CN102162069A - 一种飞剪主传动大齿轮钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞剪主传动大齿轮钢及其制造方法，包含元素的质量百分比为：C 0.10～0.20％；Cr 2.00～3.00％；Ni 2.50～3.50％；Mo 0.4～1.00％；Si 0.10～0.40％；Mn 0.40～1.00％；Cu≤0.25％；Al≤0.1％；P≤0.020％；S≤0.015％；O≤30ppm；N≤100ppm；H≤2ppm；制造步骤为1)按质量百分配比进行冶炼，得到锻坯；2)锻造；3)正火热处理；4)滚齿；5)表面渗碳淬火热处理；6)磨齿加工。本发明提高了大齿轮的承载能力和可靠性，满足高碳、高合金钢种及规格提高的生产需要，因而具备良好的推广及应用前景。

Description

一种飞剪主传动大齿轮钢及其制造方法

技术领域

本发明属于条钢、热轧等区域的轧制机械技术，涉及齿轮的制造工艺，尤其涉及一种飞剪主传动大齿轮钢及其制造方法。

背景技术

在条钢、热轧等区域，飞剪是对钢坯进行切头、切尾或分段剪切的重要设备，飞剪主传动机构是传递扭矩、实现剪刃运动和剪切功能的关键部件，而大齿轮则是飞剪主传动机构的核心，除了要满足重载、耐冲击、耐磨损、抗接触疲劳和抗弯曲疲劳之外，对传动的精度和稳定性也有严格的要求。

目前普遍采用的启停式四连杆曲柄飞剪传动机构，2台电机分别通过联轴器带动2个小齿轮，2个小齿轮共同带动一个下曲轴大齿轮，下曲轴大齿轮通过直接啮合方式带动上曲轴大齿轮。

随着产品品种和规格的不断扩展，高碳、高合金钢种比例逐渐增多，飞剪长期承受高温、重载、冲击等恶劣工况条件，主传动大齿轮是飞剪的最薄弱环节，易产生大齿轮辐板开裂、齿面点蚀和磨损等失效，不仅影响传动能力，也给生产安全带来极大隐患。

在现有技术中，齿轮齿面有软齿面、中硬齿面、硬齿面几种类型。软齿面齿轮一般采用40Cr、35CrMo、42CrMo等中碳低合金调质钢材料，热处理工艺采用正火或正火+调质处理，齿轮采用滚齿加工工艺，由于软齿面齿轮无法保证齿轮的耐磨性和抗冲击性能，使用寿命较短，已被中硬齿面、硬齿面齿轮替代。中硬齿面齿轮一般采用30CrNi₃Mo、37CrNi₂Mo、34Cr₂Ni₄Mo等中碳镍铬钼表面淬火钢材料，热处理工艺采用正火+感应淬火或火焰淬火+低温回火处理，齿轮采用正火后滚齿、感应淬火或火焰淬火+低温回火后磨齿的加工工艺。硬齿面齿轮广泛采用20CrMnTi、20CrMnMo、20CrNi₂Mo、15CrNi₃Mo、12CrNi₃Mo和12Cr₂Ni₄等低碳表面硬化钢材料，热处理工艺采用正火+渗碳淬火+低温回火处理，齿轮采用正火后滚齿、渗碳淬火+低温回火后磨齿的加工工艺。

直径超过2米的飞剪大齿轮一般采用辐板焊接式结构，大齿轮由轮毂、辐板和齿圈组焊而成，齿圈通常采用环形锻件加工出轮齿。辐板焊接式中硬齿面、硬齿面大齿轮存在以下技术难题：

(1)辐板焊接部位存在焊接残余应力和应力集中，易引起辐板开裂。

(2)齿圈为大直径薄壁环形工件，加工时易产生变形，影响齿形加工精度。

(3)由于感应淬火工艺的局限性，采用感应淬火处理的大齿轮其齿面淬硬层均匀性难以保证，影响齿面接触疲劳性能。

(4)大齿轮是由不同钢的轮毂、辐板和齿圈拼焊在一起，整体渗碳淬火时容易产生焊缝等部位开裂以及齿轮畸变问题，而先渗碳淬火再实施拼焊和磨齿，拼焊变形再磨齿后造成齿面渗碳层不均匀，且焊后消应力退火处理又容易破坏渗碳层组织。

