CN114908242B - 一种适用于重载渗碳齿轮的薄膜状残余奥氏体控制方法 - Google Patents

一种适用于重载渗碳齿轮的薄膜状残余奥氏体控制方法 Download PDF

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Abstract

一种适用于重载渗碳齿轮的薄膜状残余奥氏体控制方法，属于重载渗碳齿轮热处理组织控制技术领域。结合重载齿轮的化学成分及其渗碳后不同碳含量奥氏体的相变规律，通过优化热处理工艺控制重载渗碳齿轮的组织结构，获得齿轮渗碳层为马氏体为主、含1～10％的薄膜状残余奥氏体的复相组织；中间过渡区为孪晶马氏体+板条马氏体的混合组织；芯部为低碳板条马氏体或下贝氏体的梯度组织。通过控制残余奥氏体的含量和形态，实现重载齿轮部件高耐磨性、高承载能力、高疲劳性能，并显著增加其质量一致性和尺寸及精度稳定性。

Description

一种适用于重载渗碳齿轮的薄膜状残余奥氏体控制方法
技术领域
本发明属于重载渗碳齿轮热处理组织控制技术领域，尤其是涉及一种重载渗碳齿轮的薄膜状残余奥氏体含量控制方法。
背景技术
重载渗碳齿轮是决定传动装置承载能力和服役寿命的关键，广泛应用于各类传动装置，如重载特种车辆传动装置、航空发动机传动装置、舰船动力***传动装置、工程机械传动装置、风电齿轮箱、高速列车等，是保证传动装置安全可靠的核心部件。重载渗碳齿轮在宽载荷域、宽温度域和强冲击、复杂震动的环境中服役，要求零部件具备表面高硬度、高耐磨性和芯部高韧性的综合性能。
钢铁材料的成分是决定其组织性能的基础，而热处理工艺是获得合理组织性能的关键，合理的组织性能是影响重载渗碳齿轮性能的重要因素。世界各国重载渗碳齿轮选用的齿轮钢系列较多，美国以Cr-Ni-Mo系为主，日本以Cr-Mo系为主、德国以Mn-Cr系为主，而我国重载渗碳齿轮选用的齿轮钢较多，Cr-Ni-Mo系、Cr-Mo系、Mn-Cr系、Mn-Cr-Ti系等均有选用。目前，我国重载渗碳齿轮的制造一般选用20Cr2Ni4A、20CrNiMoA、17Cr2Ni2MoVNb、18Cr2Ni4WA等材料，制造工艺路线为：下料→锻造→正火+回火→粗加工→调质处理→粗加工→渗碳→高温回火→淬火→低温回火→喷砂/抛丸→精加工→成品入库，其中渗碳、淬火和回火工艺是影响重载渗碳齿轮综合性能的关键。
渗碳是重载齿轮常用的表面强化手段，齿轮部件经粗加工后进行渗碳处理，将表面碳含量提高至0.80％～1.20％，获得由表面至芯部平缓降低的碳含量分布梯度；随后经淬火处理，使齿轮部件表面渗碳层获得高硬度孪晶马氏体+残余奥氏体的混合组织；过渡区获得孪晶马氏体+板条马氏体；芯部获得板条马氏体+下贝氏体的混合组织，进而实现齿轮部件高耐磨性、高承载能力、高疲劳性能、高精度和高质量一致性的目标。经上述处理后，重载齿轮表面较高的表面碳含量会显著提高奥氏体的稳定性，且由于先转变的奥氏体对未转变的奥氏体具有抑制作用，使得齿轮零件冷却到室温后，表面渗碳层仍存在较多残余奥氏体，且主要为块状残余奥氏体，如图1所示。
块状残余奥氏体为面心立方结构，具有硬度低和强度低及不稳定等特点，因此，块状残余奥氏体的存在会降低材料的硬度、强度、耐磨性，且会影响零部件的强度、塑性、韧性以及疲劳等机械性能，而且在零件使用过程中随着时间的延长，块状残余奥氏体会转变成马氏体+薄膜状残余奥氏体，转变过程中会引起重载齿轮宏观体积的改变，从而导致工件的精度降低和尺寸不稳定。
