大直徑高碳鋼齒輪、齒套加工工藝的制作方法
【專(zhuān)利摘要】大直徑高碳鋼齒輪、齒套加工工藝其按照以下工藝路線(xiàn)：第一步、下料；第二步、鍛坯組分均勻化處理；第三步、機(jī)加工；第四步、滲碳；第五步、壓床淬火；第六步、回火；第七步、車(chē)內(nèi)孔；第八步、齒輪配對(duì)；第九步、拋丸；第十步、磷化；第十一步、入庫(kù)。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)控制高碳鋼在奧氏體化的組織狀態(tài)、奧氏體化后的冷卻速度、中溫等溫溫度和等溫時(shí)間，獲得由含過(guò)飽和碳的單相鐵素體構(gòu)成的板條狀貝氏體與細(xì)小均勻分布的顆粒狀碳化物組成的組織，以改善高碳鋼的韌性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】大直徑高碳鋼齒輪、齒套加工工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)械制造領(lǐng)域，具體是一種大直徑高碳鋼齒輪、齒套加工工藝。

【背景技術(shù)】
[0002] 工件在熱處理時(shí)，特別是淬火過(guò)程中，因其截面各部分加熱和冷卻速度不一致而 存在溫差，加上組織轉(zhuǎn)變的不等時(shí)性等原因，使得工件截面上各部分的體積脹縮不均勻，以 及彈塑性畸變不一致，從而導(dǎo)致熱處理應(yīng)力的產(chǎn)生。熱處理應(yīng)力的大小、狀態(tài)及其分布直接 影響到熱處理質(zhì)量。例如，較高的淬火應(yīng)力一旦超過(guò)鋼的屈服強(qiáng)度和脆斷強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)引起 工件的畸變，甚至開(kāi)裂。熱處理應(yīng)力的產(chǎn)生原因比較復(fù)雜，影響因素也較多。如鋼的化學(xué)成 分、原始組織、工件形狀、尺寸大小及熱處理操作方法等都可能使工件在熱處理過(guò)程中產(chǎn)生 畸變，甚至開(kāi)裂。
[0003] 目前,多數(shù)齒輪或齒套都是采用滲碳直接淬火或滲碳后二次加熱淬火，由于滲碳 溫度較高，經(jīng)滲碳淬火后，齒輪畸變較大。且經(jīng)檢驗(yàn)，齒輪畸變合格率僅為60%左右，而且有 部分表面有脫碳情況。
[0004] 傳統(tǒng)上認(rèn)為，鋼中碳含量過(guò)高，碳化物易于網(wǎng)狀析出，而致材料脆性大，因而高碳 鋼在工程上很少應(yīng)用。隨著材料加工技術(shù)的發(fā)展，高碳鋼的研究獲得突破性進(jìn)展。目前國(guó) 內(nèi)外一般采用熱機(jī)械變形或多重?zé)崽幚砑夹g(shù)控制高碳鋼的碳化物形成狀態(tài)，以改善鋼的脆 性。但前者帶來(lái)環(huán)境噪音污染，而后者具有高能耗，均不利于工業(yè)化應(yīng)用。
[0005] 若采用中溫等溫?zé)崽幚砉に嚕纬捎珊^(guò)飽和碳的單相鐵素體構(gòu)成的板條狀貝氏 體加細(xì)小均勻分布的顆粒狀碳化物組織，即控制碳原子主要以固溶形式存在于貝氏體鐵素 體中，以有效地克服碳化物以大塊或結(jié)網(wǎng)狀的析出，進(jìn)而改善材料的韌性。這不僅使得高碳 鋼的應(yīng)用潛質(zhì)得以彰顯，而且得以發(fā)展出一種新型的高碳鋼加工工藝。高碳鋼有著較為廣 泛的工程應(yīng)用前景，控制中溫等溫?zé)崽幚砉に嚕@得由含過(guò)飽和碳的單相鐵素體構(gòu)成的板 條狀貝氏體加細(xì)小均勻分布的顆粒狀碳化物組織的研究有著強(qiáng)烈工程應(yīng)用背景。然而使高 碳鋼具有由含過(guò)飽和碳的單相鐵素體構(gòu)成的板條狀貝氏體加細(xì)小均勻分布的顆粒狀碳化 物組織是較困難的。關(guān)鍵的問(wèn)題是如何選擇適宜的熱處理?xiàng)l件，如奧氏體化溫度、奧氏體化 后的冷卻速度、中溫等溫溫度及等溫時(shí)間等控制組織形成條件的協(xié)調(diào)組合。目前，關(guān)于高碳 鋼通過(guò)中溫等溫?zé)崽幚砉に嚝@得由含過(guò)飽和碳的單相鐵素體構(gòu)成的板條狀貝氏體加細(xì)小 均勻分布的顆粒狀碳化物組成的組織的研究工作國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道。
