CN102373400B

CN102373400B - 载重汽车螺旋伞齿轮在双排稀土渗碳设备上的热处理方法

Info

Publication number: CN102373400B
Application number: CN 201110327292
Authority: CN
Inventors: 金荣植; 李庆文; 刘志儒; 陈云生; 谢飞; 刘成友
Original assignee: HARERBIN YIFENG RARE EARTH MATERIAL DEVELOPMENT Co Ltd; JILIN PULEITE HEAT TREATMENT CO Ltd; Harbin Huilong Auto Gear-Box & Axle Co Ltd; Harbin Institute of Technology
Current assignee: HARERBIN YIFENG RARE EARTH MATERIAL DEVELOPMENT Co Ltd; JILIN PULEITE HEAT TREATMENT CO Ltd; Harbin Huilong Auto Gear-Box & Axle Co Ltd; Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2031-10-25
Also published as: CN102373400A

Abstract

载重汽车螺旋伞齿轮在双排稀土渗碳设备上的热处理方法，它涉及载重汽车螺旋伞齿轮渗碳热处理工艺方法。它解决了渗碳热处理耗能大，产品生产成本高，渗碳过程中仍然存在渗碳淬火及齿轮热畸变等问题。本发明的方法：将预热区作为强渗1区，并将渗碳区作为强渗2区，即将II、III区作为渗碳速度主控制区，将IV、V区作为金相组织主控制区，在I～V区采用温度控制，II～V区采用碳势控制，并向炉内输入渗碳介质丙烷气、稀土甲醇渗剂、氮气、甲醇和空气来实现。本发明方法处理的螺旋伞齿轮的金相组织及表面硬度均得到了优化，提高了螺旋伞齿轮的热处理质量，同时提高产能23％，降低热处理生产成本18.9％，减少了废气排放对环境的污染。

Description

载重汽车螺旋伞齿轮在双排稀土渗碳设备上的热处理方法

技术领域

本发明涉及载重汽车螺旋伞齿轮热处理方法，尤其涉及载重汽车螺旋伞齿轮在双排稀土连续式气体渗碳自动生产线上的渗碳热处理工艺方法。

背景技术

目前，载重汽车螺旋伞齿轮普遍采用连续式气体渗碳自动生产线生产，但由于渗碳热处理生产周期长(一般在十几小时到几十小时)，温度高在880～940℃，设备功率在500～1000kW，因此耗能大，产品生产成本高，螺旋伞齿轮的质量差；而且热处理渗碳过程中仍然存在一些渗碳淬火及齿轮热畸变等问题。上世纪九十年代开始，在连续式气体渗碳自动生产线上进行过多次试验，但由于滴注稀土渗剂易堵塞滴注管等诸多问题。目前，仍未见有相应进展的文献报道。

发明内容

本发明为了解决现有方法耗能大，产品生产成本高，热处理渗碳过程中仍然存在渗碳淬火及齿轮热畸变的问题，提供了一种载重汽车螺旋伞齿轮在双排稀土渗碳设备上的渗碳热处理工艺方法，解决该问题的具体技术方案如下：

本发明的载重汽车螺旋伞齿轮在双排稀土渗碳设备上的热处理方法，该方法的步骤如下：

步骤一、将螺旋伞齿轮放在清洗机上，在碱水温度60～70℃的条件下进行清洗5～6分钟，然后放在双排稀土渗碳设备预处理炉的料盘上，在450～500℃的条件下进行预处理，预处理时间112～120min；

步骤二、将步骤一预处理的螺旋伞齿轮送到渗碳炉膛的加热区(I区)，在该区温度为870～880℃的条件下进行预热，预热时间280～300分钟，此时向炉内输入氮气每小时2～3立方米；

