CN104562050B - 一种重载齿轮的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种重载齿轮的制备方法，它的原材料为低碳含硅铝渗碳钢；其方法首先对齿轮进行表面渗碳处理，渗碳后表面碳含量0.7‑1.0wt.％，然后进行最终热处理，加热到880‑920℃进行奥氏体化处理，然后直接放入含水量0.6‑0.8％的NaNO3和KNO2的盐浴中等温淬火，等温温度190‑220℃，随后在150‑200℃回火，最后对齿轮进行表面喷丸处理，获得齿轮的心部组织为低碳回火马氏体组织，表面为高强韧性的纳米贝氏体和马氏体组织。本发明缩短了生产周期，制得的齿轮热处理变形显著减小，提高了齿轮的弯曲疲劳和抗接触疲劳强度，保证了齿轮服役过程中的尺寸稳定性。
Description
技术领域 本发明属于材料科学与工程领域，特别涉及一种重载齿轮的制备方法。
背景技术 齿轮是在机械传动过程中最为重要一类基础件，在服役过程中承受冲击和振动所带来的动载荷，因此要求齿轮具有高的韧性，优良的耐磨性，又要具备高的抗解除疲劳和抗弯曲疲劳性能，其质量的优劣直接关系到整个设备的使用寿命。近年来，齿轮传动不断向高速、重载的方向发展，对齿轮的材料及性能不断提出更高的要求。重载齿轮的受力较大，服役环境更加恶劣，因此其耐磨性、疲劳强度、强韧性等机械性能指标均要高于普通齿轮。现在，重载齿轮通常采用渗碳钢来制造。
对于重载渗碳齿轮钢，美国使用Ni-Mo系的SAE46和SAE48系列钢，德国逐渐开始使用Cr-Ni-Mo系钢17CrNiMo6钢作为大模数重载齿轮用钢，日本含Mo量较高的SCM882以及Cr-Ni-Mo钢，如SNCM415，用于高淬透性和心部高韧性的重型汽车变速箱齿轮上，在英国，重载齿轮主要采用含Ni-Cr-Mo较高的EN355钢。目前德国、日本及美国的一些渗碳钢已在我国实现国产化，对于大模数汽车齿轮用钢以18CrNi8为主，工程机械用重载齿轮一般用18Cr2Ni4W钢。近年来又发展出成本较低的无Ni或低Ni含量的重载大型齿轮用钢，如15CrMn2SiMo，18CrMnNiMo。
传统的渗碳齿轮钢热处理工艺为渗碳淬火处理，表面获得高碳马氏体组织，具有高的硬度和耐磨性能，心部为低碳马氏体组织，韧性较高，如专利100365150C公开了一种重载齿轮钢，齿轮采用920℃渗碳，缓冷至820℃出炉油淬，最后在200℃回火，获得表面硬度HRC61-63，心部硬度HRC38-39的齿轮。近年来发展了一种低碳空冷贝氏体齿轮钢，以Mn-B系列和Si-Mn-Mo系列为主，采用渗碳后空冷的工艺，如专利CN1260386C公开了一种Mn-Re系高强韧性空冷贝氏体钢及其制造工艺，材料以Mn、Si为主要元素，再添加微量其它元素，工艺采用渗碳后空冷处理，齿轮表面的硬度HRC58-63，心部硬度HRC34-43，表层组织为马氏体+过渡形态贝氏体和部分残余奥氏体，心部为贝氏体组织。还有一种准贝氏体渗碳钢，该类钢种经过渗碳处理并空淬后得到的组织为表层高碳马氏体+残余奥氏体，过渡层为马氏体+准贝氏体组织，心部为准贝氏体组织。专利CN100503893C公开了一种表面具有硬贝氏体组织齿轮的制造工艺，该发明中将齿轮渗碳处理后，再次进行奥氏体化处理，随后在180℃-350℃的介质中保温，最后在150℃-350℃回火，最终获得表层为硬贝氏体组织，而心部为回火马氏体组织，齿轮适用于中等应力条件下，其使用寿命比目前广泛应用的渗碳而后淬火低温回火20CrMnTi钢齿轮提高50％以上。可见与传统重载齿轮采用油淬回火工艺获得表面获得马氏体组织相比，在表层获得具有相当强度，更高韧性贝氏体组织的重载齿轮具有广泛的应用前景。
重载齿轮在服役过程中对尺寸稳定性要求较高，而采取常规贝氏体等温淬火处理后组织中往往会保留一定的残余奥氏体，这些残余奥氏体在服役过程中会发生相变从而使尺寸发生变化，严重影响齿轮的使用。
发明内容 本发明的目的在于提供一种能够缩短生产周期、提高齿轮的弯曲疲劳和抗接触疲劳强度、保证齿轮服役过程中的尺寸稳定性的重载齿轮的制备方法。本发明主要是通过在齿轮原材料中加入Si和Al合金元素抑制碳化物析出，获得具有高强韧性的无碳化物纳米贝氏体组织，随后采取在齿轮表面进行喷丸处理的方法，降低表面残余奥氏体量，保证贝氏体齿轮后期服役过程中的尺寸稳定性，提高齿轮的服役寿命。
本发明的技术方案如下：