[0006] 申請(qǐng)?zhí)?01210392812. 6公開(kāi)了一種中高碳鋼的熱處理方法，以鋼為主要原料，根 據(jù)以上組分配比，進(jìn)行合金化；退火處理；奧氏體化處理；再在260°C的溫度下進(jìn)行等溫淬 火或者不完全淬火，保溫400s ;再進(jìn)行滲納米氧化鋁；最后取出鋼材工件，冷卻到室溫。此 方法步驟比較復(fù)雜，成本要求較高。
[0007] 中國(guó)專(zhuān)利號(hào)02150879. 8,
【公開(kāi)日】2003年05月14日，公開(kāi)了一份名稱(chēng)為高強(qiáng)度 超高碳鋼及其生產(chǎn)工藝的專(zhuān)利文件，該高強(qiáng)度超高碳鋼及其生產(chǎn)工藝，其合金成分為（重量 百分比）：C :1. 0 ?2. 0%、Cr :0· 5 ?2. 0%、Mn :0· 2 ?0· 8%、Si 和 Al 中的一種、余 Fe ;生 產(chǎn)工藝包括選取合適的添加元素，用噴射成形工藝獲得坯料；然后進(jìn)行大變形量(壓下量 達(dá)50%?70%)熱軋，空冷后所得材料無(wú)須調(diào)質(zhì)處理，即可達(dá)到IOOOMPa左右的屈服強(qiáng)度與 1300MPa左右的抗張強(qiáng)度，并有8?11%延伸率的塑性。噴射成形坯料由于形成均勻細(xì)小 的組織而具有優(yōu)異的高溫變形能力。由此可施行大變形量的熱軋，使組織充分致密并且更 為均勻細(xì)化，從而獲得高強(qiáng)度超高碳鋼材料。該方法簡(jiǎn)單高效，降低能源消耗與生產(chǎn)成本， 便于實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。
[0008] 上述專(zhuān)利表明了超高碳鋼的組分含量和生產(chǎn)工藝，但是沒(méi)有給出其熱處理方式。 它的處理工藝與傳統(tǒng)高碳鋼不同，該鋼在奧氏體化加熱時(shí)需形變處理以獲得較多的位錯(cuò)亞 結(jié)構(gòu)，完全奧氏體化淬火后經(jīng)高溫回火獲得彌散球狀滲碳體和鐵素體基體。由于有大量的 超細(xì)碳化物，在二次加熱過(guò)程中碳化物將阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，獲得超細(xì)奧氏體晶粒。細(xì) 小的奧氏體晶粒在不同的冷卻條件下可獲得所需的超細(xì)基體組織，如空冷可獲得超細(xì)珠光 體，淬火可獲得超細(xì)馬氏體。但是傳統(tǒng)的淬火方法獲得的馬氏體存在的耐磨性不足、存在疲 勞性差的問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述存在問(wèn)題提供一種克服大直徑高碳鋼齒輪、齒套碳化 物大塊或網(wǎng)狀析出的熱處理工藝，該工藝可以克服碳化物以大塊或結(jié)網(wǎng)狀析出，使材料獲 得由含過(guò)飽和碳的單相鐵素體構(gòu)成、金相上呈現(xiàn)板條狀的貝氏體組織與細(xì)小均勻分布的顆 粒狀碳化物組成的組織，從而改善材料的韌性性能。
[0010] 本發(fā)明大直徑高碳鋼齒輪、齒套熱處理工藝的技術(shù)方案是： 大直徑高碳鋼齒輪、齒套加工工藝，其按照以下工藝路線(xiàn)： 第一步、下料； 第二步、鍛坯組分均勻化處理； 第三步、機(jī)加工； 第四步、滲碳； 第五步、壓床淬火； 第六步、回火； 第七步、車(chē)內(nèi)孔； 第八步、齒輪配對(duì)； 第九步、拋丸； 第十步、磷化； 第H^一步、入庫(kù)。
