CN112725721B - 一种超高硬度齿轮渗碳淬火工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种超高硬度齿轮渗碳淬火工艺，包括以下步骤：S1.区域划分：根据材料硬度划分为A、B、C三个位置区域；S2.一次渗碳：将B、C位置区域进行防渗保护后，将A位置区域进行渗碳；S3.二次渗碳：将B位置区域脱去保护后，将A、B位置区域进行渗碳；S4.三次渗碳：将C位置区域脱去保护后，将A、B、C位置区域进行渗碳淬火，得到产品；计算方式为：L2＝6/5L‑L1；其中L1＝已渗的深度，L＝要求的深度，取平均值，L2＝本次补渗的深度。采用本发明渗碳工艺后得到的产品具有更高的硬度和力学性能，且工作温度更高，可在320℃以下使用。

Description

一种超高硬度齿轮渗碳淬火工艺
技术领域
本发明涉及真空渗碳技术领域，具体涉及一种超高硬度齿轮渗碳淬火工艺。
背景技术
16Cr3NiWMoVNbE钢属于特级优质钢，具有很好的淬透性、高韧塑性和高抗拉强度。经表面渗碳和后续热处理后，表面具有很高的硬度和强度，心部具有良好的韧性和塑性，同时具备良好的锻造和切削加工性能，其使用温度可达350℃，具有良好的综合性能，已成为新一代航空齿轮材料的代表。16Cr3NiWMoVNbE合金成分复杂，采用传统的井室渗碳炉和气氛渗碳炉进行渗碳处理，渗碳过程难以精确控制，渗碳时间长，能源消耗大，渗层内氧化严重，渗层的碳化物大小、分布均匀性较差，对于形状复杂的构件难以均匀渗碳。
目前国内对于16Cr3NiWMoVNbE钢还没有标准的渗碳工艺,因此，提出符合要求的渗碳工艺是目前的关键问题。而公开号为CN106319436A的中国专利“真空渗碳炉及使用其的渗碳方法”介绍一种真空渗碳炉的设备和工艺，该专利主要集中于渗碳炉的机械设计、装置结构和布置等方面的介绍，提出低压真空渗碳炉的生产流程实例，未提及具体渗碳工艺。
公开号为CN103556106A的中国专利“一种1Cr17Ni2合金材料高温真空渗碳层的制备方法”，公开号为CN107829064A的中国专利“一种12CrNi3A材料真空渗碳热处理工艺”，以及公开号为CN102899603A的中国专利“M50NiL材料低压真空渗碳方法”等多项专利申请中涉及了低压真空渗碳工艺控制方法，但上述方法都分别针对不同的渗碳材料，对成分复杂的16Cr3NiWMoVNbE材料并不适用。
公开号为CN105386043A的中国专利“一种防止16Cr3NiWMoVNbE材料窄齿形零件齿顶过渗的方法”提出了一种通过改变传统的热处理工艺，局部镀铜将一次渗碳改为二次渗碳的气氛渗碳方法。该方法可有效防止16Cr3NiWMoVNbE材料窄齿形零件齿顶过渗，但由于是采用气氛渗碳，且需局部镀铜，两次渗碳，工艺过程太过复杂，过程不好控制，生产工艺时间长，且存在渗层碳化物大小及分布难以控制问题。
公开号为CN105296718A的中国专利“一种改善16Cr3NiWMoVNbE钢渗碳后心部硬度的热处理方法”介绍了一种通过在普遍采用的热处理制度前增加了一道空冷退火工艺：在720-750℃进行4-20小时退火。该工艺可使碳化物充分析出和球化，零件心部硬度值符合工艺要求。该专利主要集中于渗碳工艺路线的介绍，没有提出16Cr3NiWMoVNbE钢渗碳生产实例，对于16Cr3NiWMoVNbE钢具体渗碳工艺并无提及，且缺失对于强渗和扩散浓度等关键渗碳工艺参数的控制方法。
公开号为CN102912282A的中国专利“16Cr3NiWMoVNbE材料的二次渗碳工艺方法”提出了一种通过先对非渗碳部位进行保护，对深层要求的渗碳面渗碳，渗碳后对零件继续加工出渗层深度要求浅的渗层位置，后将除渗碳部位的其他部位保护起来后，对其进行二次渗碳的方法。该专利侧重介绍了零件不同部位的二次渗碳工艺，且采用的是传统气氛渗碳方式，但对如何解决渗碳时间长，能源消耗大，渗层内氧化严重，渗层的碳化物大小、分布均匀性较差问题没有涉及。
