CN88100178A - 精锻齿轮形变化学热处理复合工艺 - Google Patents

Abstract

本发明采用45钢或40Cr钢，通过热精锻一次成型，粗锻中控制有关工艺参数淬火，达到高温形变热处理目的，然后复合低温软氮化处理，一方面使齿轮表面得到扩散强化，一方面又使心部得到调质处理，复合处理使渗层明显增加，化学热处理时间明显缩短，齿轮的弯曲疲劳强度、抗接触疲劳和抗磨损能力大幅度提高，而生产周期、工艺流程和生产成本大幅度下降。

Description

本发明属于一种多种复合热处理工艺，主要用于齿轮生产的精锻成形和热处理过程。

齿轮是许多机械装备重要的基础件，使用广，用量大。目前国内外齿轮的生产和制造方法多采用低碳钢或低碳低合金结构钢通过机械加工方法成形并高温长时间渗碳处理，其生产周期长，工艺繁多复杂，生产效率低，并且齿轮生产成本高，使用寿命不尽理想。采用高温加热精锻一次成形，代替复杂的机械加工成形既可减少加工工序，实现少切削或者无切削加工，显著提高生产效率;又能保证齿轮精度高，齿面能以锻面直接使用，齿轮强度和使用寿命高于机械加工法。但是，精锻齿轮所使用的材料主要限于低碳钢或低碳合金优质钢，尤其是一些使用条件比较恶劣的齿轮更是如此。齿轮经精锻成形后，必须多次重新加热，进行长时间的高温渗碳处理以及渗碳后的淬火和低温回火等工艺。由于反复多次加热与冷却，使齿轮产生较大的变形。造成生产工艺仍为复杂，周期较长，能源消耗大，附助生产设备多。同时，由于多次高温加热，齿轮在成形过程中所产生的形变强化效果也完全被破坏和消除，材料内部潜力没有得到充分利用和挖掘，齿轮使用性能明显降低，使生产效率的大幅度提高受到严重影响，成为机械行业齿轮制造和生产中长期以来始终未能解决的技术难关。

本发明的任务是，采用价格低廉，来源广泛的中碳钢和中碳合金结构钢，利用精锻成形过程所产生的形变强化，实现与淬火处理并表面化学热处理等处理多种复合工艺。将精锻成形技术，形变热处理和表面化学复合热处理等工艺有机结合一体，实现齿轮制造工艺的最佳设计及使用性能的最佳配合。

实现上述任务的原理是齿轮经高温形变成形后，利用精锻后余热进行淬火，通过控制淬火前的高温停留时间，实现材料内部组织为理想的显微组织和位错亚结构，而这种组织和亚结构又能被淬火组织所继承，并且稳定存在，以达到高温形变热处理的目的。然后复合低温表面化学热处理，由于形变亚结构的稳定存在，为化学热处理过程中其它元素原子的扩散和渗入提供了良好的扩散通道，促进了表面化学热处理过程，缩短了化学热处理时间，使齿轮表面产生了表面强化，而心部又在化学热处理的同时进行了高温回火处理工艺，得到使用性能为强韧性配合良好的调质处理组织。实现齿轮生产通过精锻一次成形与形变的复合，形变强化与淬火相变强化的复合，形变淬火强化与表面化学热处理的复合，化学热处理与回火的复合等多种复合工艺，从而实现齿轮的成形与处理工艺溶为一体的工艺设计。

本发明的优点是齿轮生产周期大幅度缩短，工序显著减少，工艺简单，操作方便，能源损耗低，材料来源广且价格低廉，容易实现齿轮由毛坯到装车使用整个加工处理过程的机械化和一体化，同时热处理温度低，时间短，渗层深度大，齿轮变形小，经570℃×3h软氮化处理，渗层可达0.3～0.45mm，尤其是齿轮的内部组织和性能配合可以实现理想的组合，齿轮的弯曲疲劳强度、抗接触疲劳和抗磨损的能力都大幅度提高。与20CrMnTi或25MnTiBE等渗碳并淬火齿轮相比，其抗接触疲劳和抗磨损的能力相当，而其弯曲疲劳强度则可提高20%以上，生产成本可降低50%以上。

本发明的实施例是：采用中碳钢或中碳低合金钢（例如45钢或40Cr钢），经精锻成形后淬火，然后复合低温软氮化处理。工艺流程为：毛坯、加热并精锻成形、高温停留10秒～45秒（温度高于860℃）淬火、清洗、低温软氮化并回火复合处理、切边与精磨、装车。具体步骤是：毛坯经加热到1050℃～1200℃温度后，将毛坯出炉置入模中一次精锻成形。由于毛坯在压力机和模具的综合作用下，在成形的同时产生很大的塑性变形，使得成形齿轮内部产生大量晶体缺陷，所以在成形后的高温停留过程中，这些不稳定的晶体缺陷使得齿轮将发生静态回复与静态再结晶过程，通过控制停留时间为10～45秒，成形后的齿轮内部组织将充分进行回复过程而不产生静态再结晶过程，可以形成比较稳定的多边形位错组态亚结构，然后置入淬火介质中，达到高温形变热处理目的。淬火后经清洗，将齿轮重新置入含有活性碳、氮原子的介质中进行低温软氮化处理，用气体软氮化或液体软氮化，也可以采用离子软氮化。在没有专用设备条件下，可采用液体软氮化盐溶处理，将齿轮置入（NH₂）₂CO和Na₂CO₃为1∶1的盐浴中处理。由于成形后淬火前的高温停留形成了稳定的多边形位错亚结构，这种多边形亚结构为软氮化处理的碳氮原子提供了扩散通道。所以，软氮化（570±10℃）×（2-3h）而渗层深度则明显提高，可以获得0.3～0.45mm层深的表面硬化层，比一般软氮化处理增加一倍，而心部又可以得到充分回火，形成高于一般调质处理的回火组织。

经复合处理后中碳钢齿轮的各种机械性能指标为：弯曲疲劳极限≥466.5MPa;接触疲劳极限≥2000.0MPa;滑动磨损失重量≤1.36mg/8×10⁵转;表面硬度≥Hv_0.1900;硬化层深度≥0.30mm;心部基体硬度≥Hv_0.1500。对于受高载荷和工况恶劣的齿轮，复合处理后加一道表面淬火工序，可以使齿轮磨损性能和抗接触疲劳性能进一步提高。

Claims (4)

1、一种齿轮制造和处理复合工艺，齿轮经高温精锻一次成形，本发明的特征是，齿轮采用中碳钢或中碳合金结构钢，经精锻成形后，在高温停留一定时间方可置入淬火介质中淬火，淬火后并复合表面化学热处理。

2、根据权利要求1所述的工艺，其特征是，齿轮成形后淬火前的停留时间取为10秒至45秒的时间。

3、根据权利要求1或2所述的工艺，其特征是，淬火后的化学热处理是表面强化与回火的复合处理，可采用盐浴软氮化，或者气体软氮化，或者离子软氮化，软氮化温度为560～580℃，软氮化时间可选用2～3h，渗层深度可达0.3～0.45mm。

4、根据权利要求3所述的软氮化处理，其特征是，盐溶软氮化介质可采用成分比为1∶1的（NH₂）₂CO和Na₂CO₃的熔盐。