[0011] 所述鍛坯組分均勻化處理：升溫至850-1000°C并在該溫度下等溫勻化退火處理， 處理時(shí)間為3小時(shí)； 高溫奧氏體化處理：將上述組分均勻化處理后的大直徑高碳鋼齒輪、齒套在 900-950°C溫度下進(jìn)行等溫處理，處理時(shí)間為20分鐘； 高溫奧氏體化后冷卻處理：將高溫奧氏體化處理后的大直徑高碳鋼齒輪、齒套的溫度 從 860-920°C冷卻到 200-270°C，冷卻速度為 25-35°C/s; 中溫等溫處理：將上述后冷卻處理后的高碳鋼在200-280°C溫下進(jìn)行中溫等溫處理， 等溫處理時(shí)間為2-60分鐘，使該高碳鋼等溫獲得由含過(guò)飽和碳的單相鐵素體構(gòu)成的板條 狀貝氏體和細(xì)小均勻分布的顆粒狀碳化物組成的組織，等溫處理后水冷至室溫即可。
[0012] 所述第四步滲碳工藝為：預(yù)熱（470°C?490°C) X3h-加熱900°C X3.5h-滲碳 930°C X 17. 5h，碳勢(shì) L 1% -降溫 860°C X3h，碳勢(shì)(λ 8%。
[0013] 所述壓床淬火時(shí)，脹塊壓強(qiáng):Γ3. 5MPa ;采用脈動(dòng)施壓，頻率20次/min,內(nèi)、外壓環(huán) 壓強(qiáng)5~5. 5Mpa ;壓床淬火時(shí)間為5min。
[0014] 所述正火及回火采用利用組合料架水平單獨(dú)擺放在加熱爐內(nèi)。
[0015] 滲碳采用可控氣氛多用爐。
[0016] 所述淬火油采用好富頓快速冷卻K油，淬火油流量三級(jí)開(kāi)關(guān)全部打開(kāi)。
[0017] 本發(fā)明大直徑高碳鋼齒輪、齒套熱處理工藝具有以下的有益效果： 該熱處理工藝過(guò)程為：先對(duì)鑄態(tài)材料進(jìn)行成分均勻化退火，之后對(duì)材料高溫奧氏體化， 然后進(jìn)行冷卻，冷卻至中溫等溫溫度區(qū)間，再在該溫度區(qū)間等溫，以獲得由含過(guò)飽和碳的單 相鐵素體構(gòu)成的板條狀貝氏體和細(xì)小均勻分布的顆粒狀碳化物組成的組織。
[0018] 通過(guò)控制高碳鋼在奧氏體化的組織狀態(tài)、奧氏體化后的冷卻速度、中溫等溫溫度 和等溫時(shí)間，獲得由含過(guò)飽和碳的單相鐵素體構(gòu)成的板條狀貝氏體與細(xì)小均勻分布的顆粒 狀碳化物組成的組織，以改善高碳鋼的韌性。
[0019] 壓床淬火是一種能夠限制齒輪畸變方向、公差固定的夾具上淬火的一種特殊工 藝，它能夠使齒輪的脹縮量和畸變量最小。對(duì)薄壁大盤(pán)形錐齒輪及汽車(chē)同步器齒套之類(lèi)的 齒輪，采用壓床淬火可以將生產(chǎn)過(guò)程中的材料、機(jī)械加工及熱處理生產(chǎn)中存在的各種潛在 畸變因素在壓強(qiáng)作用下，去除或減小其影響。
[0020] 本發(fā)明大直徑齒輪、齒套加工工藝，使受加工齒輪或齒套畸變控制在合格范圍內(nèi)， 且基本消除表面脫碳問(wèn)題。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明一種高碳鋼制錐齒輪的熱處理工藝作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō) 明。
[0022] 實(shí)施例一、載貨汽車(chē)單級(jí)減速器大直徑盤(pán)形弧齒錐齒輪，齒數(shù)36,模數(shù)13mm，材料 為SAE8822H鋼。技術(shù)要求滲碳淬火有效硬化層深度I. 778~2. 285mm，表面與心部硬度分別 為57飛5HRC和3(T45HRC ;金相組織馬氏體、殘留奧氏體和碳化物為1飛級(jí)，表面非馬氏體 組織層深=〇.〇25mm ;畸變要求：內(nèi)孔圓度誤差=0. 15mm，外緣平面度誤差=0. 10mm，內(nèi)緣 平面度誤差蘭〇· 20mm。
