CN105238911A - 一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，包括S1，渗碳步骤：将齿轮用钢置入渗碳炉中，升温至第一温度，进行渗碳后，降温至860±5℃均温后冷却至室温；S2，等温正火步骤：将其在900±5℃保温a小时，风冷至第二温度后保温b小时，空冷至室温；S3,一次淬火步骤：将其加热至840±5℃保温后出炉，进行油淬；S4，高温回火步骤：将其加热至第三温度保温c小时后空冷至室温；S5,二次淬火步骤：将其加热至820±5℃保温后出炉，进行油淬；S6，低温回火步骤：将其在第四温度保温d小时后空冷至室温。本发明采用晶粒细化的热处理方法，改善了材料组织，提高了材料的强韧性、冲击韧性、耐磨性、疲劳强度和抗蚀性能，产品的综合力学性能良好。
Description
技术领域
本发明涉及一种热处理方法，特别涉及一种重载机车齿轮用钢晶粒细化的热处理方法，属于热处理技术领域。
背景技术
近年来，随着列车的提速对机车的性能提出了新的挑战，从而对机车齿轮性能也提出了更高的要求。要求齿轮应具有足够的强度和冲击韧性，以保证在最高速度与载荷下，绝对安全可靠；要求齿轮表面具有优良的硬度和耐磨性，从而保证有良好的接触疲劳性能，提高齿轮寿命。齿轮对于高速列车来说是直接关系列车安全的至关重要的零部件，因此，世界各国都十分重视机车齿轮的材料与工艺研究开发。
目前，重载机车齿轮用钢材料大多采用18CrNiMo7-6，热处理大多采用渗碳淬火表面强化的工艺方法。如附图1所示，现有的重载机车齿轮用钢渗碳淬火方法为：进渗碳炉升温至930℃开始渗碳，首先为高碳势强渗阶段，再为降低碳势扩散阶段，然后冷却至840℃保温一段时间（1-2h），出炉后热油淬火，最后低温回火（180-220℃），空冷至室温。
该方法能有效提高齿轮表面硬度和耐磨性，提高齿轮的接触疲劳性能，但存在以下不足：齿轮渗碳温度较高且保温时间较长，渗碳后晶粒较粗大，淬火后表层马氏体针较粗大，从而降低了齿轮的强韧性，降低了齿轮的综合力学性能。
为了解决上述技术问题，有必要新开发一种重载机车齿轮用钢晶粒细化的热处理方法。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种重载机车齿轮用钢晶粒细化的热处理方法。该新方法能有效的细化晶粒，提高重载机车齿轮用钢材料的抗拉强度、屈强比、疲劳强度、韧性和塑性指标，同时还能细化表层马氏体，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：
一种重载机车齿轮用钢晶粒细化的热处理方法，包括如下步骤：
S1，渗碳步骤：将重载机车齿轮用钢置入渗碳炉中，升温至第一温度，对所述重载机车齿轮用钢进行指定深度的渗碳后，降温至860±5℃均温1-2小时，然后进入缓冷坑冷却至室温；
S2，等温正火步骤：将经过渗碳的重载机车齿轮用钢升温至900±5℃保温a小时，风冷至第二温度后保温b小时，然后空冷至室温；
S3,一次淬火步骤：将经过等温正火的重载机车齿轮用钢加热至840±5℃保温1-2小时出炉，并置入65-95℃的热油进行淬火；
S4，高温回火步骤：将经过一次淬火的重载机车齿轮用钢加热至第三温度保温c小时，然后空冷至室温；
S5,二次淬火步骤：将经过高温回火的重载机车齿轮用钢加热至820±5℃保温1-2小时出炉，并置入65-95℃的热油进行淬火；
S6，低温回火步骤：将经过二次淬火的重载机车齿轮用钢在第四温度保温d小时，然后出炉空冷至室温。
优选的，所述的一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，其中：所述第一温度为920±5℃。
优选的，所述的一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，其中：所述渗碳步骤的渗碳时间t渗碳=（δ/K）2，示中δ为渗碳层深度（mm），K为渗碳温度系数。
优选的，所述的一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，其中：所述渗碳步骤包括S11高碳势强渗阶段及S12低碳势扩散阶段，
