CN103443300B - 用于处理部件例如齿轮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造由钢制成的机械部件的方法，其包括表面硬化阶段。所述方法特征在于，它包括产生具有待硬化的区域的部件的不精确的形式，然后通过冷却而非淬火来硬化壳体、通过感应加热所述区域来加热到钢的奥氏体化温度、以及淬火的连续步骤。

Description

用于处理部件例如齿轮的方法

技术领域

本发明涉及金属部件的处理的领域，金属部件由钢制成以使得它们更能够经受当它们在使用中时它们承受的载荷。它尤其涉及齿轮的处理。

背景技术

其示例性实施例在图1中描述的齿轮是传递旋转载荷的机械部件。在附图中描述的齿轮1包括轮盘3，齿组5形成在轮盘3的外周。轮盘3由形成圆筒状并且其具有外部或内部花键8和外部滚动轴承连接盘9的圆柱形表面7轴向延伸。这些区域与机械组件的其他部件接触：例如齿组5与另一个齿轮的齿组接触，滚动轴承连接盘与滚动轴承的内环接触，并且花键和传动轴的相应花键接触。载荷因此通过这些区域传递，这些区域因此承受最大的应力。硬化处理通常提供来改进它们的耐磨性。

施加到上述区域的处理一般为表面硬化处理，目的在于改进硬度并且因此滑动性以及部件的寿命。

部件的其他区域的处理是可选的并且有时候当需要保持某些表面区域非硬化时必须避免。这是具有螺钉螺纹的壳体、细长区域、意在用于焊接的区域或甚至承受柔性载荷的齿轮的大轮盘。在部件中心的材料还必须保持合适的弹性水平。

为了实现该结果，一种已知方法是生产由弱合金钢制成的坯体，具有在0.10％到0.20％之间的碳含量，通过在合适气体环境下以900°-935℃的温度碳化来使坯体的表面富有碳，并且然后在包含添加剂的气体、油、或者水中淬火整个部件。

然后这在具有低碳含量的弱合金材料中产生完全硬化部件，它的表面具有非常丰富的碳。该部件从表面向材料芯部呈现出硬化梯度。

该技术提供优点，它可以制造为适合于部件的任何形状并且它是高效的。然而，它真的需要可以证明足够长的处理时间。并且，制造过程通常是复杂的，因为需要用电解铜电镀掩盖某些区域—需要实施和去除铜电镀的操作或者“硬加工”操作—其需要很长和昂贵的加工过程。此外，因为该方法需要对整个部件淬火，必须预期整个部件变形并且必须在部件的多个区域上执行修正加工工作。同样，需要在硬化功能区域例如齿组或花键上进行精磨操作。

另一种已知方法是感应轮廓硬化。对此，使用由钢的基体材料制成，其具有比之前所述技术更高的碳含量，超过0.4％。例如，坯体由合金参照物60Cr4制成，其具有从0.56到0.64％的碳含量。产生坯体尤其需要加工齿组。然后执行选择的感应硬化操作。该操作包括仅加热待硬化的区域，使用沿着部件的轮廓布置的感应加热装置，并且包括进行硬化操作。然后这利用轮廓硬化产生表面被硬化到不被完全硬化的部件。因为部件不经受任何碳化处理，碳含量不由处理改变并且保持在芯部与在表面上碳含量相同。

该方法快速推进，不需要掩膜，并且硬加工限制于硬化区域的精细研磨或表面研磨。通过选择性硬化，在非硬化区域中不会产生变形。然而，它真的具有不能总是执行良好以及难以优化的缺点。并且，需要适于高频发电机，其是昂贵的，并且另一方面，待处理的每个部件和每个区域需要创造专门的工具，并且因此代表高的投资成本。

发明内容

本发明的目的在于提供不具有现有技术的方法的缺点的方法。

因此本发明的第一方面在于使得能够获得接触区域的表面硬化，改进滑动性和寿命。

本发明的另一个方面在于在一毫米级别的深度上的硬化处理以便承载操作载荷，尤其是在齿轮情况中的齿组。

本发明的另一个方面在于提供一种避免完全硬化部件的方法，以便保持弹性。

本发明的最后目的在于产生具有不被硬化的区域的部件。

根据本发明，这些目的利用制造由具有硬化表面区域的钢制成的机械部件的方法来实现，其特征在于，从部件坯体开始，它包括下列步骤：碳化之后是冷却而非淬火，将所述区域感应加热到钢的奥氏体化温度，以及淬火。

通过使表面富有碳并且选择性地淬火待硬化的区域，保留碳化区域的表面特性并且与此同时简化加热处理程序。此外，通过选择性硬化，能够避免使整个部件变形，并且简化由加工步骤构成的程序。特别地，本发明的程序不需要任何“硬加工”，“硬加工”意指在非功能区域的碳化和淬火处理后硬度仍然很高的加工。不需要掩膜，其一方面在加热处理之前需要铜电镀操作，并且然后在热处理之后需要铜镀层去除操作。

根据另一个特征，所述材料是具有至少0.3％碳含量的钢。

使用的钢因为芯部不被硬化而保持弹性，并且与此同时因为碳化而能够富有碳到足以赋予期望硬度的程度。因此，根据另一个特征，表面的碳含量为至少0.7％。

本发明尤其适用于齿轮的制造。优选地，然后在齿组的整个深度上应用坯体的感应加热。“全齿”感应硬化的一个优点是，它是容易执行的，因为然后不需要应用具有任何特别高精度的加热，不像在轮廓硬化中。