步骤三、在经步骤二预热后的齿轮进入强渗1区(均热区，II区)，在该区温度为910～920℃的条件下进行预渗碳，预渗碳时间280～300分钟，此时碳势Cp为1.25～1.40％C，丙烷气每小时输入0.3～0.6立方米(碳控仪自动控制)，氮气每小时输入2～3立方米，甲醇每分钟10～20毫升，稀土甲醇每分钟15～30毫升，稀土和甲醇容量比例为，稀土∶甲醇＝2.5∶200；

步骤四、在经步骤三预渗碳后进入强渗2区(渗碳区，III区)，在该区温度为925～930℃的条件下进行渗碳，渗碳时间280～300分钟，此时碳势Cp为1.25～1.30％C，丙烷气每小时输入0.3～0.60立方米(碳控仪自动控制)，氮气每小时输入2～3立方米，甲醇每分钟20～30毫升，稀土甲醇每分钟15～30毫升，稀土和甲醇容量比例为，稀土∶甲醇＝2.5∶200；

步骤五、在步骤四的渗碳后进入扩散区(IV区)，该区温度为890～900℃的条件下进行扩散，扩散时间280～300分钟，此时碳势Cp为1.10～1.15％C，丙烷气每小时输入0.05～0.2立方米(碳控仪自动控制)，氮气每小时输入2～3立方米，空气每小时0.05～0.2立方米(碳控仪自动控制)，甲醇每分钟10～20毫升，稀土甲醇每分钟10～25毫升；

步骤六、在经步骤五扩散后进入降温淬火区(V区)，该区温度为850～860℃的条件下进行预冷淬火，预冷时间224～240分钟，此时碳势Cp为1.05～1.10％C，输入氮气每小时3～4立方米，空气每小时0.1～0.3立方米(碳控仪自动控制)，螺旋主动伞齿轮出炉后直接在油中淬火，淬火时间8～10min，而螺旋从动伞齿轮进入保温室，保温室温度870～880℃，输入氮气每小时5～6立方米，甲醇每分钟30～40毫升，丙烷气每小时0.3～0.4立方米，齿轮在870～880℃保温室出炉后由机械手上淬火压床进行压力淬火，淬火时间4～5分钟，然后在碱水温度为60～70℃条件下进行清洗5～6分钟，再在温度为180～200℃的条件下回火280～300分钟，最后抛丸清理25～30分钟，完成螺旋伞齿轮稀土渗碳热处理过程。

本发明的载重汽车螺旋伞齿轮在双排稀土渗碳设备上的热处理工艺方法具有以下优点：

一、提高了渗碳速度，即缩短了推料周期(即生产周期，或称生产节拍)，采用稀土渗碳工艺方法后，可缩短推料周期(39分钟一30分钟＝9分钟)，提高渗碳速度为23％(39分钟一30分钟/39分钟×100％＝23％)，即提高了热处理生产效率23％(或称提高产能23％)，相应减少了废气排放，因此达到了“节能减排”的目的；

二、采用稀土渗碳工艺方法后，得到的金相组织为较细化马氏体+少量残留奥氏体+细小弥散分布的颗粒状碳化物；稀土渗碳在渗碳温度下能将原子半径比铁大40％的稀土原子渗入到钢的表层，微量的稀土(数十个ppm)渗入到钢的表层后还能起到微合金化作用，它能有效地成为第二相(如碳化物等)沉淀析出的核心，进而沉淀析出细小弥散颗粒状碳化物，并因碳化物的大量析出而使奥氏体发生再结晶，使奥氏体晶粒细化。由于碳化物的弥散分布和奥氏体晶粒细化，对马氏体的形核和切变长大起控制和阻碍作用，淬火后成为细化马氏体或隐晶马氏体。采用稀土渗碳工艺方法后，齿轮的金相组织及表面硬度均得到了优化，提高了螺旋伞齿轮的热处理质量。

