CN104711401B - 大型重载齿轮渗碳淬火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大型重载齿轮的渗碳淬火方法，包括分段式升温均温步骤，碳势逐级降低渗碳步骤，分段式降温均温步骤，分级淬火步骤，低温回火步骤。本发明提供的大型重载齿轮渗碳淬火热处理方法，其既能缩短热处理周期，提高生产效率，节约能耗，又能有效控制齿轮的热处理变形量，优化齿轮表面的金相组织，提高齿轮的综合力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种热处理方法，特别涉及一种大型重载齿轮的渗碳淬火方法，属于热处理技术领域。
背景技术
齿轮是减速器及传动机构中常用的传动零件之一，主要用来支承传动零部件以及传递扭矩和承受载荷。在运转过程中，齿轮相互啮合的齿面之间既有滚动又有滑动，既受脉冲应力又受交变弯曲应力，因此齿轮需经过热处理以具有良好的硬度、耐磨性、高的弯曲疲劳强度和抗冲击能力。
大型重载齿轮尺寸大、承载重、受冲击力强，则其安全性能要求更高，使用时除了应具有良好的表面硬度，优良的耐磨性能，还应有较高的抗过载能力，高尺寸精度和运转中的低噪音性能。
如图2所示，现有的大型重载齿轮渗碳淬火方法为：进渗碳炉升温升碳势至强渗阶段，强渗一段时间（9-11h）后恒温降碳势至扩散阶段，又经过一段时间（9-11h）的扩散后预冷至出炉温度并保温一段时间（1-2h），出炉后进缓冷坑冷却到室温，再进回火炉进行高温回火（650℃），再出炉进风冷坑冷却到室温，再重新加热淬火，淬火介质为油质淬火剂，最后经过两次低温回火（160-220℃）空冷至室温。
该渗碳淬火热处理方法能有效地细化晶粒，降低残余奥氏体含量，提高齿轮表面硬度。但它存在如下不足：
1，高碳势的强渗时间长，渗碳炉内易产生炭黑，齿轮表面组织中易出现网状或大块状碳化物，易引起齿轮表面早期开裂；
2，大型齿轮在加热和降温过程中内外产生的热应力大，淬火在60℃的油剂中进行，内外产生的组织应力大，因而导致齿轮的变形大；
3，渗碳后出炉进缓冷坑冷却，极易引起表面氧化、脱碳，淬火后表面组织中存在黑色组织，降低了齿轮的抗疲劳性能，缩短了使用寿命；
4，渗碳后冷却到室温再高温回火，再冷却到室温再加热淬火，热处理生产周期长，生产效率低，能耗大。
为了解决上述技术问题，有必要新开发一种新的大型重载齿轮的渗碳淬火热处理方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有的大型重载齿轮渗碳淬火热处理方法周期长，能耗高，变形大，易产生黑色组织和有害碳化物的缺点，提供一种优化的大型重载齿轮渗碳淬火热处理方法。该新方法既能缩短方法周期，提高生产效率，节约能耗，又能有效控制齿轮的变形量，优化齿轮表面的金相组织。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：
一种大型重载齿轮渗碳淬火方法，包括如下步骤：
S1、分段式升温均温步骤，将齿轮置于渗碳炉内加热至650±30℃均温一段时间t均温，继续升温至830±30℃均温一段时间t均温，再升温至930±10℃；
S2、碳势逐级降低渗碳步骤，向渗碳炉内通入渗碳剂开始渗碳，首先为高碳势强渗阶段，控制碳势CP为1.25±0.05C%；再为降低碳势强渗阶段，控制碳势CP为1.15±0.05C%，然后为低碳势扩散阶段，控制碳势CP为0.85±0.05C%，再为降低碳势扩散阶段，控制碳势CP为0.75±0.05C%，每个阶段均维持一段渗碳时间t渗碳；
S3、分段式降温均温步骤，将齿轮冷却至830±30℃均温一段时间t均温，继续冷却至650±30℃保温3﹣4小时；
S4、分级淬火步骤，将齿轮升温至830±10℃保温1﹣2小时，出渗碳炉后进入盐浴炉分级淬火；
S5、低温回火步骤，将齿轮放在回火炉中加热至160-220℃，并保温3-4小时，然后出炉空冷至室温。
优选的，所述的分段式升温均温步骤、分段式降温均温步骤中，均温时间t均温=α×K×D，式中α为加热系数（min/mm），D为工件有效厚度（mm），K为工件装炉条件修正系数。