[0023] 其按照以下工藝路線(xiàn)： 下料； 第二步、鍛坯組分均勻化處理； 第三步、機(jī)加工； 第四步、滲碳； 第五步、壓床淬火； 第六步、回火； 第七步、車(chē)內(nèi)孔； 第八步、齒輪配對(duì)； 第九步、拋丸； 第十步、磷化； 第H^一步、入庫(kù)。
[0024] 所述鍛坯組分均勻化處理：升溫至850并在該溫度下等溫勻化退火處理，處理時(shí) 間為3小時(shí)； 高溫奧氏體化處理：將上述組分均勻化處理后的大直徑高碳鋼齒輪、齒套在900°C溫 度下進(jìn)行等溫處理，處理時(shí)間為20分鐘； 高溫奧氏體化后冷卻處理：將高溫奧氏體化處理后的大直徑高碳鋼齒輪、齒套的溫度 從860°C冷卻到200°C，冷卻速度為25-35°C/s; 中溫等溫處理：將上述后冷卻處理后的大直徑高碳鋼齒輪、齒套在200-280°C溫下進(jìn) 行中溫等溫處理，等溫處理時(shí)間為2-60分鐘，使該大直徑高碳鋼齒輪、齒套等溫獲得由含 過(guò)飽和碳的單相鐵素體構(gòu)成的板條狀貝氏體和細(xì)小均勻分布的顆粒狀碳化物組成的組織， 等溫處理后水冷至室溫即可。
[0025] 所述第四步滲碳工藝為：預(yù)熱470 °C 3h -加熱900 °C X 3. 5h -滲碳 930°C X 17. 5h，碳勢(shì) L 1% -降溫 860°C X3h，碳勢(shì)(λ 8%。
[0026] 所述壓床淬火時(shí)，脹塊壓強(qiáng):Γ3. 5MPa ;采用脈動(dòng)施壓，頻率20次/min,內(nèi)、外壓環(huán) 壓強(qiáng)5~5. 5Mpa ;壓床淬火時(shí)間為5min。
[0027] 所述正火及回火采用利用組合料架水平單獨(dú)擺放在加熱爐內(nèi)。
[0028] 滲碳采用可控氣氛多用爐。
[0029] 所述淬火油采用好富頓快速冷卻K油，淬火油流量三級(jí)開(kāi)關(guān)全部打開(kāi)。
[0030] 采用本發(fā)明工藝后，齒輪畸變控制在合格范圍內(nèi)，基本消除表面脫碳問(wèn)題。
[0031] 實(shí)施例二：重型載貨汽車(chē)變速器中同步器接合齒套，材料為20CrH鋼，滲碳淬火有 效硬化層深度為0. 7~1.5mm，表面硬度3 59HRC，碳化物=1級(jí)，殘留奧氏體=15% (體積分 數(shù)），內(nèi)孔圓度誤差蘭〇· l〇mm，內(nèi)孔錐度誤差蘭〇· 05mm。
[0032] 其按照以下工藝路線(xiàn)： 下料； 第二步、鍛坯組分均勻化處理； 第三步、機(jī)加工； 第四步、滲碳； 第五步、壓床淬火； 第六步、回火； 第七步、車(chē)內(nèi)孔； 第八步、齒輪配對(duì)； 第九步、拋丸； 第十步、磷化； 第H^一步、入庫(kù)。
[0033] 所述鍛坯組分均勻化處理：升溫至900°C并在該溫度下等溫勻化退火處理，處理 時(shí)間為3小時(shí)；高溫奧氏體化處理：將上述組分均勻化處理后的大直徑高碳鋼齒輪、齒套在 900°C溫度下進(jìn)行等溫處理，處理時(shí)間為20分鐘；高溫奧氏體化后冷卻處理：將高溫奧氏 體化處理后的大直徑高碳鋼齒輪、齒套的溫度從860-920°C冷卻到200-270°C，冷卻速度 為25-35°C/s;中溫等溫處理：將上述后冷卻處理后的高碳鋼在200-280°C溫下進(jìn)行中溫 等溫處理，等溫處理時(shí)間為2-60分鐘，使該高碳鋼等溫獲得由含過(guò)飽和碳的單相鐵素體構(gòu) 成的板條狀貝氏體和細(xì)小均勻分布的顆粒狀碳化物組成的組織，等溫處理后水冷至室溫即 可。
[0034] 所述第四步滲碳工藝為：預(yù)熱480°C X 3h -加熱900 °C X 3. 5h -滲碳 930°C X 17. 5h，碳勢(shì) L 1% -降溫 860°C X3h，碳勢(shì)(λ 8%。
[0035] 所述壓床淬火時(shí)，脹塊壓強(qiáng):Γ3. 5MPa ;采用脈動(dòng)施壓，頻率20次/min,內(nèi)、外壓環(huán) 壓強(qiáng)5~5. 5Mpa ;壓床淬火時(shí)間為5min。
