CN104128765A - 一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺，包括顺序进行的铸坯、切削加工、热处理、精切削和磨削加工，棒材的材质为20CrMnTiH，热处理包括将切削加工得到的毛坯加进行渗碳处理、渗碳处理后进行缓慢冷却、毛坯缓慢冷却到不高于550℃时进行第二次加热并保温不少于2h后淬火、对淬火后的毛坯第三次加热至170-200℃并保温不少于3h进行回火，第二次加热为将毛坯加热至840-870℃，渗碳处理包括先后进行的预热阶段、强势渗碳阶段和扩散阶段。本工艺步骤简单，产品成分均匀，便于得到表面硬化层不易脱离、齿轮抗冲击能力、耐磨性和强度适宜的齿轮。

Description

一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺
技术领域
本发明涉及用于转矩传递的传动部件制造工艺，特别是涉及一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺。
背景技术
齿轮是机械设备中的关键部件，齿轮质量的优劣直接关系到整个设备的使用寿命。而齿轮质量的好坏在很大程度上取决于齿轮材料及其热处理工艺。因此，国内外与齿轮制造相关的厂家都极为重视齿轮材料及其热处理技术的研究开发。
现有技术中齿轮的材料选择一般根据齿轮在传动系统中的受力和工作环境，热处理工艺是保证齿轮表面硬化层厚度、齿轮表面和心部硬度、齿轮的抗腐蚀性能满足工艺要求的手段。现有技术中针对材质为20CrMnTiH齿轮的热处理得到的产品马氏体金相等级较高，这样得到的齿轮在使用过程中在外力作用下极易出现加工硬化，导致齿轮在较短时间内发生表面层脱离，严重影响齿轮传动的稳定性和使用寿命，通过采用铸坯的方式得到齿轮毛坯虽然高效，但齿条和齿面上C含量差异较大，影响齿轮寿命进一步提高。
发明内容
针对上述现有技术中针对材质为20CrMnTiH齿轮的热处理得到的产品马氏体金相等级较高，这样得到的齿轮在使用过程中在外力作用下极易出现加工硬化，导致齿轮在较短时间内发生表面层脱离，严重影响齿轮传动的稳定性和使用寿命，通过采用铸坯的方式得到齿轮毛坯虽然高效，但齿条和齿面上C含量差异较大，影响齿轮寿命进一步提高的问题，本发明提供了一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺。
针对上述问题，本发明提供的一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺通过以下技术要点来达到发明目的：一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺，包括顺序进行的铸坯、切削加工、热处理、精切削和磨削加工，所述铸坯的原料为20CrMnTiH，铸坯过程采用连铸机，所述连铸机的拉速为0.6-0.72m/min，所述铸坯采用结晶器电磁搅拌，所述电磁搅拌的电流为400A，频率为2.5Hz，所述热处理包括将切削加工得到的毛坯加热至830-920℃进行渗碳处理，且渗碳处理中以上温度保持时间不少于3h、渗碳处理后进行缓慢冷却、毛坯缓慢冷却到不高于550℃时进行第二次加热并保温不少于2h后淬火、对淬火后的毛坯第三次加热至170-200℃并保温不少于3h进行回火，所述第二次加热为将毛坯加热至840-870℃，所述渗碳处理包括先后进行的预热阶段、强势渗碳阶段和扩散阶段；
所述预热阶段为将毛坯置于830-860℃的甲醇和丙烷气体中共热20-30min，所述强势渗碳阶段将上述预热阶段的毛坯、甲醇和丙烷气体环境升温至875-920℃保持2-3h，并控制甲醇和丙烷气体的补充量，维持碳势保持为1.0-1.15%，所述扩散阶段为将强势渗碳阶段的毛坯、甲醇和丙烷气体环境降温至830-880℃保持1.5-2h，并控制甲醇和丙烷气体的补充量，维持碳势保持为0.7-0.75%。
更进一步的技术方案为：
所述切削加工与热处理之间还包括除油清洗步骤。
所述除油清洗步骤为采用温度为50-65℃的除油清洗剂对毛坯不少于30min的浸泡处理。
所述热处理与精切削之间还包括不少于15min的喷丸处理。
所述缓慢冷却为炉冷。
对毛坯的第二次加热并保温毛坯位于还原性保护气体环境中。
对毛坯第二次加热并保温后的淬火为油冷。
所述油冷与回火步骤之间还包括清洗步骤。