以选用20Cr2Ni4A和17Cr2Ni2MoVNb钢制造的重载齿轮为例，利用Co-Kα靶进行X射线衍射测定并计算了渗碳后的渗碳层中的残余奥氏体的体积分数及其形态，利用公式(1)并结合(110)α(200)α(211)α和(111)γ(200)γ(220)γ(311)γ的衍射峰值计算了残余奥氏体的体积分数，式中Vγ是残余奥氏体体积分数。
Vγ＝1.4Iγ/(Iα+1.4Iγ) 式(1)
由图2、图3可知，重载渗碳齿轮表面渗碳层的残余奥氏体含量在15％～30％之间，大量块状残余奥氏体的存在不仅会使表面硬度偏低影响其耐磨性能，同时在重载齿轮服役过程中随着应变诱导马氏体相变的发生将影响其尺寸精度和质量稳定性，严重的将导致重载齿轮早期断裂失效。因此，消除重载齿轮渗碳后表面渗碳层的块状残余奥氏体，合理控制残余奥氏体的形态和含量，是获得高承载能力、高疲劳寿命及高质量一致性重载齿轮零部件的关键。
目前，多数的观点认为，对于高碳含量材料微观组织结构中的残余奥氏体无法完全消除。申请人认为，残余奥氏体无法完全消除，但残余奥氏体的含量和形态可控，使大量的块状残余奥氏体进一步转变为马氏体+薄膜状残余奥氏体，不仅可获得更小的和更均匀分布的板条马氏体组织，还可以促进纳米级超细弥散碳化物的析出，且剩余的薄膜状残余奥氏体处于等轴压应力状态，存在于板条马氏体中间时，组织稳定，不易发生塑性变形，并且在服役过程中能够以韧性相存在，起到缓和应力，防止疲劳裂纹扩展的作用。同时，二次形成的马氏体和弥散分布的纳米级碳化物的存在使重载齿轮恢复至室温状态时会在表面产生残余压应力，这种残余压应力可以减轻缺陷对材料局部强度的损害，最终表现为承载能力和耐磨性能提高。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种适用于重载渗碳齿轮的残余奥氏体控制方法，本发明结合重载齿轮的化学成分及其渗碳后不同碳含量奥氏体的相变规律，通过优化热处理工艺控制重载渗碳齿轮的组织结构，改变残余奥氏体的形态并降低残余奥氏体的含量，获得齿轮渗碳层为马氏体为主、含1～10％的薄膜状残余奥氏体的复相组织；中间过渡区为孪晶马氏体+板条马氏体的混合组织；芯部为低碳板条马氏体或下贝氏体的梯度组织。不仅可以增加表面硬度提升耐磨性，还可以提升零件的承载能力、疲劳寿命、精度稳定性和质量一致性。通过控制残余奥氏体的含量和形态，实现重载齿轮部件高耐磨性、高承载能力、高疲劳性能，并显著增加其质量一致性和尺寸及精度稳定性。
本发明技术方案
本发明通过如下方式完成重载渗碳齿轮的残余奥氏体控制：取热轧钢棒(可选用20Cr2Ni4A、17Cr2Ni2MoVNb、20CrNiMoA、18Cr2Ni4WA等重载渗碳齿轮钢)，经粗加工成齿轮毛坯后，按如下次序进行热处理：
步骤1)渗碳：气体渗碳工艺或低压脉冲渗碳工艺均可选用。
气体渗碳工艺：采用易普森可控气氛多用炉对齿轮毛坯进行渗碳处理，按0.5-1.0L/h的流量将200L(160±5kg)丙烷+20L BH-5直生型催渗剂的混合渗碳介质通入渗碳炉进行渗碳；强渗期：渗碳温度930℃±10℃，碳势1.00～1.10％wt，时间170min±5min；扩散期：渗碳温度890℃±10℃，碳势0.85～0.90％wt，时间120min±5min，渗碳完成后随炉冷却到400℃±5℃，出炉空冷。
低压脉冲渗碳工艺：采用ALD低压高温渗碳炉对齿轮毛坯进行渗碳处理，按128～130L/h的流量将乙炔通入渗碳炉进行渗碳，渗碳温度950℃±10℃，强渗期分九次通入乙炔介质，其中第一次介质通入时间160s±2s，其余的通入时间为45s±2s，强渗时间90min±3min，扩散时间50min±3min，渗碳完成后随炉冷却到400℃±5℃，出炉空冷。