常规的变形控制包括升温和降温的均匀性，通常采用的方法：1.控制装炉方式，保证升温时的均匀性；2.冷却时，介质搅拌均匀，保证冷速均匀性。但在常规的自由淬火中，发现即使这两种方法控制的很好了，也还是达不到我们的效果。因为我们产品太薄只有1个毫米，而且还经过多次热处理，多次冷热交替，不管是组织应力还是热应力都比较大。
发明内容
本发明的目的在于提出一种超高硬度齿轮渗碳淬火工艺，采用本发明渗碳工艺后得到的产品具有更好的硬度和力学性能，渗碳淬火之后表面硬度在HRC60-64之间，心部硬度在HRC42-46之间，抗拉强度为1270-1350MPa；屈服强度1130-1210MPa；断后伸长率10-15％；断面收缩率50-60％，且工作温度更高，可在320℃以下使用。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种超高硬度齿轮渗碳淬火工艺，包括以下步骤：
S1.区域划分：根据16Cr3NiWMoVNbE材料硬度划分为A、B、C三个位置区域；
S2.一次渗碳：将B、C位置区域进行防渗保护后，将A位置区域进行渗碳；
S3.二次渗碳：将B位置区域脱去保护后，将A、B位置区域进行渗碳；
S4.三次渗碳：将C位置区域脱去保护后，将A、B、C位置区域进行渗碳淬火，得到产品；
计算方式为：L2＝6/5L-L1；其中L1＝已渗的深度，L＝要求的深度，取平均值，L2＝本次补渗的深度。
作为本发明的进一步改进，步骤S1中所述区域划分的方法为：将齿轮锥面上S1.1-1.2，HV0.6≥HRC60划分为A位置区域；将齿轮外圆面上S0.8-0.9，HV0.5≥HRC60划分为B位置区域；将齿轮内圆面上S0.4-0.5，HV0.2≥HRC60划分为C位置区域。
作为本发明的进一步改进，所述防渗保护方法为局部镀铜。
作为本发明的进一步改进，所述局部镀铜的方法为在需要防渗保护的区域预先均匀地涂上天然蜂蜡，天然蜂蜡凝固过后，进行表面局部镀铜。
作为本发明的进一步改进，所述脱去保护的方法为用开水去除天然蜂蜡并刷洗干净。
作为本发明的进一步改进，所述渗碳工艺包括进料并抽真空、阶段升温、脉冲渗碳三个阶段。
具体的，为抽真空：将所述试样表面进行清洗，去除油渍污物，进料后炉膛抽真空，绝对压力为5-30Pa；阶段升温：试样随炉分阶段进行升温和保温过程，最终使渗碳温度达到800-1050℃；脉冲渗碳：设定强渗浓度值U高、扩散浓度值U低、脉冲周期和时间的工艺控制条件。
作为本发明的进一步改进，所述16Cr3NiWMoVNbE材料的化学成分按质量分数计为：C0.12-0.17％,Si0.25-1.7％,Mn0.2-1.0％,Cr2.0-3.0％,Ni1.2-2.5％,W1.0-1.4％,Mo0.4-0.6％,V0.3-0.6％,Nb0.1-0.2％,P≤0.015％,S≤0.01％,Cu≤0.015％，余量为铁。
作为本发明的进一步改进，所述淬火的方法为真空油淬，淬火温度750-950℃，保温0.5-2小时，淬火介质采用真空淬火油，满足60-90℃/s的冷速要求。
作为本发明的进一步改进，重复步骤S2-S4中任一步骤或多个步骤。
作为本发明的进一步改进，所述产品的表面硬度在HRC60-64之间，心部硬度在HRC42-46之间，抗拉强度为1270-1350MPa；屈服强度1130-1210MPa；断后伸长率10-15％；断面收缩率50-60％。
还包括：
1.对预先热处理进行一个正火加调质工艺，保证最终热处理前的一个组织准备，
2.在冷加工工序中，在大余量切削之后，立即进行去应力工序，保证在最终热处理前达到应力最小状态分布，
3.升温时在钢材具有弹性的时候先进行一个预热，并且在加热过程增加一段700度左右的均温，最终在加热到渗碳温度，这样就能够确保钢材升温时内外温差更小，更均匀；
4.冷却时，提高介质的温度，在不影响组织性能的前提下，继续减少热应力；5.稳定回火时，采用专用平板减少变形量。