附图说明

图1是本发明双排稀土渗碳热处理工艺曲线图，图2是螺旋伞齿轮稀土渗碳硬度分布曲线图，图3是采用稀土渗碳工艺方法得到的齿轮齿角金相组织(×400)，图4是采用稀土渗碳工艺方法得到的齿轮节圆金相组织(×400)，图5是常规渗碳工艺得到的非马氏体组织(×400)，图6是采用稀土渗碳工艺方法得到的非马氏体组织(×400)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1描述本实施方式。本实施方式方法的步骤如下：

稀土渗碳产品为CA457型“解放”牌载重汽车后桥主、从动螺旋伞齿轮，主、从动螺旋伞齿轮均采用20CrMnTiH钢制造；材料淬透性能为J9＝36～42HRC。

主、从动螺旋伞齿轮渗碳淬火有效硬化层深度要求为1.70～2.10mm；金相组织，碳化物1～5级，马氏体、残留奥氏体1～5级；齿轮表面与心部硬度要求分别为58～63HRC和35～40HRC；非马氏体层深度≤20um，检验按QC/T262-1999《汽车渗碳齿轮金相检验》标准规定执行。

步骤六、在经步骤五扩散后进入降温淬火区(V区)，该区温度为850～860℃的条件下进行预冷淬火，预冷时间224～240分钟，此时碳势Cp为1.05～1.10％C，输入氮气每小时3～4立方米，空气每小时0.1～0.3立方米(碳控仪自动控制)，螺旋主动伞齿轮出炉后直接在油中淬火，淬火时间8～10min，然后螺旋从动伞齿轮进入保温室，保温室温度为870～880℃，输入氮气每小时5～6立方米，甲醇每分钟30～40毫升，丙烷气每小时0.3～0.4立方米，后出炉上淬火压床进行压力淬火，淬火时间4～5分钟，然后在碱水温度为60～70℃条件下进行清洗5～6分钟，再在温度为180～200℃的条件下回火280～300分钟，最后抛丸清理25～30分钟，完成螺旋伞齿轮稀土渗碳热处理过程。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤一中在双排稀土渗碳设备上预处理炉温度为480℃的条件下进行预处理，预处理时间120分钟；步骤二中加热区的温度为870℃的条件下进行预热，预热时间300分钟，此时输入氮气每小时2立方米进入炉内；步骤三中在经步骤二预热后，齿轮进入强渗1区的温度为910℃的条件下进行预渗碳，预渗碳时间300分钟，此时碳势Cp为1.35％C，丙烷气每小时输入0.5立方米，氮气每小时输入2立方米，甲醇每分钟20毫升，稀土甲醇每分钟25毫升；步骤四中在经步骤三预渗碳后进入强渗2区的温度为930℃的条件下进行渗碳，渗碳时间300分钟，此时碳势Cp为1.30C，丙烷气每小时输入0.5立方米，氮气每小时输入2立方米，甲醇每分钟15毫升，稀土甲醇每分钟25毫升；步骤五中在步骤四的渗碳后进入扩散区的温度为890℃的条件下进行扩散，扩散时间300分钟，此时碳势Cp为1.15％C，丙烷每小时输入0.1立方米，氮气每小时输入2.5立方米，空气每小时0.1立方米，甲醇每分钟20毫升，稀土甲醇每分钟20毫升；步骤六中在经步骤五扩散后进入降温淬火区的温度为860℃的条件下进行预冷淬火，预冷时间240分钟，此时碳势Cp为1.10％C，输入氮气每小时3立方米，空气每小时0.2立方米，螺旋主动伞齿轮出炉后直接在油中淬火，淬火时间10min，而螺旋从动伞齿轮进入保温室，保温室温度870℃，输入氮气每小时6立方米，甲醇每分钟40毫升，丙烷气每小时0.3立方米，螺旋从动伞齿轮在保温室出炉后，在淬火压床上进行压力淬火，淬火时间4分钟，然后在碱水温度60℃进行清洗5分钟，再在温度为180℃的条件下回火300分钟，最后抛丸清理30分钟，完成螺旋伞齿轮稀土渗碳热处理过程。