步骤2)精加工：
将渗碳完成后的重载齿轮毛坯在680℃±10℃高温回火，空冷，随后按零件的尺寸要求进行精加工。
步骤3)淬火：
精加工后的齿轮进行分段淬火处理。淬火温度880℃±10℃保温30～35min，保温完成后以≥20℃/s的冷速冷却到450℃±5℃，450℃±5℃以下以≥10℃/s的冷速冷却至室温，淬火介质可选用氮气或淬火油。
步骤4)低温回火：
齿轮淬火完成后，利用井式回火炉或箱式回火炉，在24h内完成回火处理，回火温度200℃±5℃，回火时间240min±10min。
步骤5)深冷处理：
齿轮回火完成后，利用液氮进行深冷处理，深冷温度-150℃±10℃，时间120min±5min，深冷处理后再进行150℃±10℃低温回火处理，时间120min±5min。
深冷处理选用的深冷介质为液氮，目的是将15％～30％的块残余奥氏体转变为1～10％的薄膜状残余奥氏体+二次马氏体，使重载渗碳齿轮的渗碳层获得以马氏体为主、含1～10％的薄膜状残余奥氏体的复相组织；中间过渡区以孪晶马氏体+板条马氏体的混合组织；芯部为低碳板条马氏体或下贝氏体的梯度组织。
本发明的先进性
本发明通过优化热处理工艺控制重载渗碳齿轮表面渗碳层的微观组织，将15％～30％的残余奥氏体进一步转变为1～10％的薄膜状残余奥氏体+二次细化马氏体，使渗碳层获得以马氏体为主、含1～10％的薄膜状残余奥氏体的复相组织；中间过渡区以孪晶马氏体+板条马氏体的混合组织；芯部以低碳板条马氏体或下贝氏体的梯度组织。薄膜状残余奥氏体存在于马氏体板条之间，在重载齿轮服役过程中能够以韧性相存在，起到缓和应力，防止疲劳裂纹扩展的作用。同时，本发明增加深冷处理工艺，采用液氮作为冷却介质。液氮是工业制氧的副产品，来源广、易储存、化学稳定性高、不破坏零件、无毒无腐蚀、对齿轮零件无任何污染、经济方便，是一种绿色技术。
附图说明
图1为孪晶马氏体+薄膜状残余奥氏体组织图。
图2为孪晶马氏体+块状残余奥氏体组织图。
图3为20Cr2Ni4A钢制造的重载齿轮残余奥氏体含量曲线图。
图4为17Cr2Ni2MoVNb钢制造的重载齿轮残余奥氏体含量曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所述技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
采用热轧20Cr2Ni4A钢棒(化学成分为C:0.19～0.21％、Si:0.17～0.37％、Mn:0.30～0.60％、Cr：1.25～1.65％、Ni：3.25-3.65％、P≤0.010％、S≤0.005％)进行重载渗碳齿轮的下料→锻造→正火+回火→粗加工→调质处理→粗加工，粗加工成重载齿轮毛坯后进行如下热处理：
1)利用易普森可控气氛多用炉对重载齿轮毛坯进行气体气氛渗碳，按0.8L/h的流量将200L丙烷+20L BH-5催渗剂的混合渗碳介质通入渗碳炉进行渗碳，具体渗碳工艺参数为：强渗期，渗碳温度930℃，碳势1.10％wt，时间170min；扩散期，渗碳温度890℃，碳势0.85％wt，时间120min，渗碳完成后随炉冷却到400℃，出炉空冷。
2)将经上述步骤渗碳完成后的重载齿轮毛坯在680℃高温回火，空冷，随后按零件的尺寸要求进行精加工。
3)淬火处理：将精加工后重载齿轮在易普森可控气氛多用炉加热至880℃，保温30min，保温完成后通20#专用淬火油，以45℃/s的冷速冷却到450℃，450℃以下以25℃/s的冷速冷却至室温。