本发明具有如下有益效果：相比原齿轮材料20CrMnTi等低碳合金钢，本发明采用新材料16Cr3NiWMoVNbE低碳高合金渗碳钢，由以下优点：1.产品使用温度显著提高，能适应更多环境；2.表面和心部硬度高，强度得到提高；3.组织在常温下更稳定；4.力学性能各方面指标都优。
采用本发明渗碳工艺后得到的产品具有更好的硬度和力学性能，渗碳淬火之后表面硬度在HRC60-64之间，心部硬度在HRC42-46之间，抗拉强度为1270-1350MPa；屈服强度1130-1210MPa；断后伸长率10-15％；断面收缩率50-60％，且工作温度更高，可在320℃以下使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明齿轮三次渗碳的分布图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，80％以上的轴齿类零件渗碳工艺采用可控气氛热处理技术，存在表面性能差、变形严重、能耗与排放大等问题。相对于气氛渗碳的缺点，低压真空渗碳是将工件装入真空炉中，抽真空并加热，使炉内净化，达到渗碳温度后通入碳氢化合物(如乙炔)进行渗碳，经过一定时间后切断渗碳剂，再抽真空进行扩散。其成分简单不含氧，解决了环境污染和内氧化的问题；渗碳温度高于传统气氛渗碳，大大缩短了渗碳周期；操作安全，与其它设备集成性能优良。尤其是在一些特定领域，更显示出其卓越的性能，如盲孔类零件的长型喷油嘴针阀体、销轴类零件的薄层渗碳等。这些件用一般的可控气氛渗碳是比较困难的，而真空渗碳却可轻易的加以解决。
真空渗碳工艺是现今最为先进的渗碳工艺，可以实现无晶间氧化和对渗层深度的精确控制，满足在低误差范围内的重现性以及表面碳浓度的可选性。随着中国各行各业与世界接轨，对零件加工精度提出更高的要求，在资源紧缺，环境污染日益严重的今天，高效节能污染小的真空渗碳技术有着广阔的应用前景。针对成分复杂的16Cr3NiWMoVNbE航空材料开展低压真空渗碳工艺综合考虑诸多工艺参数的控制问题，才能合理制定系列热处理规程保证渗层深度、硬度以及均匀性，这其中包括高温预处理温度、真空渗碳压力和时间、淬火温度、冰冷处理温度和时间以及中温回火温度等关键技术参数的控制，尤其是渗碳过程中强渗浓度值U高、扩散浓度值U低、脉冲周期和时间等工艺参数的设定更为重要。
实施例1
超高硬度齿轮渗碳淬火工艺实例步骤如下：16Cr3NiWMoVNbE钢成分为C0.12％,Si0.25％,Mn0.2％,Cr2.0％,Ni1.2％,W1.0％,Mo0.4％,V0.3％,Nb0.1％,P≤0.015％,S≤0.01％,Cu≤0.015％，余量为铁。本实施例中渗层预设深度为0.75mm。
包括：
S1.区域划分：根据材料硬度划分为A、B、C三个位置区域；将齿轮锥面上S1.1-1.2，HV0.6≥HRC60划分为A位置区域；将齿轮外圆面上S0.8-0.9，HV0.5≥HRC60划分为B位置区域；将齿轮内圆面上S0.4-0.5，HV0.2≥HRC60划分为C位置区域；
S2.一次渗碳：将B、C位置区域进行防渗保护后，将A位置区域进行渗碳；
S3.二次渗碳：将B位置区域脱去保护后，将A、B位置区域进行渗碳；
S4.三次渗碳：将C位置区域脱去保护后，将A、B、C位置区域进行渗碳淬火，得到产品；
防渗保护方法为局部镀铜，在需要防渗保护的区域预先均匀地涂上天然蜂蜡，天然蜂蜡凝固过后，进行表面局部镀铜。
脱去保护的方法为用开水去除天然蜂蜡并刷洗干净。
渗碳工艺包括进料并抽真空、阶段升温、脉冲渗碳三个阶段，具体的，为抽真空：将所述试样表面进行清洗，去除油渍污物，进料后炉膛抽真空，绝对压力为5Pa；阶段升温：试样随炉分阶段进行升温和保温过程，最终使渗碳温度达到800℃；脉冲渗碳：设定强渗浓度值U高、扩散浓度值U低、脉冲周期和时间的工艺控制条件。
计算方式为：L2＝6/5L-L1；其中L1＝已渗的深度，L＝要求的深度，取平均值，L2＝本次补渗的深度。
对渗碳后的试样进行分析，表面硬度在HRC60，心部硬度在HRC42，抗拉强度为1270MPa；屈服强度1130MPa；断后伸长率10％；断面收缩率50％，工作使用温度：320℃以下。
