CN100391688C - 一种用于柴油机上的奥贝球铁齿轮的制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于柴油机上的奥贝(上贝)球铁齿轮的制造工艺，具体地说是将上贝氏体+残余奥氏体之奥贝(上贝)球铁制造齿轮，并应用于大功率车用柴油机上，属于机械部件技术领域。其制造方法为：铁模制造、覆膜砂造型、电炉熔炼、球化处理、浇注、退火、超声波检测、粗加工、半精加工、滚齿、等淬热处理、喷丸处理、精加工、剃齿或磨齿、打标识、成品检验、清洗、上防锈油、包装入库。本发明奥贝(上贝)球铁齿轮与钢齿轮相比可显著降低齿轮噪声，减轻齿轮重量约10%，奥贝球铁(上贝)齿轮具有良好的综合力学性能，高于调质态齿轮钢，良好的耐磨性，高于氮化钢齿轮，较高的接触疲劳强度，高于氮化钢齿轮，接近20CrMnTi渗碳钢齿轮，较高的弯曲疲劳强度。

Description

一种用于柴油机上的奥贝球铁齿轮的制造工艺

技术领域

本发明涉及一种用于柴油机上的奥贝球铁齿轮的制造工艺，具体地说是将上贝氏体+残余奥氏体之奥贝(上贝)球铁制造齿轮，并应用于大功率车用柴油机上，属于机械部件技术领域。

背景技术

奥贝球铁材料是20世纪70年代发展起来的一种新型材料，它是通过球铁材料的等温淬火热处理获得的。根据热处理等温淬火温度的不同，它又大体可分为马氏体+下贝氏体(马贝)，下贝氏体+残余奥氏体(下贝)，上贝氏体+残余奥氏体(上贝)三种类型。美国侧重于马贝的研制，芬兰等欧洲国家侧重于上贝的研制，而我国侧重于下贝的研制。奥贝球铁材料发明三十多年来，国内对其进行的基础研究应该说不少，但因多种原因，实际生产应用的不多；就是有应用，较多的也是生产一些形状简单，性能和尺寸要求不太高的产品，如磨球、衬板、锤头、采掘机斗齿、铁道上用的斜楔等抗磨件(下贝)。要求高的较少，我厂上世纪70年代研发并应用于中小功率柴油机的奥贝(下贝)球铁凸轮轴是我国奥贝球铁材料应用较成功的单位，二汽上世纪90年代根据美国康明斯B发动机要求研发并生产应用了奥贝(马贝)球铁齿轮，但因多种原因，现已停止使用。齿轮，尤其是柴油机齿轮是一个受力复杂(既有交变弯曲疲劳载荷，又有周期性冲击载荷，还要经受摩擦磨损等)，综合机械性能和可靠性要求较高的零件，所以目前国内生产的齿轮，特别是柴油机齿轮基本都是氮化钢齿轮或20CrMnTi渗碳淬火钢齿轮。奥贝球铁齿轮与钢齿轮相比其主要特点是可显著降低齿轮噪声，减轻齿轮重量(约10％)等，但奥贝球铁齿轮生产应用存在的主要技术难点是：1、如何保证获得高质量的球铁齿轮铸件。即保证球铁齿轮奥贝等淬热处理后获得较高性能所要求的化学成分，铸态组织，尤其是不能有气孔、缩松、夹杂等铸造缺陷，而齿轮是一个结构较复杂，不易铸造的零件；2、奥贝球铁齿轮的优良力学性能是通过奥贝等淬热处理获得的，如何保证奥贝等淬热处理生产稳定获得较高性能，且均匀一致的奥贝球铁齿轮有难度，既有工艺上的，也有设备上的(国内尚无正规的等温淬火热处理设备)；3、由于奥贝球铁材料加工性较差(比调质钢差)，所以奥贝球铁齿轮的加工也是一个难题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种能降低齿轮噪声，减轻齿轮重量；具有良好的综合力学性能，良好的耐磨性，较高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的用于柴油机上的奥贝(上贝)球铁齿轮的制造工艺。

