种中高碳钢的热处理方法，以钢为主要原料，根据以上组分配比，进行合金化；退火处理；奥氏体化处理；再在260℃的温度下进行等温淬火或者不完全淬火，保温400s；再进行渗纳米氧化铝；最后取出钢材工件，冷却到室温。此方法步骤比较复杂，成本要求较高。

中国专利号02150879.8，公开日2003年05月14日，公开了一份名称为高强度超高碳钢及其生产工艺的专利文件，该高强度超高碳钢及其生产工艺，其合金成分为（重量百分比）：C ：1.0～2.0%、Cr ：0.5～2.0%、Mn ：0.2～0.8%、Si和Al中的一种、余Fe ；生产工艺包括选取合适的添加元素，用喷射成形工艺获得坯料 ；然后进行大变形量（压下量达 50% ～70%）热轧，空冷后所得材料无须调质处理，即可达到1000MPa左右的屈服强度与1300MPa左右的抗张强度，并有 8 ～ 11% 延伸率的塑性。喷射成形坯料由于形成均匀细小的组织而具有优异的高温变形能力。由此可施行大变形量的热轧，使组织充分致密并且更为均匀细化，从而获得高强度超高碳钢材料。该方法简单高效，降低能源消耗与生产成本，便于实现规模生产。

上述专利表明了超高碳钢的组分含量和生产工艺，但是没有给出其热处理方式。它的处理工艺与传统高碳钢不同，该钢在奥氏体化加热时需形变处理以获得较多的位错亚结构，完全奥氏体化淬火后经高温回火获得弥散球状渗碳体和铁素体基体。由于有大量的超细碳化物，在二次加热过程中碳化物将阻碍奥氏体晶粒长大，获得超细奥氏体晶粒。细小的奥氏体晶粒在不同的冷却条件下可获得所需的超细基体组织，如空冷可获得超细珠光体，淬火可获得超细马氏体。但是传统的淬火方法获得的马氏体存在的耐磨性不足、存在疲劳性差的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题提供一种克服大直径高碳钢齿轮、齿套碳化物大块或网状析出的热处理工艺，该工艺可以克服碳化物以大块或结网状析出，使材料获得由含过饱和碳的单相铁素体构成、金相上呈现板条状的贝氏体组织与细小均匀分布的颗粒状碳化物组成的组织，从而改善材料的韧性性能。

本发明大直径高碳钢齿轮、齿套热处理工艺的技术方案是 ：

大直径高碳钢齿轮、齿套加工工艺，其按照以下工艺路线：

第一步、下料；

第二步、锻坯组分均匀化处理；

第三步、机加工；

第四步、渗碳；

第五步、压床淬火；

第六步、回火；

第七步、车内孔；

第八步、齿轮配对；

第九步、抛丸；

第十步、磷化；

第十一步、入库。

所述锻坯组分均匀化处理：升温至 850-1000℃并在该温度下等温匀化退火处理，处理时间为3小时；

高温奥氏体化处理：将上述组分均匀化处理后的大直径高碳钢齿轮、齿套在 900-950℃温度下进行等温处理，处理时间为20分钟；

高温奥氏体化后冷却处理：将高温奥氏体化处理后的大直径高碳钢齿轮、齿套的温度从 860-920℃冷却到 200-270℃，冷却速度为 25-35℃/s；

中温等温处理：将上述后冷却处理后的高碳钢在 200-280℃温下进行中温等温处理，等温处理时间为2-60分钟，使该高碳钢等温获得由含过饱和碳的单相铁素体构成的板条状贝氏体和细小均匀分布的颗粒状碳化物组成的组织，等温处理后水冷至室温即可。

所述第四步渗碳工艺为：预热（470℃~490℃）×3h→加热900℃×3.5h→渗碳930℃×17.5h，碳势1.1%→降温860℃×3h，碳势0.8%。

所述压床淬火时，胀块压强3~3.5MPa；采用脉动施压，频率20次/min,内、外压环压强5~5.5Mpa；压床淬火时间为5min。

所述正火及回火采用利用组合料架水平单独摆放在加热炉内。

渗碳采用可控气氛多用炉。

所述淬火油采用好富顿快速冷却K油，淬火油流量三级开关全部打开。

本发明大直径高碳钢齿轮、齿套热处理工艺具有以下的有益效果：

该热处理工艺过程为：先对铸态材料进行成分均匀化退火，之后对材料高温奥氏体化，然后进行冷却，冷却至中温等温温度区间，再在该温度区间等温，以获得由含过饱和碳的单相铁素体构成的板条状贝氏体和细小均匀分布的颗粒状碳化物组成的组织。