进一步优选的，所述的分段式升温均温步骤、分段式降温均温步骤中，均温时间t均温为1﹣2小时。
优选的，所述渗碳剂为甲醇、乙烷、丙烷、乙醇、丙醇、醋酸乙酯的任意一种或多种。
优选的，所述的碳势逐级降低渗碳步骤中，所述的渗碳时间t渗碳=（δ/K）2，式中δ为渗层深度（mm），K为渗碳温度系数。
进一步优选的，所述的碳势逐级降低渗碳步骤中，高碳势强渗阶段的渗碳时间t渗碳保持5-6小时；降低碳势强渗阶段的渗碳时间t渗碳保持4-5小时；低碳势扩散阶段的渗碳时间t渗碳保持5-6小时；降低碳势扩散阶段的渗碳时间t渗碳保持4-5小时。
优选的，所述的碳势逐级降低渗碳步骤中，所述碳势通过调节渗碳剂流量来控制。
优选的，所述的淬火步骤中，采用的淬火介质为熔融硝盐，硝盐浴的成分按质量分数为：55%KNO3+45%NaNO3。
优选的，所述的低温回火步骤中，回火的次数为两次。
本发明的技术效果显著，具体体现为：
1，齿轮在加热和降温过程中采用了分段式均温，使工件各部分的温度基本趋于一致，降低了大型齿轮内外的热应力。齿轮在淬火时采用在硝盐浴中分级淬火，使表层的马氏体在随后的空冷过程中完成转变，降低了淬火烈度，减小了工件的组织应力。通过热应力和组织应力的共同降低，大幅降低了齿轮的变形量；
2，渗碳过程中的碳势采用逐级降低法，避免了齿轮在高碳势下的长时间强渗，有效的减少了渗碳炉内炭黑的形成，避免了齿轮表面网状、大块状碳化物的出现；
3，渗碳后齿轮先冷却至淬火温度均温，再继续冷却至高温回火温度保温，再加热至淬火温度保温并出炉淬火，这样减少了渗碳后的出炉环节，避免了齿轮与空气接触，从而降低了齿轮表面氧化、脱碳，减少了淬火后表面组织中的黑色组织；同时，也大幅缩短了热处理周期，提高了生产效率，降低了能耗。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1为本发明对大型重载齿轮的渗碳淬火方法示意图；
图2为现有技术对大型重载齿轮的渗碳淬火方法示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明揭示了一种大型重载齿轮渗碳淬火方法，如图1所示，包括如下步骤：
1）升温，将齿轮置于渗碳炉内加热至650±30℃均温1﹣2小时，继续升温至 830±30℃均温1﹣2小时，再升温至930±10℃；
2）渗碳，向渗碳炉内通入甲醇和丙烷开始渗碳，
首先为高碳势强渗阶段，控制碳势CP为1.25±0.05C%，保持5-6小时；
再为降低碳势强渗阶段，控制碳势CP为1.15±0.05C%，保持4-5小时；
然后为低碳势扩散阶段，控制碳势CP为0.85±0.05C%，保持5-6小时；
再为降低碳势扩散阶段，控制碳势CP为0.75±0.05C%，保持4-5小时；
3）降温，将齿轮冷却至830±30℃均温1﹣2小时，继续冷却至650±30℃保温3﹣4小时；
4）淬火，将齿轮升温至830±10℃保温1﹣2小时，出炉分级淬火，淬火介质为熔融硝盐，硝盐浴的成分按质量分数为：55%KNO3+45%NaNO3；
5）回火，将齿轮在回火炉中加热至160-220℃，并保温3-4小时，然后出炉空冷至室温。回火次数为两次。
优选的，所述的分段式升温均温步骤中，均温时间t均温=α×K×D，式中α为加热系数（min/mm），D为工件有效厚度（mm），K为工件装炉条件修正系数。所述的碳势逐级降低渗碳步骤中，所述的渗碳时间t渗碳=（δ/K）2，式中δ为渗层深度（mm），K为渗碳温度系数。通过以上计算式可以相对确认均温时间和渗碳时间。简单来说，所述的均温时间与齿轮的尺寸、装炉量有关，齿轮越大，转炉量越大，均温时间越长；渗碳时间与齿轮渗碳层深度有段，渗碳层深度越深，渗碳时间越长。
本发明中，所述渗碳剂可为甲醇、乙烷、丙烷、乙醇、丙醇、醋酸乙酯的任意一种或多种，或其他。所述的碳势逐级降低渗碳步骤中，所述碳势通过调节渗碳剂流量来控制。
进一步地，本发明的优选实施例具体为：
1）升温，将齿轮置于渗碳炉内加热至650℃均温2小时，继续升温至 830℃均温2小时，再升温至930℃；