综上所述，现有的工艺很难保证辐板焊接式飞剪主传动大齿轮的技术要求。

经专利检索，有多个国内外专利与本发明相关，主要涉及辐板焊接式大齿轮、硬齿面齿轮材料和齿面硬化工艺技术。

中国专利，专利公开号CN200961674，专利名称“转炉倾动装置二次减速机中的焊接大齿轮”，公开了一种转炉倾动装置二次减速机中的焊接大齿轮，涉及一种转炉倾动装置二次减速机中的焊接大齿轮，由轮毂、辐板和齿圈通过焊接而成，其特征在于：齿圈采用高强度优质合金钢20CrNi₂MoA或20CrMnMo，渗碳淬火处理，齿面硬度为58～62HRC，20CrNi₂MoA的材料成份(质量百分数)是C 0.17-0.23％，Si 0.17-0.35％，Mn 0.4-0.7％，Cr 0.4-0.65％，Ni 1.6-2％，Mo 0.15-0.3％，P≤0.03％，S≤0.03％，其余为Fe。该专利由于采用辐板焊接式结构，无法从根本上解决大齿轮辐板开裂问题。

美国专利，专利申请号US 20080145690，公开了一种直升机齿轮箱齿面硬化材料。材料成份(质量百分数)是C 0.21-0.25％，Cr 2.9-3.3％，Ni 11-12％，Co 13-14％，Mo 1.1-1.3％，Mn 0.1％，Si 0.1％，P 0.008％，S 0.005％，Ti 0.015％，Al 0.015％，其余为Fe，还提出了促进碳化物颗粒析出分布的淬火工艺，通过表面渗碳提高齿面硬度，但该材料含有大量成本较高的Ni、Co合金元素，不适用于制造大型齿轮。

日本专利，专利公开号JP 3061348，公开了一种硬齿面齿轮材料。材料成份(质量百分数)是C 0.4-1.3％，Si 0.05-1％，Mn 0.3-1.5％，Ni 0.001-2％，Cr 0.01-1.5％，Mo 0.001-0.5％，P 0.005-0.03％，S 0.005-0.03％，Cu 0.001-0.3％，Al 0.010-0.1％，O≤20ppm，V 0.02-0.3％，Pb 0.03-0.35％，Ca 0.001-0.01％，B 0.0003-0.0015％，其余为Fe，未提供该硬齿面齿轮材料配套的制造工艺。

中国专利，专利公开号CN1944715，专利名称“表面具有硬贝氏体组织齿轮的制造工艺”，公开了一种表面具有硬贝氏体组织齿轮的制造工艺。齿轮材料为含铝渗碳钢，含铝量为0.5-2.0％(质量百分数)；制造工艺为将锻态或者轧态含铝渗碳钢机械加工成要求的齿轮，对齿轮表面进行渗碳处理，然后将齿轮进行最终热处理，最终热处理工艺为：加热到850℃-920℃进行奥氏体化处理，然后在温度为180℃-350℃的介质中保持0.1-20h后空冷，最后在150℃-350℃保温1-3h回火。由此获得心部为回火马氏体而表面为硬贝氏体组织的齿轮，同时，齿轮的热处理变形显著减小。在中等应力条件下，其使用寿命比目前广泛应用的渗碳淬火+低温回火20CrMnTi钢齿轮提高50％以上。该技术不适用于重载、冲击工况的大型齿轮。

中国专利，专利公开号CN1394969，专利名称“一种齿轮的激光表面硬化工艺”，公开了一种齿轮的激光表面硬化工艺。用激光束对涂吸光涂料的齿轮齿廓表面进行扫描运动，使齿廓表层得以快速加热到相变温度以上；将激光束离开齿轮的齿廓表面，齿轮因本身的热传导随即自身快速冷却而淬火，在齿面表层形成硬化层。不仅淬火硬度高，而且齿面表层形成的硬化层为合金化表层，其晶粒细化，变形极小，无环境污染。所用机床设备及工装的通用性强，操作自动化程度高，工艺流程短，制造成本低，可以部分替代用渗碳、渗氮、感应淬火、火焰淬火等常规齿轮热处理工艺。

中国专利，专利公开号CN101100746，专利名称“一种渗碳类重载齿类件齿面激光熔覆粉末材料及修复方法“，公开了一种渗碳类重载齿类件齿面激光熔覆粉末材料及修复方法。该粉末材料成份(质量百分数)是C 0.8-1.1％，Mn 7.5-9％，Cr 0.9-1.3％，Mo 0.2-0.35％，B 2-3.5％，Si 2.5-3.5％，P≤0.06％，S≤0.04％，其余为Fe；粉末粒度为-140目～+260目。该合金粉末具有良好的激光熔覆工艺性能，其激光熔覆层合金在载荷作用下具有自强化作用，激光熔覆层具有优良的接触疲劳性能，优于18Cr₂Ni₄WA材料渗碳淬火性能，用上述粉末和工艺修复了重载齿轮磨损失效齿面，其修复质量优良。