通过控制高碳钢在奥氏体化的组织状态、奥氏体化后的冷却速度、中温等温温度和等温时间，获得由含过饱和碳的单相铁素体构成的板条状贝氏体与细小均匀分布的颗粒状碳化物组成的组织，以改善高碳钢的韧性。

压床淬火是一种能够限制齿轮畸变方向、公差固定的夹具上淬火的一种特殊工艺，它能够使齿轮的胀缩量和畸变量最小。对薄壁大盘形锥齿轮及汽车同步器齿套之类的齿轮，采用压床淬火可以将生产过程中的材料、机械加工及热处理生产中存在的各种潜在畸变因素在压强作用下，去除或减小其影响。

本发明大直径齿轮、齿套加工工艺，使受加工齿轮或齿套畸变控制在合格范围内，且基本消除表面脱碳问题。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明一种高碳钢制锥齿轮的热处理工艺作进一步详细的说明。

实施例一、载货汽车单级减速器大直径盘形弧齿锥齿轮，齿数36，模数13mm，材料为SAE8822H钢。技术要求渗碳淬火有效硬化层深度1.778~2.285mm，表面与心部硬度分别为57~65HRC和30~45HRC；金相组织马氏体、残留奥氏体和碳化物为1~5级，表面非马氏体组织层深≦0.025mm；畸变要求：内孔圆度误差≦0.15mm，外缘平面度误差≦0.10mm，内缘平面度误差≦0.20mm。

其按照以下工艺路线：

下料；

第二步、锻坯组分均匀化处理；

第三步、机加工；

第四步、渗碳；

第五步、压床淬火；

第六步、回火；

第七步、车内孔；

第八步、齿轮配对；

第九步、抛丸；

第十步、磷化；

第十一步、入库。

所述锻坯组分均匀化处理：升温至 850并在该温度下等温匀化退火处理，处理时间为3小时；

高温奥氏体化处理：将上述组分均匀化处理后的大直径高碳钢齿轮、齿套在 900℃温度下进行等温处理，处理时间为20分钟；

高温奥氏体化后冷却处理：将高温奥氏体化处理后的大直径高碳钢齿轮、齿套的温度从 860℃冷却到 200℃，冷却速度为 25-35℃/s；

中温等温处理：将上述后冷却处理后的大直径高碳钢齿轮、齿套在 200-280℃温下进行中温等温处理，等温处理时间为2-60分钟，使该大直径高碳钢齿轮、齿套等温获得由含过饱和碳的单相铁素体构成的板条状贝氏体和细小均匀分布的颗粒状碳化物组成的组织，等温处理后水冷至室温即可。

所述第四步渗碳工艺为：预热470℃3h→加热900℃×3.5h→渗碳930℃×17.5h，碳势1.1%→降温860℃×3h，碳势0.8%。

所述压床淬火时，胀块压强3~3.5MPa；采用脉动施压，频率20次/min,内、外压环压强5~5.5Mpa；压床淬火时间为5min。

所述正火及回火采用利用组合料架水平单独摆放在加热炉内。

渗碳采用可控气氛多用炉。

所述淬火油采用好富顿快速冷却K油，淬火油流量三级开关全部打开。

采用本发明工艺后，齿轮畸变控制在合格范围内，基本消除表面脱碳问题。

实施例二：重型载货汽车变速器中同步器接合齿套，材料为20CrH钢，渗碳淬火有效硬化层深度为0.7~1.5mm，表面硬度≧59HRC，碳化物≦1级，残留奥氏体≦15%（体积分数），内孔圆度误差≦0.10mm，内孔锥度误差≦0.05mm。

