CN106756753B - 低速重载齿轮的渗碳淬火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低速重载齿轮的渗碳淬火方法，包括如下步骤，⑴、升温均温步骤，⑵、强渗步骤，⑶、扩散步骤，⑷、降温步骤，⑸、高温回火步骤，⑹、淬火步骤，⑺、冷处理步骤，⑻、低温回火步骤，发明的低速重载齿轮渗碳淬火方法能有效消除齿轮渗碳层有害碳化物，获得弥散分布的细粒状碳化物，大幅降低表面残余奥氏体含量，改善齿轮表面的金相组织，提高齿轮表面硬度和耐磨性，提高产品的热处理性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种低速重载齿轮的渗碳淬火方法，属于热处理技术领域。
背景技术
低速重载齿轮主要应用于矿山、冶金等大型设备的传动***中，其运行工况比较恶劣，传动功率大，扭矩大，传动比大，转速低，减速箱内齿轮容易受到载荷冲击与机械振动的影响而失效。因此，低速重载齿轮不仅承载重，冲击力强，而且安全性能要求高，使用时要求有优良的表面硬度、耐磨性能和抗过载能力，既要求齿轮齿面的硬化层深度较深，而且要求齿轮的心部力学性能良好。
目前，低速重载齿轮材料常采用20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA、17Cr2Ni2Mo等合金钢，因其合金元素含量高，渗碳后表层的碳含量高，因而在渗碳淬火后的工件中会存在有大量的残余奥氏体，使工件的表面硬度降低。在淬火后的齿面磨削加工中，会出现网状裂纹，导致工件报废或者在运行过程中失效。现有低速重载齿轮的传统渗碳淬火方法见图2所示，将低速重载齿轮放置在渗碳炉内温度升高930±5℃，进行强渗9-10h，在同温度下进行扩散9-10h，在强渗时碳势CP控制在1.10±0.03％，而扩散时的碳势CP为0.75±0.03％，随后随炉降至840±5℃保温1-2h后进行油淬火，再将齿轮放在回火炉中加热至180-220℃进行低温回火，保温时间为3-4h；然后出炉空冷至室温。但该方法未能解决齿轮渗碳淬火后表面残余奥氏体含量偏高的问题，齿轮表面硬度偏低，在后续的运行过程中易出现早期的齿面磨损。
为了解决上述技术问题，有必要新开发一种大型挖掘机齿轮的渗碳淬火热处理方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能有效消除齿轮渗碳层有害碳化物，获得弥散分布的细粒状碳化物，大幅降低表面残余奥氏体含量，提高齿轮表面硬度和耐磨性，提高方案早产品的热处理性能的低速重载齿轮的渗碳淬火方法。
本发明为达到上述的目的的技术方案是：一种低速重载齿轮的渗碳淬火方法，其特征在于：包括如下步骤，
⑴、升温均温步骤，将齿轮置于渗碳炉内加热至750±10℃，保温时间为2-3h；
⑵、强渗步骤，加热渗碳炉，齿轮随炉加热至930±10℃，向渗碳炉内通入渗碳剂渗碳，碳势CP控制在1.15±0.05C％，维持一段渗碳时间t强渗；
⑶、扩散步骤，降低渗碳炉温，齿轮随炉降至910±10℃，向渗碳炉内通入渗碳剂渗碳，碳势CP控制在0.75±0.05C％，维持一段渗碳时间t扩散，且扩散时间t扩散是强渗时渗碳时间t强渗的1.2倍；
⑷、降温步骤，降低渗碳炉温，齿轮随炉降温至800±10℃，保温时间为2-3h，出炉空冷至室温；
⑸、高温回火步骤，将齿轮放在回火炉中加热至650±10℃，保温时间为3-4h；
⑹、淬火步骤，再将齿轮加热至810±10℃，保温时间为2-3h，然后进行油淬，淬火油温度为65-95℃；
⑺、冷处理步骤，将经过淬火后的齿轮冷却至-60℃，保温时间为0.5-1h，然后升温至室温；
⑻、低温回火步骤，最后将齿轮放在回火炉中加热至180-240℃进行低温回火，保温时间为3-4h；然后出炉空冷至室温。
其中，所述的强渗步骤中的渗碳时间t强渗和扩散步骤中的扩散时间t扩散之和为总渗碳时间t渗碳，且总渗碳时间t渗碳＝(δ/K)2，其中，δ为渗层深度(mm)，K为渗碳温度系数。
所述强渗步骤中的渗碳时间t强渗在10-12h。
所述扩散步骤中的扩散时间t扩散在12-14.4h。
所述的高温回火步骤中，高温回火的次数至少为三次。
所述淬火步骤和冷处理步骤之间还包括清洗步骤，清洗去除零部件表面油渍，清洗液温度控制在50-60℃。