现代大型冶金设备中齿轮传动装置具有大型、重载、冲击等特点，为了提高大齿轮的承载能力，国内外相关技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：

(1)提高齿轮材料强度

通过增加镍、铬、钼等合金元素含量，改进冶炼和锻造工艺，减少齿坯中有害夹杂物和气体含量，以细化组织、提高材料淬透性和强韧性；普遍采用优质低碳镍铬合金钢+渗碳淬火处理或优质中碳合金钢+高频感应淬火处理的硬齿面技术，以提高齿表层的硬度和接触疲劳性能；齿根普遍采用大圆角过渡，并采用喷丸强化处理，以提高齿轮的弯曲疲劳性能，使齿轮的承载能力大大提高。

(2)提高齿轮啮合精度

普遍采用磨齿的精加工工艺，齿轮精度普遍达ISO6级以上，齿轮粗糙度为Ra0.8～1.6μm，使齿轮的传动平稳、噪音低、寿命长。

(3)采用齿轮变位及修形技术

采用齿轮变位、齿廓和齿向修形等技术，最大限度地减少重载和冲击引起的轮齿变形影响，改善齿轮的啮合和接触状态，提高齿轮传动的稳定性和可靠性。

如何针对飞剪的工况特点，综合考虑齿轮副的强度和制造成本，科学、合理地对大齿轮钢及制造方法进行优化设计，是本发明的关键和难点所在。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞剪主传动大齿轮钢及其制造方法，通过飞剪主传动大齿轮钢及制造方法的优化设计，增强齿轮本体的综合机械性能和表面硬度，以提高飞剪大齿轮的承载能力和可靠性，满足高碳、高合金钢种及规格提高的生产需要。

本发明的目的是这样实现的：一种飞剪主传动大齿轮钢，包含的化学元素及其质量百分比为：

C 0.10～0.20％；Cr 2.00～3.00％；Ni 2.50～3.50％；Mo 0.4～1.00％；Si  0.10～0.40％；Mn 0.40～1.00％；Cu≤0.25％；Al≤0.1％；P≤0.020％；S≤0.015％；O≤30ppm；N≤100ppm；H≤2ppm。

与大齿轮常用的34Cr₂Ni₂Mo、20CrNi₂MoA钢或20CrMnMo钢不同，本发明的大齿轮钢中，Cr、Ni、Mo元素含量均有所提高。增加Cr含量可以形成更多硬度达到1500-1800HV的弥散分布M₇C₃型碳化物；增加Mo含量促进材料二次硬化，抑制回火脆性，析出更多硬度达到2000-2300HV的M₂C型碳化物，两者的共同作用是提高齿面耐磨性能；增加Ni含量能够细化晶粒、提高材料的淬透性，提高材料的强度和抗疲劳抗力，减少缺口敏感性。提高Cr、Ni、Mo元素含量的共同作用，提高了齿面渗碳淬硬层深度，也有利于促进渗碳层表面硬度的提高。

同时，本发明的大齿轮钢严格控制了P、S、[N]、[H]、[O]等有害元素含量，减少了有害夹杂物，避免材料脆性，减少裂纹萌生。由于采用整体结构的大齿轮，从而从根本上避免了焊接齿轮辐板开裂的问题，也大大减小了大齿轮热处理畸变的影响。通过采用合理的齿坯锻造及热处理工艺，使组织更加均匀，改善了偏析和带状、夹杂物等缺陷组织。