4)将淬火完成后的重载齿轮进行低温回火工艺：回火温度200℃，回火保温240min。
5)重载齿轮回火完成后，利用液氮进行深冷处理，深冷温度-150℃，时间120min，深冷处理后再进行150℃低温回火处理，时间120min。
通过上述工艺获得的重载齿轮的渗碳层深度为1.09mm，工作面的硬度为60HRC，其表面渗碳层为马氏体为主、含7％的薄膜状残余奥氏体的复相组织；中间过渡区为孪晶马氏体+板条马氏体的混合组织；芯部为低碳板条马氏体为主的梯度组织，显著提高了重载齿轮的疲劳强度、服役寿命、精度稳定性和质量一致性。
实施例2
采用热轧采用热轧17Cr2Ni2MoVNb钢棒(化学成分为C:0.16-0.20％、Si:≤0.37％、Mn:0.50-0.90％、Cr 1.50-1.80％、Ni 1.50-1.70％、Mo 0.25-0.35％、Nb 0.02-0.06％、V 0.01-0.10％、P≤0.010％、S≤0.005％)进行重载渗碳齿轮的下料→锻造→正火+回火→粗加工→调质处理→粗加工，粗加工成重载齿轮毛坯后进行如下热处理：
1)利用德国ALD真空渗碳炉对重载渗碳齿轮进行渗碳，渗碳介质为乙炔，具体渗碳工艺参数为：渗碳温度950℃，乙炔流量129L/h，强渗期分9次通入乙炔介质，其中第一次介质通入时间160s，其余8次的通入时间为45s，强渗时间90min，扩散时间50min，渗碳完成后随炉冷却到400℃，出炉空冷。
2)将经上述步骤渗碳完成后的重载齿轮毛坯在680℃高温回火，空冷，随后按零件的尺寸要求进行精加工。
3)淬火处理：将精加工后重载齿轮在德国ALD真空炉内加热至880℃，保温30min，保温完成后通氮气冷却，以40℃/s的冷速冷却到450℃，450℃以下以20℃/s的冷速冷却至室温。
4)将淬火完成后的重载齿轮进行低温回火工艺：回火温度200℃，回火保温240min。
5)重载齿轮回火完成后，利用液氮进行深冷处理，深冷温度-150℃，时间120min，深冷处理后再进行150℃低温回火处理，时间120min。
通过上述工艺获得的重载齿轮的渗碳层深度为1.12mm，工作面的硬度为61HRC，其表面渗碳层为马氏体为主、含8％的薄膜状残余奥氏体的复相组织；中间过渡区为孪晶马氏体+板条马氏体的混合组织；芯部为低碳板条马氏体为主的梯度组织，显著提高了重载齿轮的疲劳强度、服役寿命、精度稳定性和质量一致性。
实施例3
采用热轧18Cr2Ni4WA钢棒(化学成分为C:0.13～0.19％、Si:0.17～0.37％、Mn:0.30～0.60％、Cr：1.35～1.65％、Ni：4.00～4.50％、W：0.80～1.20％、P≤0.015％、S≤0.005％)进行重载渗碳齿轮的下料→锻造→正火+回火→粗加工→调质处理→粗加工，粗加工成重载齿轮毛坯后进行如下热处理：
1)利用易普森可控气氛多用炉对重载齿轮毛坯进行气体气氛渗碳，按0.75L/h的流量将200L丙烷+20L BH-5催渗剂的混合渗碳介质通入渗碳炉进行渗碳，具体渗碳工艺参数为：强渗期，渗碳温度930℃，碳势1.05％wt，时间170min；扩散期，渗碳温度880℃，碳势0.85％wt，时间120min，渗碳完成后随炉冷却到400℃，出炉空冷。
2)将经上述步骤渗碳完成后的重载齿轮毛坯在680℃高温回火，空冷，随后按零件的尺寸要求进行精加工。