稀土渗碳最佳工艺参数的设定原则：

稀土渗碳工艺参数的选择与搭配问题，即能够确定提高渗碳速度与获得最佳金相组织的稀土渗碳最佳工艺参数。

双排稀土渗碳设备稀土渗碳工艺方法与常规渗碳工艺方法有所不同，其充分发挥双排稀土渗碳设备II区作用。常规的连续式气体渗碳自动生产线II区一般作为预热区，其主要作用是对齿轮工件进行均温和预渗碳。而采用稀土渗碳工艺后，可将该区作为强渗1区，并将原主渗碳区(III区)作为强渗2区。因此将原渗碳主炉划分为两大区域，并进行控制，即将原II、III区作为渗碳速度主控制区，将IV、V区作为金相组织主控制区。在稀土渗碳工艺上对渗碳温度、碳势及渗碳介质流量等进行合理搭配与控制，在保证渗碳速度增加的同时使渗碳层组织得到优化，这是稀土渗碳工艺获得最佳金相组织的关键手段。

各区温度的设定原则：

I区为加热区，最低温度一般为860℃，若炉子功率足够，并且密封性能好，选取的温度为870～880℃。齿轮在进入主炉前，在脱脂炉内进行预氧化加热，其温度设定为450～500℃。I区有10个料盘位置，若稀土推料周期为30min(按双排推料计算)，当末盘齿轮位于末端时已完全透烧并进入稀土渗碳范围，为缩短渗碳周期创造了温度条件。

II区为均热区，零件在880℃以上，炉内渗碳气氛已对零件具有渗碳能力。如果I区温度上调后，II区温度选取在910～920℃。

III区为渗碳区，考虑零件畸变、炉子寿命及金相组织与渗碳层的控制，本工艺方法选择925～930℃。

IV区、V区温度与碳势配合是获得最佳金相组织的关键区域，为了使齿轮获得连续平稳的过渡区并使零件温度缓慢下降，减少畸变及析出颗粒状碳化物，IV区温度选取890～910℃。

V区为预冷淬火区，温度选择与齿轮材料有关，以获得心部无铁素体的淬火组织为准。本工艺方法选择850～860℃。

各区碳势的设定原则：

在常规渗碳过程中一般采用扩散的方式来降低奥氏体碳浓度，而稀土渗碳与常规渗碳不同，试验表明，采用较高或超高的炉气碳势加稀土进行渗碳，效果好。因此，稀土渗碳过程一般采用较高的碳势Cp＝1.25～1.40％C，在渗碳过程中奥氏体碳浓度较高，因此在渗碳后期(IV区、V区-金相组织主控制区)必须采用一定的工艺方法(即稀土渗碳工艺参数选择与搭配，确定稀土渗碳最佳工艺参数)使奥氏体中碳原子以颗粒状碳化物形式弥散沉淀析出，不但可以降低马氏体组织级别，而且可以降低奥氏体中的碳浓度，使渗碳层金相组织得到优化，这就是稀土渗碳获得的最佳金相组织，即在细化马氏体与残留奥氏体的基体上分布着细小弥散颗粒状碳化物，这种组织具有高的硬度、耐磨性、接触疲劳强度与弯曲疲劳强度。因此，可以大大提高齿轮的使用寿命。

按照常规渗碳工艺，II区因零件各部位温度低且不均匀，易产生炭黑，因此不设定高碳势，无稀土时碳势设定较低，约为0.70％C。加稀土后可促进渗碳剂裂解，同时还可以利用预氧化处理减少零件温差，因此II区的温度为910～920℃，理应作为强渗初期，此时零件吸碳能力很强，因此尽可能提高碳势至Cp＝1.25～1.40％C，以I区不产生大量炭黑为原则，这样就把II区由预渗碳变成了强渗碳，将II区设为稀土渗碳强渗1区。