本发明的主要解决方案是这样实现的：

本发明奥贝(上贝)球铁齿轮制造工艺步骤如下：

1、铁模制造：齿轮采用铁模覆砂铸造，首先根据齿轮产品图单边加余量制作铸件毛坯图，在铸件毛坯图的基础上单边加覆砂层制造铁模；

2、造型：在热芯射芯机上制作铁模覆砂砂型，采用电热管对铁模加热，加热温度：220-240℃，然后吹入覆膜砂，形成铁模覆砂砂型，覆膜砂采用酚醛树脂覆膜砂；

3、熔炼：用电炉熔炼铁水，熔炼铁水原料配方为：生铁为：50-70重量％、回炉铁为：20-40重量％、废钢为：10-20重量％，铁水熔炼到1480-1520℃出炉；球化处理，先在浇包中放入球化剂及覆盖剂，用冲入法在浇包中进行球化处理；在球化处理后的铁水中放入孕育剂进行孕育处理；处理配方为铁水：97.2～98.4重量％、稀土镁硅铁球化剂：1～1.6重量％、75硅铁覆盖剂：0.3～0.7重量％、75硅铁孕育剂：0.3～0.5重量％；

4、浇注：球化处理和孕育处理后的铁水温度应控制在：1380-1450℃，将铁水浇入上述已合箱的铁模覆砂砂型中，浇注应在8分钟内浇完，待铁水凝固并冷却至500-600℃后开箱，清理铁型，敲掉铸件披缝，用砂轮机清除浇口残根；

5、退火：退火在箱式电炉中进行，温度为：880-920℃，保温时间：2-4小时后随炉冷却至600℃以下出炉；

6、超声波检测：先对齿轮两端面进行车削加工，使两端面粗糙度达到6.3级，并使两平面保持平行，校准超声波检测仪，进行全数零件探伤，以保证齿轮铸件中无气孔、缩松；

7、粗加工：粗车齿坯，即车内孔、车外圆，车齿轮轮辐和齿轮总宽等；

8、半精加工：夹齿轮外圆、半精车端面、轮辐、镗内孔、孔口倒角；反撑内孔、靠准端面基准面车齿轮外圆、半精车齿轮另一端面和轮辐；

9、滚齿：先滚齿、倒棱、铣槽；

10、等淬热处理：用汽油清洗零件，去除零件上油污，在井式保护气氛电炉中加热奥氏体化，硝盐炉中等温淬火，加热奥氏体化温度为：880-920℃，保温1-2小时，等温淬火温度为：350-390℃，保温1-2小时，淬火后用清水洗净残盐，进行力学性能和金相组织检查，力学性能达到：抗拉强度σ_b≥1000Mpa，延伸率δ≥7％，金相组织应为：上贝氏体+10-40％残余奥氏体，硬度：26-35HRC；

11喷丸处理：齿轮热处理后再用热碱水进行中和处理，热碱水溶液酸碱度为：PH11-13，温度：100℃，在喷丸机上进行喷丸处理；

12、精加工：节径定位磨内孔、磨基准端面；靠基准端面、精车或磨另一端面、保证齿轮两平面的平行度；拉键槽。此时齿轮的加工(车、铣、钻、拉键槽及剃齿等)应采用低速、大进刀量(切削深度应大于加工硬化层深度)加工，刀具尽量采用有TiN、TiAlN等镀层刀具。

13、磨齿：剃齿或磨齿；

14、检验：打标识、成品检验、清洗、上防锈油、包装入库。

本发明与已有技术相比具有以下优点：

本发明由于通过试验确定了齿轮铸件的化学成分和铸造工艺，保证铸件有良好的球化率，无缩松、夹杂等铸造缺陷，铸件经退火成铁素体态；保证奥贝(上贝)球铁齿轮性能的关键是等淬热处理，所以我们通过试验确定了球铁齿轮的等淬热处理工艺，从而获得合格的金相组织和保证达到力学性能指标；奥贝球铁的加工性能比调质钢差，所以我们通过试验确定了球铁齿轮最合理的加工工艺路线，并通过采用镀层刀具，降低切削速度等，较好的解决了奥贝球铁齿轮加工难的问题；通过试验，成功实现在≤280马力车用柴油机上的批生产应用。本发明奥贝(上贝)球铁齿轮与钢齿轮相比可显著降低齿轮噪声，减轻齿轮重量约10％；奥贝球铁(上贝)齿轮具有良好的综合力学性能，高于调质态齿轮钢；良好的耐磨性，高于氮化钢齿轮；较高的接触疲劳强度(高于氮化钢齿轮，接近20CrMnTi渗碳钢齿轮)和弯曲疲劳强度。

附图说明

图1为本发明奥贝(上贝)球铁齿轮的工艺流程图。

图2为本发明奥贝(上贝)球铁齿轮的外形图。

具体实施方式

下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述：

实施例一：

本发明实施例中1005037AB-6DF1奥贝(上贝)球铁曲轴正时齿轮如图2照片所示：该齿轮的主要技术要求和尺寸为：模数m_n＝3，齿数Z＝42，齿形角α＝20°，齿轮内孔尺寸φ104H7(₀ ^+0.035)，粗糙度1.6，齿顶圆尺寸φ132h11(_-0.25 ⁰)，齿轮宽36±0.1，端面粗糙度3.2，有效齿宽17₀ ^+0.5，齿面粗糙度0.8。