    本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的环规制造方法工艺简单，热处理工艺的能源消耗相较于现有技术仅多出20%，但最后齿轮产品的金相组织晶粒得到了细化，齿轮产品马氏体组织金相等级为3，相较于现有技术采用本材料得到的齿轮马氏体组织金相等级下降了2-3个等级，同时，通过以上热处理工艺，得到的齿轮表面硬度保持在59-60HRC上，心部硬度等级保持在35-36HRC上，表层硬化层厚度为1.2-1.4mm。以上产品齿轮参数使得齿轮在使用过程中表面硬化层不易脱离、齿轮抗冲击能力、耐磨性和强度适宜，齿轮的使用寿命为同等采用现有热处理工艺得到的齿轮的5-7倍。
2、本工艺路线采用的渗碳处理温度参数和各个阶段持续时间，便于实现毛坯足够的淬透性、小的过热敏感性、良好的渗碳能力、热处理之后的残余奥氏体含量少、渗碳淬火变形量小。
3、铸坯过程中采用的结晶器电磁搅拌，搅拌器激发的交变磁场渗透到铸坯的钢水内，就在其中感应起电流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力，作用在钢水体积元上，从而能推动钢水运动。电磁搅拌的参数选择使得得到的齿轮毛坯中Cr、Mn、C的偏析度分别在0.05、0.05和0.085左右，相较于现有技术普遍采用的电磁搅拌，Cr、Mn、C的偏析度下降值分别为0.035、0.02和0.035左右，即以上工艺参数的选择均匀了齿轮毛坯中各组分的分布，有利于齿轮同一工作面上力学性能和耐磨性的统一性，利于齿轮的寿命。
4、本发明中通过对连铸机拉速的控制，相较于现有技术拉速降约为0.06m/min，但铸坯得到的齿轮毛坯在任意断面上Cr、Mn、C等的成分分布较现有技术有了较大改善：如C的含量在距毛坯表面为毛坯断面宽度的二分之一和四分之一处，C的含量差值可缩小至0.002-0.015%，而拉速降低后并不影响齿轮毛坯的表面成形质量，即以上设置有利于均匀齿轮的力学性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明的结构不仅限于以下实施例。
实施例1：
一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺，包括顺序进行的铸坯、切削加工、热处理、精切削和磨削加工，所述铸坯的原料为20CrMnTiH，铸坯过程采用连铸机，所述连铸机的拉速为0.6-0.72m/min，所述铸坯采用结晶器电磁搅拌，所述电磁搅拌的电流为400A，频率为2.5Hz，所述热处理包括将切削加工得到的毛坯加热至830-920℃进行渗碳处理，且渗碳处理中以上温度保持时间不少于3h、渗碳处理后进行缓慢冷却、毛坯缓慢冷却到不高于550℃时进行第二次加热并保温不少于2h后淬火、对淬火后的毛坯第三次加热至170-200℃并保温不少于3h进行回火，所述第二次加热为将毛坯加热至840-870℃，所述渗碳处理包括先后进行的预热阶段、强势渗碳阶段和扩散阶段；
所述预热阶段为将毛坯置于830-860℃的甲醇和丙烷气体中共热20-30min，所述强势渗碳阶段将上述预热阶段的毛坯、甲醇和丙烷气体环境升温至875-920℃保持2-3h，并控制甲醇和丙烷气体的补充量，维持碳势保持为1.0-1.15%，所述扩散阶段为将强势渗碳阶段的毛坯、甲醇和丙烷气体环境降温至830-880℃保持1.5-2h，并控制甲醇和丙烷气体的补充量，维持碳势保持为0.7-0.75%。
本发明提供的环规制造方法工艺简单，热处理工艺的能源消耗相较于现有技术仅多出20%，但最后齿轮产品的金相组织晶粒得到了细化，齿轮产品马氏体组织金相等级为3，相较于现有技术采用本材料得到的齿轮马氏体组织金相等级下降了2-3个等级，同时，通过以上热处理工艺，得到的齿轮表面硬度保持在59-60HRC上，心部硬度等级保持在35-36HRC上，表层硬化层厚度为1.2-1.4mm。以上产品齿轮参数使得齿轮在使用过程中表面硬化层不易脱离、齿轮抗冲击能力、耐磨性和强度适宜，齿轮的使用寿命为同等采用现有热处理工艺得到的齿轮的5-7倍。
本工艺路线采用的渗碳处理温度参数和各个阶段持续时间，便于实现毛坯足够的淬透性、小的过热敏感性、良好的渗碳能力、热处理之后的残余奥氏体含量少、渗碳淬火变形量小。
铸坯过程中采用的结晶器电磁搅拌，搅拌器激发的交变磁场渗透到铸坯的钢水内，就在其中感应起电流，该感应电流与当地磁场相互作用产生电磁力，作用在钢水体积元上，从而能推动钢水运动。电磁搅拌的参数选择使得得到的齿轮毛坯中Cr、Mn、C的偏析度分别在0.05、0.05和0.085左右，相较于现有技术普遍采用的电磁搅拌，Cr、Mn、C的偏析度下降值分别为0.035、0.02和0.035左右，即以上工艺参数的选择均匀了齿轮毛坯中各组分的分布，有利于齿轮同一工作面上力学性能和耐磨性的统一性，利于齿轮的寿命。