其按照以下工艺路线：

下料；

第二步、锻坯组分均匀化处理；

第三步、机加工；

第四步、渗碳；

第五步、压床淬火；

第六步、回火；

第七步、车内孔；

第八步、齿轮配对；

第九步、抛丸；

第十步、磷化；

第十一步、入库。

所述锻坯组分均匀化处理：升温至 900℃并在该温度下等温匀化退火处理，处理时间为3小时；高温奥氏体化处理：将上述组分均匀化处理后的大直径高碳钢齿轮、齿套在 900℃温度下进行等温处理，处理时间为20分钟；高温奥氏体化后冷却处理：将高温奥氏体化处理后的大直径高碳钢齿轮、齿套的温度从 860-920℃冷却到 200-270℃，冷却速度为 25-35℃/s；中温等温处理：将上述后冷却处理后的高碳钢在 200-280℃温下进行中温等温处理，等温处理时间为2-60分钟，使该高碳钢等温获得由含过饱和碳的单相铁素体构成的板条状贝氏体和细小均匀分布的颗粒状碳化物组成的组织，等温处理后水冷至室温即可。

所述第四步渗碳工艺为：预热480℃×3h→加热900℃×3.5h→渗碳930℃×17.5h，碳势1.1%→降温860℃×3h，碳势0.8%。

所述压床淬火时，胀块压强3~3.5MPa；采用脉动施压，频率20次/min,内、外压环压强5~5.5Mpa；压床淬火时间为5min。

所述正火及回火采用利用组合料架水平单独摆放在加热炉内。

渗碳采用可控气氛多用炉。

所述淬火油采用好富顿快速冷却K油，淬火油流量三级开关全部打开。

采用本发明工艺后，齿轮畸变控制在合格范围内，基本消除表面脱碳问题。

渗碳采用可控气氛多用炉。小批试验100件，其有效硬化层深度及金相指标均合格，内孔圆度误差为0.05~0.17mm，内孔锥度为0.02~0.07mm，内孔圆度及锥度畸变超差统计见表1。

内孔圆度畸变超差件数/件	内孔锥形畸变度超差件数/件	内孔圆度及锥度畸变同时超差件数/件
			14	14	8

由表1可知，该同步器接合齿套热处理畸变一次交检合格率为80%。

Claims (6)

1.大直径高碳钢齿轮、齿套加工工艺，其按照以下工艺路线：

第一步、下料；

第二步、锻坯组分均匀化处理；

第三步、机加工；

第四步、渗碳；

第五步、压床淬火；

第六步、回火；

第七步、车内孔；

第八步、齿轮配对；

第九步、抛丸；

第十步、磷化；

第十一步、入库；

其特征在于，所述锻坯组分均匀化处理：升温至 850-1000℃并在该温度下等温匀化退火处理，处理时间为3小时；高温奥氏体化处理：将上述组分均匀化处理后的大直径高碳钢齿轮、齿套在 900-950℃温度下进行等温处理，处理时间为20分钟；高温奥氏体化后冷却处理：将高温奥氏体化处理后的大直径高碳钢齿轮、齿套的温度从 860-920℃冷却到 200-270℃，冷却速度为 25-35℃/s；中温等温处理：将上述后冷却处理后的高碳钢在 200-280℃温下进行中温等温处理，等温处理时间为2-60分钟，使该高碳钢等温获得由含过饱和碳的单相铁素体构成的板条状贝氏体和细小均匀分布的颗粒状碳化物组成的组织，等温处理后水冷至室温即可。

2.根据权利要求1所述的大直径高碳钢齿轮、齿套加工工艺，其特征在于，所述第四步渗碳工艺为：预热（470℃~490℃）×3h→加热900℃×3.5h→渗碳930℃×17.5h，碳势1.1%→降温860℃×3h，碳势0.8%。

3.根据权利要求1所述的大直径高碳钢齿轮、齿套加工工艺，其特征在于所述压床淬火时，胀块压强3~3.5MPa；采用脉动施压，频率20次/min,内、外压环压强5~5.5Mpa；压床淬火时间为5min。

4.根据权利要求1所述的大直径高碳钢齿轮、齿套加工工艺，其特征在于所述正火及回火采用利用组合料架水平单独摆放在加热炉内。

5.根据权利要求1所述的大直径高碳钢齿轮、齿套加工工艺，其特征在于渗碳采用可控气氛多用炉。

6.根据权利要求1所述的大直径高碳钢齿轮、齿套加工工艺，其特征在于所述淬火油采用好富顿快速冷却K油，淬火油流量三级开关全部打开。