2）渗碳，向渗碳炉内通入甲醇和丙烷开始渗碳，首先为高碳势强渗阶段，控制碳势CP为1.25C%，保持6小时。再为降低碳势强渗阶段，控制碳势CP为1.15C%，保持5小时。然后为低碳势扩散阶段，控制碳势CP为0.85C%，保持5小时。再为降低碳势扩散阶段，控制碳势CP为0.75C%，保持4小时；
3）降温，将齿轮冷却至830℃均温2小时，继续冷却至650℃保温4小时；
4）淬火，将齿轮升温至830℃保温2小时，出炉分级淬火，淬火介质为熔融硝盐，硝盐浴的成分为：55%KNO3+45%NaNO3，硝盐浴的温度保持在180℃，并快速搅拌熔融硝盐；
5）回火，将齿轮在回火炉中加热至180℃，保温3小时后空冷至室温，然后再加热至180℃，保温3小时后出炉空冷至室温。
本实施例中：该齿轮材质为低碳钢，例如选用18CrNiMo7-6。
本实施例中：该渗碳气氛中的载气为氮气和甲醇，加入比例为1.1:1，富化气为丙烷，该甲醇的加入量为3.8升/小时。
采用上述热处理方法得到如下具体的技术效果：1，热处理后的齿轮表面碳化物级别为1-2级，表面硬度为58-62HRC，有效硬化层深度为1.5-1.9mm；2，齿轮表面脱碳层≤15µm，非马氏体组织≤12µm；3，齿轮的尺寸变形减少了3/4，精度提高了2-3级；4，节约能耗15%。
同理的，经过本发明范围中其他的热处理方法处理的大型重载齿轮同样能达到上述的技术效果。
本发明并不限于前述实施方式，本领域技术人员在本发明技术精髓的启示下，还可能做出其他变更，但只要其实现的功能与本发明相同或相似，均应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种大型重载齿轮渗碳淬火方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1、分段式升温均温步骤，将齿轮置于渗碳炉内加热至650±30℃均温一段时间t均温，继续升温至830±30℃均温一段时间t均温，再升温至930±10℃；
S2、碳势逐级降低渗碳步骤，向渗碳炉内通入渗碳剂开始渗碳，首先为高碳势强渗阶段，控制碳势CP为1.25±0.05C％；再为降低碳势强渗阶段，控制碳势CP为1.15±0.05C％；然后为低碳势扩散阶段，控制碳势CP为0.85±0.05C％；再为降低碳势扩散阶段，控制碳势CP为0.75±0.05C％，每个阶段均维持一段渗碳时间t渗碳；
S3、分段式降温均温步骤，将齿轮冷却至830±30℃均温一段时间t均温，继续冷却至650±30℃保温3﹣4小时；
S4、分级淬火步骤，将齿轮升温至830±10℃保温1﹣2小时，出渗碳炉后进入盐浴炉分级淬火；
S5、低温回火步骤，将齿轮放在回火炉中加热至160-220℃，并保温3-4小时，然后出炉空冷至室温；
所述的分段式升温均温步骤、分段式降温均温步骤中，均温时间t均温＝α×K×D，式中α为加热系数(min/mm)，D为工件有效厚度(mm)，K为工件装炉条件修正系数；
所述的碳势逐级降低渗碳步骤中，所述的渗碳时间t渗碳＝(δ/K)2，式中δ为渗层深度(mm)，K为渗碳温度系数；
所述的淬火步骤中，采用的淬火介质为熔融硝盐，硝盐浴的成分按质量分数为：55％KNO3+45％NaNO3。
2.根据权利要求1所述的大型重载齿轮渗碳淬火方法，其特征在于：所述的分段式升温均温步骤、分段式降温均温步骤中，均温时间t均温为1﹣2小时。
3.根据权利要求1所述的大型重载齿轮渗碳淬火方法，其特征在于：所述渗碳剂为甲醇、乙烷、丙烷、乙醇、丙醇、醋酸乙酯的任意一种或多种。
4.根据权利要求1所述的大型重载齿轮渗碳淬火方法，其特征在于：所述的碳势逐级降低渗碳步骤中，高碳势强渗阶段的渗碳时间t渗碳保持5-6小时；降低碳势强渗阶段的渗碳时间t渗碳保持4-5小时；低碳势扩散阶段的渗碳时间t渗碳保持5-6小时；降低碳势扩散阶段的渗碳时间t渗碳保持4-5小时。
5.根据权利要求1所述的大型重载齿轮渗碳淬火方法，其特征在于：所述的碳势逐级降低渗碳步骤中，所述碳势通过调节渗碳剂流量来控制。
6.根据权利要求1所述的大型重载齿轮渗碳淬火方法，其特征在于：所述的低温回火步骤中，回火的次数为两次。
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