本发明中通过对连铸机拉速的控制，相较于现有技术拉速降约为0.06m/min，但铸坯得到的齿轮毛坯在任意断面上Cr、Mn、C等的成分分布较现有技术有了较大改善：如C的含量在距毛坯表面为毛坯断面宽度的二分之一和四分之一处，C的含量差值可缩小至0.002-0.015%，而拉速降低后并不影响齿轮毛坯的表面成形质量，即以上设置有利于均匀齿轮的力学性能。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，为消除切削加工之间工艺路线中机械设备或环境对毛坯造成的油污污染，避免油污影响热处理效果，所述切削加工与热处理之间还包括除油清洗步骤。
为取得良好的除油清洗效果和清洗效率，所述除油清洗步骤为采用温度为50-65℃的除油清洗剂对毛坯不少于30min的浸泡处理。
为进一步增强产品的表面质量，所述热处理与精切削之间还包括不少于15min的喷丸处理。
为防止冷却过程中氧化性气体等对毛坯的表面造成影响，所述缓慢冷却为炉冷。进一步的，对毛坯的第二次加热并保温毛坯位于还原性保护气体环境中。进一步的，对毛坯第二次加热并保温后的淬火为油冷。
为避免回火效果受其他因数的影响，所述油冷与回火步骤之间还包括清洗步骤。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺，包括顺序进行的铸坯、切削加工、热处理、精切削和磨削加工，其特征在于，所述铸坯的原料为20CrMnTiH，铸坯过程采用连铸机，所述连铸机的拉速为0.6-0.72m/min，所述铸坯采用结晶器电磁搅拌，所述电磁搅拌的电流为400A，频率为2.5Hz，所述热处理包括将切削加工得到的毛坯加热至830-920℃进行渗碳处理，且渗碳处理中以上温度保持时间不少于3h、渗碳处理后进行缓慢冷却、毛坯缓慢冷却到不高于550℃时进行第二次加热并保温不少于2h后淬火、对淬火后的毛坯第三次加热至170-200℃并保温不少于3h进行回火，所述第二次加热为将毛坯加热至840-870℃，所述渗碳处理包括先后进行的预热阶段、强势渗碳阶段和扩散阶段；
所述预热阶段为将毛坯置于830-860℃的甲醇和丙烷气体中共热20-30min，所述强势渗碳阶段将上述预热阶段的毛坯、甲醇和丙烷气体环境升温至875-920℃保持2-3h，并控制甲醇和丙烷气体的补充量，维持碳势保持为1.0-1.15%，所述扩散阶段为将强势渗碳阶段的毛坯、甲醇和丙烷气体环境降温至830-880℃保持1.5-2h，并控制甲醇和丙烷气体的补充量，维持碳势保持为0.7-0.75%。
2.根据权利要求1所述的一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺，其特征在于，所述切削加工与热处理之间还包括除油清洗步骤。
3.根据权利要求2所述的一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺，其特征在于，所述除油清洗步骤为采用温度为50-65℃的除油清洗剂对毛坯不少于30min的浸泡处理。
4.根据权利要求1所述的一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺，其特征在于，所述热处理与精切削之间还包括不少于15min的喷丸处理。
5.根据权利要求1所述的一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺，其特征在于，所述缓慢冷却为炉冷。
6.根据权利要求1所述的一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺，其特征在于，对毛坯的第二次加热并保温毛坯位于还原性保护气体环境中。
7.根据权利要求1所述的一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺，其特征在于，对毛坯第二次加热并保温后的淬火为油冷。
8.根据权利要求7所述的一种便于优化齿轮表面质量和偏析度的生产工艺，其特征在于，所述油冷与回火步骤之间还包括清洗步骤。
 
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