3)淬火处理：将精加工后重载齿轮在易普森可控气氛多用炉加热至880℃，保温30min，保温完成后通20#专用淬火油，以40℃/s的冷速冷却到450℃，450℃以下以20℃/s的冷速冷却至室温。
4)将淬火完成后的重载齿轮进行低温回火工艺：回火温度200℃，回火保温240min。
5)重载齿轮回火完成后，利用液氮进行深冷处理，深冷温度-150℃，时间120min，深冷处理后再进行150℃低温回火处理，时间120min。
通过上述工艺获得的重载齿轮的渗碳层深度为1.05mm，工作面的硬度为61HRC，其表面渗碳层为马氏体为主、含6％的薄膜状残余奥氏体的复相组织；中间过渡区为孪晶马氏体+板条马氏体的混合组织；芯部为低碳板条马氏体为主的梯度组织，显著提高了重载齿轮的疲劳强度、服役寿命、精度稳定性和质量一致性。

Claims (3)

1.一种重载渗碳齿轮的薄膜状残余奥氏体含量控制方法，其特征在于，取热轧钢棒经粗加工成齿轮毛坯后，进行热处理；步骤及控制的技术参数如下：
步骤1)渗碳：方式为：气体渗碳工艺或低压脉冲渗碳工艺
气体渗碳工艺：采用易普森可控气氛多用炉对齿轮毛坯进行渗碳处理，按0.5-1.0L/h的流量将200L丙烷+20L BH-5直生型催渗剂的混合渗碳介质通入渗碳炉进行渗碳；强渗期：渗碳温度920℃～940℃，碳势1.00～1.10％wt，时间165min～175min；扩散期：渗碳温度880℃～900℃，碳势0.85～0.90％wt，时间115min～125min，渗碳完成后随炉冷却到395℃～405℃，出炉空冷；
低压脉冲渗碳工艺：采用ALD低压高温渗碳炉对齿轮毛坯进行渗碳处理，按128～130L/h的流量将乙炔通入渗碳炉进行渗碳，渗碳温度940℃～960℃，强渗期分九次通入乙炔介质，其中第一次介质通入时间158s～162s，其余的通入时间为43s～47s，强渗时间87min～93min，扩散时间47min～53min，渗碳完成后随炉冷却到395℃～405℃，出炉空冷；
步骤2)精加工：
将渗碳完成后的重载齿轮毛坯在670℃～690℃高温回火，空冷，随后按零件的尺寸要求进行精加工；
步骤3)淬火：
精加工后的齿轮进行分段淬火处理。淬火温度870℃～890℃保温30～35min，保温完成后以≥20℃/s的冷速冷却到445℃～455℃，445℃～455℃以下以≥10℃/s的冷速冷却至室温，淬火介质为氮气或淬火油；
步骤4)低温回火：
齿轮淬火完成后，利用井式回火炉或箱式回火炉，在24h内完成回火处理，回火温度195℃～205℃，回火时间230min～250min；
步骤5)深冷处理：
齿轮回火完成后，利用液氮进行深冷处理，深冷温度-160℃～-140℃，时间115min～125min，深冷处理后再进行145℃～155℃低温回火处理，时间115min～125min。
2.根据权利要求1所述的重载渗碳齿轮的薄膜状残余奥氏体含量控制方法，其特征在于，步骤1)中，所述热轧钢棒为20Cr2Ni4A、20CrNiMoA或17Cr2Ni2MoVNb、18Cr2Ni4WA齿轮钢。
3.根据权利要求1所述的重载渗碳齿轮的薄膜状残余奥氏体含量控制方法，其特征在于，步骤5)中，深冷处理选用的深冷介质为液氮，目的是将15％～30％的块残余奥氏体转变为1～10％的薄膜状残余奥氏体+二次马氏体，使重载渗碳齿轮的渗碳层获得以马氏体为主、含1～10％的薄膜状残余奥氏体的复相组织；中间过渡区以孪晶马氏体+板条马氏体的混合组织；芯部为低碳板条马氏体或下贝氏体的梯度组织。
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