所述的低温回火步骤中，低温回火的次数为两次。
所述的强渗步骤和扩散步骤中采用的渗碳剂为甲醇、乙烷、丙烷、乙醇、丙醇、醋酸乙酯的任意一种或多种。
所述强渗步骤和扩散步骤中，碳势CP通过调节渗碳剂流量来控制。
所述低速重载齿轮用钢材质为20Cr2Ni4。
本发明采用上述技术方案后具有以下优点：
1、本发明的低速重载齿轮的渗碳淬火方法相比于传统的恒温变碳势渗碳淬火方法，该方法采用降温降碳势渗碳淬火方法，将扩散渗碳温度控制在低于强渗温度，而强渗及扩散时的碳势相比于传统渗碳碳势均有降低，通过降低扩散温度及降低渗碳碳势，从而降低渗碳层奥氏体的碳含量，以实现降低冷却后的表层残余奥氏体含量。本发明扩散渗碳时间与强渗时间的比值为1.2倍，因此通过延长扩散渗碳时间，达到技术要求的渗碳层深度及延缓渗碳层碳浓度梯度。
2、本发明采用低于传统工艺的渗碳出炉空冷温度，渗碳空冷后的齿轮采用多次的高温回火，通过反复的高温回火，析出奥氏体中的碳形成碳化物，从而有效降低渗碳层奥氏体中的碳含量，降低齿轮表层中的残余奥氏体含量。
3、本发明采用低于传统工艺的淬火温度，以降低表层残余奥氏体含量；同时，通过淬火后的冷处理，使未完成转变的残余奥氏体在低于Mf点的温度下继续完成转变，从而降低齿轮表层的残余奥氏体含量。
4、本发明采用升温均温步骤强渗、扩散、降温均温、高温回火步骤、淬火步骤、冷处理步骤以及低温回火步骤，最大限度的降低了齿轮表层的残余奥氏体含量，有效消除齿轮渗碳层有害碳化物，获得弥散分布的细粒状碳化物，提高了齿面硬度和耐磨性，提高产品的热处理性能，有效减少了低速重载齿轮在运行过程中的齿面磨损，提高了齿轮的使用寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。
图1为本发明对低速重载齿轮的渗碳淬火方法的示意图；
图2为现有技术对低速重载齿轮的渗碳淬火方法示意图。
具体实施方式
见图1所示，本发明低速重载齿轮的渗碳淬火方法，包括如下步骤，
⑴、升温均温步骤，将齿轮置于渗碳炉内加热至750±10℃，保温时间为2-3h。
⑵、强渗步骤，加热渗碳炉，齿轮随炉加热至930±10℃，向渗碳炉内通入渗碳剂渗碳，碳势CP控制在1.15±0.05C％，维持一段渗碳时间t强渗，碳势CP通过调节渗碳剂流量来控制，本发明强渗步骤中的渗碳时间t强渗在10-12h，通过降温降碳势CP，而降低渗碳层奥氏体的碳含量。
⑶、扩散步骤，降低渗碳炉温，齿轮随炉降至910±10℃，碳势CP控制在0.75±0.05C％，维持一段渗碳时间t扩散，且扩散时间t扩散是强渗时渗碳时间t强渗的1.2倍，碳势CP通过调节渗碳剂流量来控制，扩散时间t扩散控制在12-14.4h。本发明通过降低扩散温度及降低渗碳碳势，达到降低渗碳层奥氏体的碳含量，从而降低冷却后的表层残余奥氏体含量。本发明通过延长扩散时间长于渗碳时间，达到技术要求的渗碳层深度及延缓渗碳层碳浓度梯度。
⑷、降温步骤，降低渗碳炉温，使齿轮随炉降温至800±10℃，保温时间为2-3h，出炉空冷至室温，以提高表层奥氏体的稳定性。
⑸、高温回火步骤，将齿轮放在回火炉中至650±10℃，保温时间为3-4h，以析出奥氏体中的碳形成碳化物，本发明高温回火的次数至少为三次，可通过多次高温回火，降低齿轮表层中的残余奥氏体含量。
⑹、淬火步骤，再将齿轮加热至810±10℃，保温时间为2-3h，然后进行油淬，淬火油温度为65-95℃，通过较低的淬火温度，而以降低表层残余奥氏体含量。
⑺、冷处理步骤，将经过淬火后的齿轮冷却至-60℃，保温时间为0.5-1h，然后升温至室温，通过淬火后的冷处理，使未完成转变的残余奥氏体在低于Mf点的温度下继续完成转变，从而降低齿轮表层的残余奥氏体含量。
⑻、低温回火步骤，最后将齿轮放在回火炉中加热至180-240℃进行低温回火，保温时间为3-4h，然后出炉空冷至室温，保持淬火工件的高硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性。
本发明强渗步骤中的渗碳时间t强渗和扩散步骤中的扩散时间t扩散之和为总渗碳时间t渗碳，且总渗碳时间t渗碳＝(δ/K)2，其中，δ为渗层深度(mm)，K为渗碳温度系数，能根据设计要求设定齿轮的渗层深度以及选择的渗碳温度系数来控制总渗碳时间t渗碳。