III区在作为强渗区碳势设定高，常规渗碳一般采用碳势为1.15～1.20％，而稀土渗碳碳势选择1.25～1.30％，设为稀土渗碳强渗2区。

IV区是调整金相组织的关键区段，按稀土渗碳标准，过渡区(约占总渗层的1/2)的碳化物应呈细小颗粒状弥散分布，晶界上不允许出现粗条状及爪状碳化物，不允许有较多残留奥氏体存在，否则在残留奥氏体区将出现粗大马氏体。因此最好让残留奥氏体区多余的碳变成细小碳化物弥散析出，此时奥氏体中碳浓度大幅度下降，淬火时绝大分转变成(超)细马氏体，这时由于碳化物的弥散析出，奥氏体转变成马氏体时，马氏体切变长大时受阻而变成(超)细马氏体。本工艺方法IV区碳势设定为1.10～1.15％。

对V区来说，也是调整金相组织的重要区段，采用稀土渗碳时，860℃已具备较强渗碳能力。假如是IV区齿轮表面贫碳，V区可以补渗碳，因此碳势可以设定稍高一些1.00～1.15％，本工艺方法选择1.05～1.10％。

稀土渗碳可以提高渗碳速度原因是，按稀土渗碳理论，渗剂中加入稀土后不仅大大强化了工件外部的固-气界面反应，在短期内快速建立起高的碳浓度梯度，提高界面反应速度，促进碳原子在奥氏体中扩散。同时，在稀土渗碳方法要求的高碳势下易形成较高的碳浓度梯度，也能促进碳原子扩散。因此，高碳势加稀土的双重作用使碳原子的传递系数β和扩散系数D大幅度提高，从而有效地提高了渗碳速度。

通过表1可以看出采用稀土渗碳工艺后，主动伞齿轮表面硬度平均提高了1.95HRC，这是由于稀土的作用，在采用高浓度渗碳工艺方法后，齿轮表面具有较高的碳含量和细小弥散分布的颗粒状碳化物，同时稀土减少了非马氏体组织的产生，增加了表层淬硬性，因此可以提高表面硬度2HRC左右。通过图2齿轮渗碳层硬度分布检测情况观察，经稀土渗碳后，由于表层非马氏体的减少，使齿轮表面硬度得以提高，较好地解决了常规渗碳工艺方法使齿轮表面硬度“低头”现象。在距离表面0.50～1.10mm之间曲线上凸，呈现高硬度峰值，达到63HRC，较常规59HRC提高2～3HRC，相当于过共析区。经过多次检测，均呈现如图2硬度分布特征曲线，这是稀土渗碳特点之一。按齿轮赫兹应力分布曲线，对提高齿轮承载能力十分有利。

表1采用常规与稀土渗碳工艺方法的主动螺旋伞齿轮轴径处硬度对照(HRC)

序号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	平均值
												常规渗碳工艺	60	59.5	59	59	58.5	61	59	60.5	61	59.5	59.7
稀土渗碳工艺	62.5	61.5	62	60	60	61	62	62.5	63	62	61.65

表2常规与稀土渗碳方法单位物料及用电消耗对比

表3常规与稀土渗碳方法单件热处理成本对比

上表内数据均为实测所得数据。

Claims

1.载重汽车螺旋伞齿轮在双排稀土渗碳设备上的热处理方法，其特征在于该方法的步骤如下：

步骤二、将步骤一预处理的螺旋伞齿轮送到渗碳炉膛的加热区，该区温度为870～880℃的条件下进行预热，预热时间280～300分钟，此时间段向炉内输入氮气每小时2～3立方米；

步骤三、在经步骤二预热后的齿轮进入强渗1区，该区温度为910～920℃的条件下进行预渗碳，预渗碳时间280～300分钟，此时间段碳势Cp为1.25～1.40%C，丙烷气每小时输入0.3～0.6立方米，氮气每小时输入2～3立方米，甲醇每分钟10～20毫升，稀土甲醇每分钟15～30毫升，稀土和甲醇容量比例为，稀土∶甲醇=2.5∶200；