实施例2
超高硬度齿轮渗碳淬火工艺实例步骤如下：16Cr3NiWMoVNbE钢成分为C0.17％,Si1.7％,Mn1.0％,Cr3.0％,Ni2.5％,W1.4％,Mo0.6％,V0.6％,Nb0.2％,P≤0.015％,S≤0.01％,Cu≤0.015％，余量为铁。本实施例中渗层预设深度为0.9mm。
包括：
S1.区域划分：根据材料硬度划分为A、B、C三个位置区域；将齿轮锥面上S1.1-1.2，HV0.6≥HRC60划分为A位置区域；将齿轮外圆面上S0.8-0.9，HV0.5≥HRC60划分为B位置区域；将齿轮内圆面上S0.4-0.5，HV0.2≥HRC60划分为C位置区域；
S2.一次渗碳：将B、C位置区域进行防渗保护后，将A位置区域进行渗碳；
S3.二次渗碳：将B位置区域脱去保护后，将A、B位置区域进行渗碳；
S4.三次渗碳：将C位置区域脱去保护后，将A、B、C位置区域进行渗碳淬火，得到产品；
防渗保护方法为局部镀铜，在需要防渗保护的区域预先均匀地涂上天然蜂蜡，天然蜂蜡凝固过后，进行表面局部镀铜。
脱去保护的方法为用开水去除天然蜂蜡并刷洗干净。
渗碳工艺包括进料并抽真空、阶段升温、脉冲渗碳三个阶段，具体的，为抽真空：将所述试样表面进行清洗，去除油渍污物，进料后炉膛抽真空，绝对压力为30Pa；阶段升温：试样随炉分阶段进行升温和保温过程，最终使渗碳温度达到1050℃；脉冲渗碳：设定强渗浓度值U高、扩散浓度值U低、脉冲周期和时间的工艺控制条件。
计算方式为：L2＝6/5L-L1；其中L1＝已渗的深度，L＝要求的深度，取平均值，L2＝本次补渗的深度。
对渗碳后的试样进行分析，表面硬度在HRC64，心部硬度在HRC46，抗拉强度为1350MPa；屈服强度1210MPa；断后伸长率15％；断面收缩率60％，工作使用温度：320℃以下。
实施例3
超高硬度齿轮渗碳淬火工艺实例步骤如下：16Cr3NiWMoVNbE钢成分为C0.15％,Si1.2％,Mn0.8％,Cr2.5％,Ni2％,W1.2％,Mo0.5％,V0.5％,Nb0.15％,P≤0.015％,S≤0.01％,Cu≤0.015％，余量为铁。本实施例中渗层预设深度为0.75-0.9mm。
包括：
S1.区域划分：根据材料硬度划分为A、B、C三个位置区域；将齿轮锥面上S1.1-1.2，HV0.6≥HRC60划分为A位置区域；将齿轮外圆面上S0.8-0.9，HV0.5≥HRC60划分为B位置区域；将齿轮内圆面上S0.4-0.5，HV0.2≥HRC60划分为C位置区域；
S2.一次渗碳：将B、C位置区域进行防渗保护后，将A位置区域进行渗碳；
S3.二次渗碳：将B位置区域脱去保护后，将A、B位置区域进行渗碳；
S4.三次渗碳：将C位置区域脱去保护后，将A、B、C位置区域进行渗碳淬火，得到产品；
防渗保护方法为局部镀铜，在需要防渗保护的区域预先均匀地涂上天然蜂蜡，天然蜂蜡凝固过后，进行表面局部镀铜。
脱去保护的方法为用开水去除天然蜂蜡并刷洗干净。
渗碳工艺包括进料并抽真空、阶段升温、脉冲渗碳三个阶段，具体的，为抽真空：将所述试样表面进行清洗，去除油渍污物，进料后炉膛抽真空，绝对压力为20Pa；阶段升温：试样随炉分阶段进行升温和保温过程，最终使渗碳温度达到950℃；脉冲渗碳：设定强渗浓度值U高、扩散浓度值U低、脉冲周期和时间的工艺控制条件。
计算方式为：L2＝6/5L-L1；其中L1＝已渗的深度，L＝要求的深度，取平均值，L2＝本次补渗的深度。
对渗碳后的试样进行分析，表面硬度在HRC62，心部硬度在HRC44，抗拉强度为1300MPa；屈服强度1170MPa；断后伸长率12％；断面收缩率55％，工作使用温度：320℃以下。
对比例
原材料：20CrMnTi等低碳合金钢。