(1)加工齿轮的原材料为低碳含硅铝渗碳钢，其中Si：0.70-1.30wt％、Al含：0.30-0.70wt.％；
(2)对加工后的齿轮表面进行渗碳处理，渗碳后齿轮表面碳含量0.7-1.0wt.％；
(3)对步骤(2)经过渗碳处理的齿轮进行最终热处理，热处理工艺为：在880-920℃进行奥氏体化，随后直接放入含水量0.6-0.8％的NaNO3和KNO2的盐浴中等温淬火处理，等温温度为190-220℃，等温保温时间5-10h，随后160-250℃进行低温保温回火处理；所述盐浴中NaNO3和KNO2的质量比为1:1；
(4)将热处理后的齿轮进行喷丸处理，喷丸强度0.35-0.50A，表面覆盖率100-300％。
制备的重载齿轮的组织特征为表面纳米贝氏体及少量马氏体，心部为低碳马氏体组织。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)原材料中添加硅和铝元素以抑制贝氏体相变过程中碳化物析出，获得高强韧性的无碳化物纳米贝氏体组织，同时利用铝元素加速贝氏体相变，缩短生产周期；
(2)制得的齿轮热处理变形显著减小；
(3)齿轮表层的高残余压应力，提高齿轮的弯曲疲劳和抗接触疲劳强度；
(4)齿轮表层的残余奥氏体含量低，提高齿轮服役过程中的尺寸稳定性。
具体实施方式
实施例1
采用原材料的化学成分(wt.％)为：C 0.18，Mn 0.95，Si 1.24，Ni 0.56，Cr 1.55，Mo 0.36，Al 0.35，P 0.015，S 0.007，其余为Fe，加工成铲车齿轮后对其进行渗碳处理，渗碳齿轮后表面的碳含量为0.75，将齿轮再次加热至900℃进行奥氏体化处理，然后放入190℃盐浴中进行等温淬火，盐浴中NaNO3和KNO2质量比为1:1、含水量0.70％，等温时间6h，随后在200℃回火1h。最后对齿轮进行喷丸处理，喷丸强度0.43A，表面覆盖率200％。处理后齿轮表面硬度HRC60，心部硬度HRC38。
实施例2
采用原材料的化学成分(wt.％)为：C 0.20，Mn 0.72，Si 0.74，Ni 0.62，Cr 1.35，Mo 0.26，Al 0.68，P 0.019，S 0.012，其余为Fe，加工成矿山机械重载齿轮后对其进行渗碳处理，渗碳后齿轮表面的碳含量为0.85，再次加热至880℃进行奥氏体化处理，然后放入220℃盐浴中进行等温淬火，盐浴中NaNO3和KNO2质量比为1:1、含水量0.60％，等温时间8h，随后在160℃回火1h。最后对齿轮进行喷丸处理，喷丸强度0.35A，表面覆盖率300％。处理后齿轮表面硬度HRC62，心部硬度HRC42。
实施例3
采用原材料的化学成分(wt.％)为：C 0.17，Mn 1.22，Si 0.92，Cr 1.45，Mo 0.26，Al 0.58，P 0.014，S 0.010，其余为Fe，加工成港口输煤系统中使用的齿轮后对其进行渗碳处理，渗碳后齿轮表面的碳含量为0.90，再次加热至920℃进行奥氏体化处理，然后放入190℃盐浴中进行等温淬火，盐浴中NaNO3和KNO2质量比为1:1、含水量0.80％，等温时间10h，随后在200℃回火1h。最后对齿轮进行喷丸处理，喷丸强度0.50A，表面覆盖率100％。处理后齿轮表面硬度HRC63，心部硬度HRC40。
Claims (3)
1.一种重载齿轮的制备方法，其特征在于：
(1)加工齿轮的原材料为低碳含硅铝渗碳钢，其中Si：0.70-1.24wt.％、Al：0.30-0.70wt.％；
(2)将原材料机械加工成齿轮后，对齿轮表面进行渗碳处理，渗碳后表面碳含量0.7-1.0wt.％；
(3)对步骤(2)经过渗碳处理的齿轮进行最终热处理，在880-920℃进行奥氏体化，随后直接放入含水量0.6-0.8％的NaNO3和KNO2的盐浴中等温淬火处理，等温温度为190-220℃，保温时间5-10h，随后160-250℃低温保温回火处理；
(4)将热处理后的齿轮进行喷丸处理，喷丸强度0.35-0.50A，表面覆盖率100-300％。
2.根据权利要求1所述的一种重载齿轮的制备方法，其特征在于：所述盐浴中NaNO3和KNO2的质量比为1:1。
3.根据权利要求1或2所述的一种重载齿轮的制备方法，其特征在于：制备的重载齿轮的组织特征为表面纳米贝氏体及少量马氏体，心部为低碳马氏体组织。
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