奥贝(上贝)球铁曲轴正时齿轮的生产工艺步骤如下：

1、铁模设计制造：该齿轮采用铁模覆砂铸造，所以首先根据该齿轮产品图，单边加1.5-3.5mm余量制作铸件毛坯图，在毛坯图的基础上单边加5-25mm覆砂层设计制造铁模；球铁齿轮铸件的化学成分与金相组织指标：我们通过材料基础试验确定奥贝(上贝)球铁齿轮为非合金奥贝(上贝)球铁齿轮，即铸件的化学成分中不含Cu，Ni，Mo等合金元素，其化学成分为3.6-3.9％C，2.4-3.0％Si，≤0.3％Mn，≤0.06％P，≤0.02％S，0.03-0.05％Mg，0.01-0.03％RE，其中C、Si、Mn为主要元素，需严格控制，P、S为杂质元素，越低越好，Mg、RE为球化元素，以保证达到要求的球化率；铸件的金相组织为球化率≤3级，石墨大小≥5级，铁素体量≥85％，碳化物≤2％，磷共晶≤2％。

2、造型：在热芯射芯机上制作铁模覆砂砂型，开始生产时铁模需用电热管加热，加热温度：220-240℃，正常生产后只要利用铁模余热即可，然后吹入覆膜砂，形成铁模覆砂砂型，覆膜砂采用的是酚醛树脂覆膜砂。

3、熔炼：用电炉熔炼铁水，熔炼铁水原料配方为50重量％的生铁、35重量％回炉铁、15重量％的废钢，铁水熔炼到1480-1520℃出炉；用冲入法在浇包中进行球化处理，球化处理时在浇包铁水98.4重量％中放入1重量％的稀土镁硅铁中间合金球化剂及0.3重量％的75硅铁覆盖剂，随后放入孕育剂进行孕育处理，孕育剂配方为0.3重量％的75硅铁，处理后的化学成分必须符合上述化学成分指标要求。

4、浇注：球化处理和孕育处理后的铁水温度应控制在1380-1450℃，将铁水浇入上述已合箱的铁模覆砂砂型中，浇注应在8分钟内浇完，待铁水凝固并冷却至500-600℃后开箱，清理铁型，敲掉铸件披缝，用砂轮机清除浇口残根。

5、退火：退火在75kw箱式电炉中进行，退火温度：880-920℃，保温：2-3小时后随炉冷至600℃以下出炉，退火处理后铸件的金相组织为球化率≤3级，石墨大小≥6级，石墨球数≥120个/mm²，铁素体量≥90％，碳化物+磷共晶≤3％，其余为珠光体，Y试块(δ＝25mm)机械性能：抗拉强度σ_b≥400Mpa，延伸率δ≥15％，硬度170-200HB。

6、超声波检测：先对齿轮两端面进行车削加工，使两端面粗糙度达到6.3级，并使两平面保持平行，校准超声波检测仪，按《奥贝球铁齿轮超声波探伤操作规程》要求进行全数零件探伤，不合格的给予报废处理，以保证齿轮铸件中无气孔、缩松等铸造质量问题，机加工后齿轮因铸造缺陷造成的废品率≤2％，检验合格铸件打上铸件标识，入库待加工。

7、粗加工：按粗车图粗车齿坯，内孔车到φ102±0.2，外圆车到φ133±0.2，齿轮总宽车到37₀ ^+0.5，有效齿宽19₀ ^+0.5，粗糙度12.5。

8、半精加工：夹齿轮外圆，光小端面，扩内孔至φ104.5₀ ^+0.1，深7.1，精镗内孔至φ103.3₀ ^+0.03，孔口倒角1.1×45°，保证端面跳动小于0.04，精车答子外圆至φ117_-0.35 ⁰，长3₀ ^+0.1，精车锥面，保证尺寸φ123，两锥面夹角为31.4°，答子倒角1.2×45°；反撑内孔，靠准平面，车齿轮外圆至φ132_-0.25 ⁰，精车齿轮宽到36.3₀ ^+0.1，保证端面跳动小于0.05，倒外圆角1.2×45°，内孔角1.5×45°。