一种飞剪主传动大齿轮的制造方法，包含以下步骤：

1)按如下质量百分配比进行冶炼，得到锻坯：

C  0.10～0.20％；Cr 2.00～3.00％；Ni 2.50～3.50％；

Mo 0.4～1.00％；Si 0.10～0.40％；Mn 0.40～1.00％；

Cu≤0.25％；Al≤0.1％；P≤0.020％；

S≤0.015％；O≤30ppm；N≤100ppm；H≤2ppm；

2)锻造；

3)正火热处理：

a)正火：采用880℃-930℃正火温度，保温时间5-15h，空冷至室温；

b)高温回火：采用630℃-680℃回火温度，保温时间10-20h，空冷；

4)滚齿；

5)表面渗碳淬火热处理：

a)渗碳：采用900℃-950℃渗碳温度，渗碳时间50-150h，空冷至室温；

b)高温回火：采用650℃-690℃回火温度，保温时间10-20h、空冷；

c)淬火：加热到800℃-850℃奥氏体化处理，保温时间5-15h，油淬；

d)低温回火：采用150℃-350℃回火温度，保温时间30-60h，空冷；

6)磨齿加工。

优选地，所述步骤1)冶炼包括电炉冶炼、钢包脱气、精炼和电渣重熔。

优选地，所述步骤2)锻坯一次镦粗、二火以上成形，拔长制取中间坯，锻缩比≥3.5、晶粒度≥5级。

大齿轮锻坯制造工艺为：电炉冶炼后，采用炉外精炼和电渣重熔工艺制造电渣锭，然后整体锻造成型。锻件按二火以上成形，钢锭进行一次镦粗，再拔长制取中间坯，锻缩比≥3.5、晶粒度≥5级，锻件经检查无白点、开裂等缺陷，按V类锻件制造。该工艺可以提高钢水的纯净度，有效控制锻坯的有害元素含量，改善夹杂物尺寸、形态、分布，同时细化晶粒及提高组织均匀性。

大齿轮齿面硬化制造工艺为：采用表面整体渗碳淬火的热处理工艺和磨齿加工工艺，在保证大齿轮本体强韧性的情况下，提高齿面硬度，可同时提高大齿轮的齿轮面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度。

优选地，所述步骤6)的磨齿精度为6-6-5级。

大齿轮磨齿精度为6-6-5级，采用齿廓和齿向修形，齿根进行喷丸强化处理同时保证圆滑过渡。

通过本发明的制备方法，齿轮本体的能达到以下的机械性能：抗拉强度σ_b≥1050MPa、屈服强度σ_s≥870MPa、延伸率δ≥11％、断面收缩率ψ≥35％、冲击功A_KV≥27J。齿面渗碳淬火，有效硬化层深度3.0～3.9mm，齿面硬度58～62HRC，齿芯硬度35～40HRC。

本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效果：

1)本发明可以大大提高大齿轮的接触疲劳安全系数和弯曲疲劳安全系数，从而提高齿面的耐磨性和承载能力，避免齿面失效现象的发生，延长了大齿轮的使用寿命，缩小了大齿轮的体积，提高了齿轮副的啮合精度。

2)通过本发明的飞剪主传动大齿轮钢及制造方法的优化设计，以提高飞剪大齿轮的承载能力和可靠性，满足高碳、高合金钢种及规格提高的生产需要。

附图说明

以下结合附图和具体实施例来对本发明作进一步说明。

图1为本发明飞剪传动整体结构大齿轮主视图。

图2为图1A-A向剖视图。

图中：

1-大齿轮    2-通孔

具体实施方式

现有的某大方坯飞剪一直在高温、冲击、重载等恶劣条件下满负荷运行，原采用34Cr₂Ni₂Mo钢齿圈、25号钢辐板的焊接式表淬中硬齿面(52～58HRC)大齿轮，使用不足2年，出现辐板焊接处开裂、齿面严重磨损和点蚀的失效问题，无法继续使用。为彻底解决大齿轮强度不足和辐板焊接处开裂问题，大齿轮由原来的焊接式结构改为整体结构。

如图1和图2所示，为了减轻大齿轮1重量，大齿轮采用内凹式结构，并在内凹处沿齿轮圆周方向加工6个通孔2；大齿轮1内孔采用双切向键与曲轴联结；为便于装配和减少边缘应力集中，孔边及齿顶边缘加工倒角。

下面是本发明飞剪大齿轮的5个具体实施例。如表1所示，为5个实施例的化学成份。

表1本发明大齿轮的化学成份(质量百分数)

	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	P	S	Cu	Al	Nppm	Oppm	Hppm
														对照钢34Cr2Ni2Mo	0.32	0.23	0.55	1.62	1.58	0.17	0.021	0.012	0.12	0.010	130	56	2.5
实施例1	0.20	0.20	0.55	2.50	3.50	0.98	0.011	0.002	0.14	0.026	82	23	0.5
														实施例2	0.15	0.34	0.55	2.00	3.00	0.60	0.012	0.005	0.12	0.011	66	25	0.6
实施例3	0.11	0.28	0.43	3.00	2.59	0.40	0.011	0.002	0.16	0.015	70	28	0.5
														实施例4	0.18	0.25	0.98	2.20	2.50	0.80	0.015	0.006	0.11	0.038	76	26	0.5
实施例5	0.18	0.30	0.85	2.80	2.80	0.50	0.014	0.007	0.13	0.020	88	21	0.5