[0036] 所述正火及回火采用利用組合料架水平單獨(dú)擺放在加熱爐內(nèi)。
[0037] 滲碳采用可控氣氛多用爐。
[0038] 所述淬火油采用好富頓快速冷卻K油，淬火油流量三級(jí)開(kāi)關(guān)全部打開(kāi)。
[0039] 采用本發(fā)明工藝后，齒輪畸變控制在合格范圍內(nèi)，基本消除表面脫碳問(wèn)題。
[0040] 滲碳采用可控氣氛多用爐。小批試驗(yàn)100件，其有效硬化層深度及金相指標(biāo)均合 格，內(nèi)孔圓度誤差為0. 05~0. 17_，內(nèi)孔錐度為0. 02~0. 07_，內(nèi)孔圓度及錐度畸變超差統(tǒng) 計(jì)見(jiàn)表1。

【權(quán)利要求】
1. 大直徑高碳鋼齒輪、齒套加工工藝，其按照以下工藝路線(xiàn)： 第一步、下料； 第二步、鍛坯組分均勻化處理； 第三步、機(jī)加工； 第四步、滲碳； 第五步、壓床淬火； 第六步、回火； 第七步、車(chē)內(nèi)孔； 第八步、齒輪配對(duì)； 第九步、拋丸； 第十步、磷化； 第十一步、入庫(kù)； 其特征在于，所述鍛坯組分均勻化處理：升溫至850-100(TC并在該溫度下等溫勻化 退火處理，處理時(shí)間為3小時(shí)；高溫奧氏體化處理：將上述組分均勻化處理后的大直徑高 碳鋼齒輪、齒套在900-950°C溫度下進(jìn)行等溫處理，處理時(shí)間為20分鐘；高溫奧氏體化后 冷卻處理：將高溫奧氏體化處理后的大直徑高碳鋼齒輪、齒套的溫度從860-920°C冷卻 到200-270°C，冷卻速度為25-35°C/s;中溫等溫處理：將上述后冷卻處理后的高碳鋼在 200-28(TC溫下進(jìn)行中溫等溫處理，等溫處理時(shí)間為2-60分鐘，使該高碳鋼等溫獲得由含 過(guò)飽和碳的單相鐵素體構(gòu)成的板條狀貝氏體和細(xì)小均勻分布的顆粒狀碳化物組成的組織， 等溫處理后水冷至室溫即可。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大直徑高碳鋼齒輪、齒套加工工藝，其特征在于，所述第四步 滲碳工藝為：預(yù)熱（470°C?490°C)X3h-加熱900°C X3.5h-滲碳930°C X17.5h，碳勢(shì) 1. 1% -降溫 860°C X 3h，碳勢(shì) 0? 8%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大直徑高碳鋼齒輪、齒套加工工藝，其特征在于所述壓床淬 火時(shí)，脹塊壓強(qiáng):T3. 5MPa ;采用脈動(dòng)施壓，頻率20次/min,內(nèi)、外壓環(huán)壓強(qiáng)5~5. 5Mpa ;壓床 淬火時(shí)間為5min。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大直徑高碳鋼齒輪、齒套加工工藝，其特征在于所述正火及 回火采用利用組合料架水平單獨(dú)擺放在加熱爐內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大直徑高碳鋼齒輪、齒套加工工藝，其特征在于滲碳采用可 控氣氛多用爐。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大直徑高碳鋼齒輪、齒套加工工藝，其特征在于所述淬火油 采用好富頓快速冷卻K油，淬火油流量三級(jí)開(kāi)關(guān)全部打開(kāi)。
【文檔編號(hào)】C21D1/26GK104388950SQ201410580314
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】錢(qián)國(guó)東 申請(qǐng)人:無(wú)錫樂(lè)華自動(dòng)化科技有限公司