9、滚齿：按m＝3，z＝42，Fr＝0.03，Fw＝0.025，w＝41.86-41.89进行滚齿，然后倒棱，铣槽，槽宽5_+0.07 ^+0.10，深6.6₀ ^+0.1，并保证定位齿与键槽中心夹角为40°±15′，键槽对内孔中心的对称度小于0.025；按产品规程进行热处理前检验。

10、等淬热处理：用汽油清洗零件，去除零件上油污，用专用夹具装架，在井式保护气氛电炉中加热奥氏体化，硝盐炉中等温淬火，其热处理温度为：880-920℃保温：1-1.5小时奥氏体化，370-390℃保温：1-1.5小时等温淬火，淬火后用清水洗净残盐，用随炉试样进行力学性能和金相组织检查，力学性能应达到：抗拉强度σ_b≥1000Mpa，延伸率δ≥7％，金相组织应为：上贝氏体+10-40％残余奥氏体，硬度26-35HRC。

11、喷丸处理：齿轮热处理后再用热碱水进行中和处理，保证清洗干净残盐，热碱水溶液酸碱度为：PH11-13，温度：100℃；在喷丸机上进行喷丸处理，从而起到清除零件表面热处理氧化皮和提高齿轮弯曲疲劳性能的作用。

12、精加工：节径定位磨内孔到φ104₀ ^+0.035，磨出小端面，保证齿轮总宽36₀ ^+0.2，并保证端面跳动小于0.02；靠准小端面，磨大端面，保证齿轮总宽36±0.1，两平面的平行度小于0.03。

13、磨齿：按m＝3，z＝42，Fr＝0.05，Fw＝0.036，w＝41.48-41.51，F_f＝0.013，F_β＝0.011进行磨齿，按产品检验规程进行出车间检验，打标识，成品检验，清洗、上防锈油、包装入库。

实施例二：

本发明实施例中1006041AB-6DF1奥贝(上贝)球铁齿轮的主要技术要求和尺寸为：模数m_n＝3，齿数Z＝52，齿形角α＝20°，齿轮内孔尺寸φ68₀ ^+0.030，粗糙度1.6，齿顶圆尺寸φ162_-0.250 ⁰，齿轮宽17±0.2，端面粗糙度3.2，齿面粗糙度0.8。电炉熔炼铁水：熔炼铁水原料配方为70重量％的生铁、20重量％回炉铁、10重量％的废钢，铁水熔炼到1480-1520℃出炉，用冲入法在浇包中进行球化处理，球化处理时在浇包铁水97.2重量％中放入1.6重量％的稀土镁硅铁中间合金球化剂及0.7重量％的75硅铁覆盖剂，随后放入孕育剂进行孕育处理，孕育剂配方为0.5重量％75硅铁，处理后的化学成分必须符合上述化学成分指标要求。球化处理和孕育处理后的铁水温度应控制在1380-1450℃；铁水凝固并冷却至500-600℃后开箱；退火温度：880-920℃，保温：3-4小时后随炉冷至600℃以下出炉；等淬热处理温度为：880-920℃保温1.5-2小时奥氏体化，350-370℃保温1.5-2小时等温淬火。本发明实施例中采用上述熔炼铁水原料配方及工艺条件，并基本采用实施例一中的工艺步骤及工艺参数，仅在粗加工和半精加工中增加了轮辐的车削加工及半精加工中增加了轮辐上孔的钻削加工，制造的奥贝(上贝)球铁齿轮同样达到上述技术指标。

实施例三：

本发明实施例中1006042AB-6DF1奥贝(上贝)球铁齿轮的主要技术要求和尺寸为：模数m_n＝3，齿数Z＝26，齿形角α＝20°，齿轮内孔尺寸φ52H7(₀ ^+0.030)，粗糙度1.6，齿顶圆尺寸φ84h11(_-0.22 ⁰)，齿轮宽46d9(_-0 142 ^-0.080)，端面粗糙度1.6，齿宽25.5±0.1，齿面粗糙度0.8。电炉熔炼铁水：熔炼铁水原料配方为60重量％的生铁、30重量％回炉铁、10重量％的废钢，铁水熔炼到1480-1520℃出炉，用冲入法在浇包中进行球化处理，球化处理时在浇包铁水97.7重量％中放入1.3重量％的稀土镁硅铁中间合金球化剂及0.6％重量的75硅铁覆盖剂，随后放入孕育剂进行孕育处理，孕育剂配方为0.4重量％75硅铁。球化处理和孕育处理后的铁水温度应控制在1380-1450℃；铁水凝固并冷却至500-600℃后开箱；退火温度：880-920℃，保温：2-3小时后随炉冷至600℃以下出炉；等淬热处理温度为：880-920℃保温1.2-1.7小时奥氏体化，360-380℃保温1.2-1.7小时等温淬火。本发明实施例中采用上述熔炼铁水原料配方及工艺条件，并采用实施例一中的工艺步骤及工艺参数制造的奥贝(上贝)球铁齿轮同样达到上述技术指标。