飞剪大齿轮制造工艺路线如下：

毛坯材料冶炼(电炉+钢包脱气+VOD精炼+电渣重熔)→锻造→正火热处理→滚齿→渗碳淬火热处理→→磨齿→最终检验。

大齿轮正火热处理工艺如表2所示。

表2本发明大齿轮正火热处理工艺

	正火温度及时间	高温回火温度及时间
			实施例1	880℃、15h	680℃、10h
实施例2	890℃、12h	670℃、10h
			实施例3	910℃、10h	660℃、15h
实施例4	920℃、8h	640℃、15h
			实施例5	930℃、5h	630℃、20h

大齿轮表面整体渗碳淬火的热处理工艺如表3所示。

表3本发明大齿轮表面渗碳淬火热处理工艺

	渗碳温度及时间	高温回火温度及时间	奥氏体化温度及时间	低温回火温度及时间
					实施例1	900℃、150h	690℃、10h	800℃、15h	150℃、30h
实施例2	920℃、120h	680℃、10h	820℃、10h	250℃、40h
					实施例3	930℃、120h	670℃、15h	850℃、5h	180℃、30h
实施例4	950℃、50h	660℃、15h	830℃、8h	250℃、40h
					实施例5	930℃、120h	650℃、20h	830℃、8h	350℃、60h

采用本发明制造的飞剪大齿轮，齿轮本体的机械性能为：抗拉强度σ_b≥1050MPa、屈服强度σ_s≥870MPa、延伸率δ≥11％、断面收缩率ψ≥35％、冲击功A_KV≥27J，齿面有效渗碳硬化层深度3.0～3.9mm，齿面硬度58～62HRC，齿芯硬度35～40HRC，齿轮副精度为6-6-5级；而现有技术为：抗拉强度σ_b≥800MPa、屈服强度σ_s≥500MPa、延伸率δ≥13％、断面收缩率ψ≥30％、冲击功AKV≥10J，有效硬化层深度5mm，齿面硬度52～58HRC，齿芯硬度35～40HRC，齿轮副精度为7-7-7级。与现有技术相比接触疲劳安全系数和弯曲疲劳安全系数明显提高。

综上所述，本发明的飞剪大齿轮具有优异的综合力学性能、表面具有极高的硬度，从而大大提高了齿轮的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度和耐磨性，满足高碳、高合金钢种及规格提高的生产需要，因而具备良好的推广及应用前景。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的几个具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种飞剪主传动大齿轮钢，其特征在于包含的化学元素及其质量百分比为：

C    0.10～0.20％；Cr 2.00～3.00％；Ni  2.50～3.50％；Mo  0.4～1.00％；Si   0.10～0.40％；Mn 0.40～1.00％；Cu≤0.25％；Al≤0.1％；P≤0.020％；S≤0.015％；O≤30ppm；N≤100ppm；H≤2ppm。

2.一种飞剪主传动大齿轮的制造方法，其特征在于包含以下步骤：

1)按如下质量百分配比进行冶炼，得到锻坯：

C  0.10～0.20％；Cr 2.00～3.00％；Ni 2.50～3.50％；

Mo 0.4～1.00％； Si 0.10～0.40％；Mn 0.40～1.00％；

Cu≤0.25％；Al≤0.1％；P≤0.020％；

S≤0.015％；O≤30ppm；N≤100ppm；H≤2ppm；

2)锻造；

3)正火热处理：

a)正火：采用880℃-930℃正火温度，保温时间5-15h，空冷至室温；

b)高温回火：采用630℃-680℃回火温度，保温时间10-20h，空冷；

4)滚齿；

5)表面渗碳淬火热处理：

a)渗碳：采用900℃-950℃渗碳温度，渗碳时间50-150h，空冷至室温；

b)高温回火：采用650℃-690℃回火温度，保温时间10-20h、空冷；

c)淬火：加热到800℃-850℃奥氏体化处理，保温时间5-15h，油淬；

d)低温回火：采用150℃-350℃回火温度，保温时间30-60h，空冷；

6)磨齿加工。

3.如权利要求2所述的飞剪主传动大齿轮的制造方法，其特征在于：所述步骤1)冶炼包括电炉冶炼、钢包脱气、VOD精炼和电渣重熔。

4.如权利要求2所述的飞剪主传动大齿轮的制造方法，其特征在于：所述步骤2)对锻坯进行一次镦粗、二火以上成形，拔长制取中间坯，锻缩比≥3.5、晶粒度≥5级。

5.如权利要求2-4任意一项所述的飞剪主传动大齿轮的制造方法，其特征在于：所述步骤6)的磨齿精度为6-6-5级。

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