步骤四、在经步骤三预渗碳后进入强渗2区，在该区温度为925～930℃的条件下进行渗碳，渗碳时间280～300分钟，此时间段碳势Cp为1.25～1.30%C，丙烷气每小时输入0.3～0.60立方米，氮气每小时输入2～3立方米，甲醇每分钟20～30毫升，稀土甲醇每分钟15～30毫升，稀土和甲醇容量比例为，稀土∶甲醇=2.5∶200；

步骤五、在步骤四的渗碳后进入扩散区，该区温度为890～900℃的条件下进行扩散，扩散时间280～300分钟，此时间段碳势Cp为1.10～1.15%C，丙烷气每小时输入0.05～0.2立方米，氮气每小时输入2～3立方米，空气每小时0.05～0.2立方米，甲醇每分钟10～20毫升，稀土甲醇每分钟10～25毫升；

步骤六、在经步骤五扩散后进入降温淬火区，该区温度为850～860℃的条件下进行预冷淬火，预冷时间224～240分钟，此时间段碳势Cp为1.05～1.10%C，输入氮气每小时3～4立方米，空气每小时0.1～0.3立方米，螺旋主动伞齿轮出炉后直接在油中淬火，淬火时间8～10min，然后螺旋从动伞齿轮进入保温室，保温室温度为870～880℃，输入氮气每小时5～6立方米，甲醇每分钟30～40毫升，丙烷气每小时0.3～0.4立方米，后出炉上淬火压床进行压力淬火，淬火时间4～5分钟，然后在碱水温度为60～70℃条件下进行清洗5～6分钟，再在温度为180～200℃的条件下回火280～300分钟，最后抛丸清理25～30分钟，完成螺旋伞齿轮稀土渗碳热处理过程。

2.根据权利要求1所述的载重汽车螺旋伞齿轮在双排稀土渗碳设备上的热处理方法，其特征在于步骤一中在双排稀土渗碳设备上预处理炉温度为480℃的条件下进行预处理，预处理时间120分钟；步骤二中加热区的温度为870℃的条件下进行预热，预热时间300分钟，此时输入氮气每小时2立方米进入炉内；步骤三中在经步骤二预热后，齿轮进入强渗1区的温度为910℃的条件下进行预渗碳，预渗碳时间300分钟，此时碳势Cp为1.35%C，丙烷气每小时输入0 .5立方米，氮气每小时输入2立方米，甲醇每分钟20毫升，稀土甲醇每分钟25毫升；步骤四中在经步骤三预渗碳后进入强渗2区的温度为930℃的条件下进行渗碳，渗碳时间300分钟，此时碳势Cp为1.30C，丙烷气每小时输入0.5立方米，氮气每小时输入2立方米，甲醇每分钟15毫升，稀土甲醇每分钟25毫升；步骤五中在步骤四的渗碳后进入扩散区的温度为890℃的条件下进行扩散，扩散时间300分钟，此时碳势Cp为1.15%C，丙烷每小时输入0.1立方米，氮气每小时输入2.5立方米，空气每小时0.1立方米，甲醇每分钟20毫升，稀土甲醇每分钟20毫升；步骤六中在经步骤五扩散后进入降温淬火区的温度为860℃的条件下进行预冷淬火，预冷时间240分钟，此时碳势Cp为1.10%C，输入氮气每小时3立方米，空气每小时0.2立方米，螺旋主动伞齿轮出炉后直接在油中淬火，淬火时间10min，而螺旋从动伞齿轮进入保温室，保温室温度870℃，输入氮气每小时6立方米，甲醇每分钟40毫升，丙烷气每小时0.3立方米，螺旋从动伞齿轮在保温室出炉后，在淬火压床上进行压力淬火，淬火时间4分钟，然后在碱水温度60℃进行清洗5分钟，再在温度为180℃的条件下回火300分钟，最后抛丸清理30分钟，完成螺旋伞齿轮稀土渗碳热处理过程。