奥贝(上贝)球铁齿轮经柴油机台架1000小时可靠性耐久试验和小批量用户道路运行跟踪试验通过后，成功实现在≤280马力车用柴油机上的批生产应用。

本发明中采用的原材料均为市场所购，设备采用常规设备。

Claims (6)

1.一种用于柴油机上的奥贝球铁齿轮的制造工艺，其特征是奥贝球铁齿轮制造工艺步骤如下：

(1)、铁模制造：齿轮采用铁模覆砂铸造，首先根据齿轮产品图单边加余量制作铸件毛坯图，在铸件毛坯图的基础上单边加覆砂层制造铁模；

(2)、造型：在热芯射芯机上制作铁模覆砂砂型，采用电热管对铁模加热，加热温度：220-240℃，然后吹入覆膜砂，形成铁模覆砂砂型；

(3)、熔炼：用电炉熔炼铁水，熔炼铁水原料配方为：生铁50-70重量％、回炉铁20-40重量％、废钢10-20重量％，铁水熔炼温度：1480-1520℃出炉；球化处理，先在浇包中放入球化剂及覆盖剂，用冲入法在浇包中进行球化处理；在球化处理后的铁水中放入孕育剂进行孕育处理；处理配方为铁水：97.2～98.4重量％、球化剂：1～1.6重量％、覆盖剂：0.3～0.7重量％、孕育剂：0.3～0.5重量％；

(4)、浇注：球化处理和孕育处理后的铁水温度应控制在：1380-1450℃，将铁水浇入已合箱的上述铁模覆砂砂型中，浇注应在8分钟内浇完，待铁水凝固并冷却至500-600℃后开箱，清理铁型，敲掉铸件披缝，用砂轮机清除浇口残根；

(5)、退火：退火在箱式电炉中进行，温度为：880-920℃，保温时间：2-4小时后随炉冷却至600℃以下出炉；

(6)、超声波检测：先对齿轮两端面进行车削加工，使两端面粗糙度达到6.3级，并使两平面保持平行，校准超声波检测仪，进行全数零件探伤，以保证齿轮铸件中无气孔、缩松；

(7)、粗加工：粗车齿坯，即车内孔、车外圆，车齿轮总宽；

(8)、半精加工：夹齿轮外圆、半精车端面、轮辐、镗内孔、孔口倒角；反撑内孔、靠准端面基准面车齿轮外圆、半精车齿轮另一端面和轮辐；

(9)、滚齿：先滚齿、后倒棱、铣槽；

(10)、等淬热处理：用汽油清洗零件，去除零件上油污，在井式保护气氛电炉中加热奥氏体化，硝盐炉中等温淬火，加热奥氏体化温度为：880-920℃，保温：1-2小时，等温淬火温度为：350-390℃，保温：1-2小时，淬火后用清水洗净残盐，硬度：26-35HRC；

(11)、喷丸处理：齿轮热处理后再用热碱水进行中和处理，在喷丸机上进行喷丸处理；

(12)、精加工：节径定位磨内孔、磨出基准端面，端面跳动小于0.02；靠准基准端面、磨另一端面、保证齿轮两平面的平行度小于0.03；

(13)、磨齿：剃齿或磨齿；

(14)、检验：打标识、成品检验、清洗、上防锈油、包装入库。

2.根据权利要求1所述的一种用于柴油机上的奥贝球铁齿轮的制造工艺，其特征在于所述的覆膜砂采用酚醛树脂覆膜砂。

3.根据权利要求1所述的一种用于柴油机上的奥贝球铁齿轮的制造工艺，其特征在于所述的热碱水溶液酸碱度为：PH11-13，温度为：100℃。

4.根据权利要求1所述的一种用于柴油机上的奥贝球铁齿轮的制造工艺，其特征在于所述的球化剂为稀土镁硅铁中间合金球化剂。

5.根据权利要求1所述的一种用于柴油机上的奥贝球铁齿轮的制造工艺，其特征在于所述的覆盖剂为75硅铁覆盖剂。

6.根据权利要求1所述的一种用于柴油机上的奥贝球铁齿轮的制造工艺，其特征在于所述的孕育剂为75硅铁。