常规工艺：在传统可控气氛渗碳过程中，通常采用的两段式工艺难以实现渗层硬度梯度的控制，即便在多段式工艺条件下，由于碳势调整需要较长响应时间，渗碳时间过长导致渗层组织难于控制，往往形成网状碳化物，硬度分布波动较大，而且晶界处网状碳化物的生成又进一步阻止了活性碳向材料内部扩散，无法保证渗层深度。因此，针对复杂的成分体系材料，如实施例1所指出的材料来说，采用传统可控气氛渗碳周期长，能耗高，且难以达到渗层硬度梯度精确控制的目标。
对渗碳后的试样进行分析，表面硬度在HRC58，心部硬度在HRC35，抗拉强度1080MPa；屈服强度850MPa；断后伸长率10％；断面收缩率45％，工作使用温度：220℃以下，超出温度会降低强度，从而降低接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。
与现有技术相比，相比原齿轮材料20CrMnTi等低碳合金钢，本发明采用新材料16Cr3NiWMoVNbE低碳高合金渗碳钢，由以下优点：1.产品使用温度显著提高，能适应更多环境；2.表面和心部硬度高，强度得到提高；3.组织在常温下更稳定；4.力学性能各方面指标都优。
采用本发明渗碳工艺后得到的产品具有更好的硬度和力学性能，渗碳淬火之后表面硬度在HRC60-64之间，心部硬度在HRC42-46之间，抗拉强度为1270-1350MPa；屈服强度1130-1210MPa；断后伸长率10-15％；断面收缩率50-60％，且工作温度更高，可在320℃以下使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超高硬度齿轮渗碳淬火工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1.区域划分：根据16Cr3NiWMoVNbE材料硬度划分为A、B、C三个位置区域；所述区域划分的方法为：将齿轮锥面上S1.1-1.2，HV0.6≥HRC60划分为A位置区域；将齿轮外圆面上S0.8-0.9，HV0.5≥HRC60划分为B位置区域；将齿轮内圆面上S0.4-0.5，HV0.2≥HRC60划分为C位置区域；
S2.一次渗碳：将B、C位置区域进行防渗保护后，将A位置区域进行渗碳；
S3.二次渗碳：将B位置区域脱去保护后，将A、B位置区域进行渗碳；
S4.三次渗碳：将C位置区域脱去保护后，将A、B、C位置区域进行渗碳淬火，得到产品；
计算方式为：L2=6/5L-L1；其中L1=已渗的深度，L=要求的深度，取平均值，L2=本次补渗的深度；
所述16Cr3NiWMoVNbE材料的化学成分按质量分数计为：C0.12-0.17％,Si0.25-1.7％,Mn0.2-1.0％,Cr2.0-3.0％,Ni1.2-2.5％,W1.0-1.4％,Mo0.4-0.6％,V0.3-0.6％,Nb0.1-0.2％,P≤0.015％,S≤0.01％,Cu≤0.015％，余量为铁；
所述产品的表面硬度在HRC60-64之间，心部硬度在HRC42-46之间，抗拉强度为1270-1350MPa；屈服强度1130-1210MPa；断后伸长率10-15%；断面收缩率50-60%。
2.根据权利要求1所述超高硬度齿轮渗碳淬火工艺，其特征在于，包括以下步骤：所述防渗保护方法为局部镀铜。
3.根据权利要求2所述超高硬度齿轮渗碳淬火工艺，其特征在于，所述局部镀铜的方法为在需要防渗保护的区域预先均匀地涂上天然蜂蜡，天然蜂蜡凝固过后，进行表面局部镀铜。
4.根据权利要求3所述超高硬度齿轮渗碳淬火工艺，其特征在于，所述脱去保护的方法为用开水去除天然蜂蜡并刷洗干净。
5.根据权利要求1所述超高硬度齿轮渗碳淬火工艺，其特征在于，所述渗碳工艺包括进料并抽真空、阶段升温、脉冲渗碳三个阶段。
6.根据权利要求1所述超高硬度齿轮渗碳淬火工艺，其特征在于，所述淬火的方法为真空油淬，淬火温度750-950℃，保温0.5-2小时，淬火介质采用真空淬火油，满足60-90℃/s的冷速要求。
7.根据权利要求1所述超高硬度齿轮渗碳淬火工艺，其特征在于，重复步骤S2-S4中任一步骤或多个步骤。
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