本发明在淬火步骤和冷处理步骤之间还包括清洗步骤，清洗去除零部件表面油渍，清洗液温度控制在50-60℃,而清洗液采用常规的清洗液，例如煤油等。
本发明在强渗步骤和扩散步骤中采用的渗碳剂为甲醇、乙烷、丙烷、乙醇、丙醇、醋酸乙酯的任意一种或多种，在多种混合时，比例不限。
本发明低速重载齿轮采用钢材质为20Cr2Ni4，用本发明渗碳淬火方法对20Cr2Ni4制得的齿轮进行渗碳淬火处理，具体渗碳淬火实施例见表1所示。
表1
采用本发明的渗碳淬火方法制得样件，并按TB/T2254-1991标准进行检测，具体检测数据见表2所示。
表2
| 项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 实施例6 |
| 残余奥氏体级别 | 1级 | 1级 | 1级 | 1级 | 1级 | 1级 |
| 马氏体级别 | 1级 | 2级 | 1级 | 1级 | 2级 | 1级 |
| 碳化物级别 | 1级 | 1级 | 1级 | 1级 | 1级 | 1级 |
| 表面硬度 | 61HRC | 60.5HRC | 62HRC | 61.5HRC | 61HRC | 61.5HRC |
从表2中可以看出，能大幅度降低齿轮表层的残余奥氏体含量，有效消除齿轮渗碳层有害碳化物，获得弥散分布的细粒状碳化物，改善齿轮表面的金相组织提高了齿面硬度和耐磨性。
Claims (9)
1.一种低速重载齿轮的渗碳淬火方法，其特征在于：包括如下步骤，
⑴、升温均温步骤，将齿轮置于渗碳炉内加热至750±10℃，保温时间为2-3h；
⑵、强渗步骤，加热渗碳炉，齿轮随炉加热至930±10℃，向渗碳炉内通入渗碳剂渗碳，碳势CP控制在1.15±0.05C％，维持一段渗碳时间t强渗；
⑶、扩散步骤，降低渗碳炉温，齿轮随炉降至910±10℃，向渗碳炉内通入渗碳剂渗碳，碳势CP控制在0.75±0.05C％，维持一段渗碳时间t扩散，且扩散时间t扩散是强渗时渗碳时间t强渗的1.2倍；其中，所述的强渗步骤中的渗碳时间t强渗和扩散步骤中的扩散时间t扩散之和为总渗碳时间t渗碳，且总渗碳时间t渗碳＝(δ/K)2，其中，δ为渗层深度(mm)，K为渗碳温度系数；
⑷、降温步骤，降低渗碳炉温，齿轮随炉降温至800±10℃，保温时间为2-3h，出炉空冷至室温；
⑸、高温回火步骤，将齿轮放在回火炉中加热至650±10℃，保温时间为3-4h；
⑹、淬火步骤，再将齿轮加热至810±10℃，保温时间为2-3h，然后进行油淬，淬火油温度为65-95℃；
⑺、冷处理步骤，将经过淬火后的齿轮冷却至-60℃，保温时间为0.5-1h，然后升温至室温；
⑻、低温回火步骤，最后将齿轮放在回火炉中加热至180-240℃进行低温回火，保温时间为3-4h；然后出炉空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的低速重载齿轮的渗碳淬火方法，其特征在于：所述强渗步骤中的渗碳时间t强渗在10-12h。
3.根据权利要求1所述的低速重载齿轮的渗碳淬火方法，其特征在于：所述扩散步骤中的扩散时间t扩散在12-14.4h。
4.根据权利要求1所述的低速重载齿轮的渗碳淬火方法，其特征在于：所述的高温回火步骤中，高温回火的次数至少为三次。
5.根据权利要求1所述的低速重载齿轮的渗碳淬火方法，其特征在于：所述淬火步骤和冷处理步骤之间还包括清洗步骤，清洗去除零部件表面油渍，清洗液温度控制在50-60℃。
6.根据权利要求1所述的低速重载齿轮的渗碳淬火方法，其特征在于：所述的低温回火步骤中，低温回火的次数为两次。
7.根据权利要求1所述的低速重载齿轮的渗碳淬火方法，其特征在于：所述的强渗步骤和扩散步骤中采用的渗碳剂为甲醇、乙烷、丙烷、乙醇、丙醇、醋酸乙酯的任意一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种低速重载齿轮的渗碳淬火方法，其特征在于：所述强渗步骤和扩散步骤中，碳势CP通过调节渗碳剂流量来控制。
9.根据权利要求1所述的低速重载齿轮的渗碳淬火方法，其特征在于：所述低速重载齿轮用钢材质为20Cr2Ni4。
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