该方法因此使得能够产生具有至少680HV的表面硬度和在100到400HB之间的芯部硬度的齿轮。

附图说明

现在参考附图更详细地描述本发明，其中

图1为具有需要硬化的各种区域的齿轮的视图；

图2为在整个部件已经被碳化和淬火之后的齿轮的齿组的结构的示意性剖视图；

图3为在称为表面轮廓硬化处理之后齿轮的齿组的结构的示意性剖视图；

图4示意性地表示在本发明的处理之后齿组的结构。

具体实施方式

根据本发明，以合适方式加工、锻造或转换钢条以获得准备制造的部件坯体。使用的钢具有较低的碳含量。这例如是3％的级别。在齿轮的情况中，加工外周齿组。待硬化的其他区域也是这样。在如图1所示的齿轮情况中，在下面将要进行的硬化热处理或热化学处理之前，在坯体中有利地加工圆柱形零件，该圆柱形零件形成用于滚动轴承的支承部和用于在轴和齿轮之间旋转地传递驱动载荷的花键。

一旦已经准备了坯体，它承受扩散处理，目的在于增加在表面层中在期望深度上的碳含量，显著地达到大约0.8％。在此的目的是增加待硬化区域中的碳含量。该处理可以是常规的处理，例如在已知低压碳化技术LPC的情况中在部分压力条件下在炉中进行碳化或者在反应气体混合物受控气流中的已知气体碳化技术的情况中在大气压中在炉中进行碳化。例如，在LPC情况中，碳化处理包括如下步骤：

-排出腔室内的气体；

-在真空下通过辐射或者其他等价方法利用均质化浸泡分级逐渐加热达到碳化温度；

-在LPC情况中在受控部分压力条件下并且以受控质量流速率注射碳化气体混合物；

-根据期望的深度和轮廓的一系列扩散和碳化步骤。

本发明不限于该热化学处理模式。能够获得该结果的任何出路模式都适合。因此，在气体碳化的情况下，加热就是常规的加热。

部件然后逐渐降低到室温。应该注意，根据期望部件应该具有的完全硬化量选择冷却率。优选地，所述冷却率能够完全排除产生非完全硬化阶段的淬火率。

下一步是通过磁感应在期望区域中局部加热部件达到钢的奥氏体化温度，然后是淬火。

电磁感应硬化本身是已知的方法，其使得能够获得在从0.5mm到几个厘米深度的受控和可重复的均匀快速加热。磁铁材料部件放置在螺线管内部，高频、中频或低频AC电流穿过螺线管。具有所述部件的该螺线管像变压器一样工作并且在它内部感应电流。在部件外周的加热效应是非常快速的。

感应轮廓硬化使用高频电流，其相关频率范围为在20到60kHz之间，并且需要具有超过100kW的功率的发电机。

中频感应表面硬化使用具有50kW级别功率并且其相关电流频率为10kHz级别的中频电流发电机。

低频感应表面硬化使用具有低于1kW的功率并且其相关电流频率低于1kHz的低频电流发电机。发电机的选择大体上依赖于选择的处理深度。

在加热之后，部件浸入淬火液体中，一般为包含有一种或多种合适添加剂的水。

在本发明上下文范围内，这与称为轮廓硬化的电磁感应硬化技术不同。

应该回想起齿轮的轮廓加热包括将该齿轮放置在共轴环绕该齿轮的齿外周以便产生轴向磁场的单匝或多匝电感器的交替磁场中。供给齿组的轮廓硬化的电感器所在的交替磁场一般为高频磁场，具有从20到600kHz的频率范围，具有超过100kW的功率的电流发电机。

然而，本发明推荐的是低频或中频硬化，因为本发明目的在于实现不精确顺应齿的轮廓的表面硬化。

因此，根据本发明，执行称为“全齿”的感应加热，从而实现不顺应齿组的精确轮廓的表面硬化。该加热是不精确的，而是可以由低频或者中频电流发电机实施的。加热更容易优化，因为电流不需要顺应齿的轮廓。

在加热之后，部件经受淬火，例如在水中淬火。

图2、图3和图4描述各种处理模式的效果，前两个对应于现有技术，而第三个对应于本发明。

图2的齿组5具有在表面层51中的碳化状态。部件3被完全硬化。使用具有0.15％低碳含量的合金钢来制成。通过碳化处理在表面层中的碳含量达到0.8％。

在图3中的齿组5’具有表面层51’，其通过感应轮廓硬化来硬化。该表面层可以相对较厚。为了保持在芯部中的某种刚性水平，钢具有比之前所述更高的碳含量，即为0.6％。整个部件的该含量是相同的。

在图4中的齿组5”具有碳化表面层51”，其表面碳含量为高达0.8％。因为施加到整个齿组的感应硬化，由从尖部到根部的齿整体和在两个相邻齿之间的凹槽形成的该部分52”整体具有比盘的下层部分的硬度大的硬度。该材料不是完全硬化。

Claims (6)

1.一种制造钢齿齿轮的方法，其具有硬化表面区域的阶段，其特征在于，它包括产生具有待硬化区域的部件坯体，以及然后下列步骤：

碳化，该碳化步骤之后是冷却而非淬火，

利用至少一个中频或者低频电流产生器在齿轮齿组的整个深度施加局部感应加热，直到钢的奥氏体化温度，以及

淬火。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述部件是具有至少0.3％的碳含量的钢。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述部件碳化为使所述表面碳含量为至少0.8％。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的方法获得的齿轮，所述齿轮的表面硬度为至少680HV。

5.如权利要求4所述的齿轮，其中淬火区域但非碳化区域(52”)的硬度为至少450HB。

6.如权利要求5所述的齿轮，其中非淬火基体材料的硬度为在100到400HB之间的硬度。