在所述S11高碳势强渗阶段中，控制渗碳炉内碳势CP为1.20±0.03C%，渗碳时间为9-10小时；
在所述S12低碳势扩散阶段中，控制渗碳炉内碳势CP为0.75±0.03C%，渗碳时间为9-10小时。
优选的，所述的一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，其中：所述a值为5-6小时，所述b值为4-5小时，所述第二温度为580-660℃。
优选的，所述的一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，其中：所述第三温度为650±10℃，所述c值为3-4小时。
优选的，所述的一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，其中：所述第四温度为180-220℃，所述d值为3-4小时。
优选的，所述的一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，其中：所述重载机车齿轮用钢材质为18CrNiMo7-6。
本发明技术方案的优点主要体现在：
1.通过该重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，操作简单、工序连接紧密，各步骤环环相扣，通过整个流程的设定以及各种关键参数的合理筛选能有效达到细晶强化的目的；
2.由于晶界是晶粒与晶粒之间的界面，所以晶粒越细，则晶界越多,因此通过本方法使晶粒细化能够增加晶界数量,因为常温下晶界强度比晶粒强度大很多，因此晶粒细化能有效提高钢的强度；
3.更进一步，由于晶界处存在着许多晶体缺陷，溶质原子、杂质等常常聚集在晶界处，固态相变时，往往先在晶界处形核，晶界原子排列不整齐，杂质、缺陷较多，能量较高，从而阻碍位错通过，即晶界阻碍塑性变形，因此细化晶粒可使钢的屈服强度提高，晶粒越细，钢的强度硬度越高；晶界又是裂纹扩展的阻力，因此控制钢晶粒尺寸可在提高材料强度的同时改善钢的韧性；
4.而且一定体积内晶粒数越多，可把塑性变形限定在一定的范围内，相同的变形条件下，变形分散在更多的晶粒内，形变较均匀，位错塞积较少，因应力集中而开裂机会较少，可在断裂前承受较大的变形，即也表现为较高的塑性，因此细化晶粒可以提高钢的塑性；
5．细化晶粒还能有效细化马氏体针，进一步提高齿轮耐磨性、疲劳强度和抗蚀性能，提高齿轮的综合力学性能。
附图说明
图1是背景技术过程示意图；
图2是本发明的过程示意图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示的一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，首先通过降低渗碳过程的温度来抑制奥氏体晶粒长大倾向，再通过等温正火、淬火高回及二次淬火来逐步实现对重载机车齿轮用钢的芯部和表层进行晶粒的细化，生成细针状马氏体组织，从而提高重载机车齿轮用钢的综合力学性能。
本实施例中优选用于材质为18CrNiMo7-6的重载机车齿轮用钢的处理，如附图2所示，其具体处理过程如下：
S1，渗碳步骤：将重载机车齿轮用钢置入渗碳炉中，升温至920℃后，向所述渗碳炉内通入甲醇、丙烷及氮气形成渗碳气氛，当然渗碳剂也可以是甲醇、乙烷、丙烷、乙醇、丙醇、醋酸乙酯的任意一种或任意多种的组合，其中所述甲醇和氮气是渗碳气氛中的载气，两者的比例为1.1:1，所述甲醇的加入量为3.8升/小时，所述丙烷是渗碳气氛中的富化气。
通过控制渗碳过程中的碳势及渗碳时间，使所述重载机车齿轮用钢表面形成预定深度的渗碳层：
具体的，其包括高碳势强渗阶段，在该阶段控制所述渗碳炉内的碳势CP为1.20C%，渗碳时间为10小时,在该阶段中，渗碳剂分解产生活性碳原子，活性碳原子被重载机车齿轮用钢表面吸收后即溶到表层奥氏体中﹐使表层奥氏体中含碳量增加并累积；
随着表层奥氏体中含碳量的增加，便与芯部含碳量出现浓度差﹐此时表层的碳原子遂向重载机车齿轮用钢芯部扩散，此阶段即为低碳势扩散阶段，在该阶段控制所述渗碳炉内的碳势CP为0.75C%，渗碳时间为10小时。
研究表明，由于奥氏体晶粒的长大倾向与温度成正比，温度越高，奥氏体晶粒尺寸就越粗大，渗碳结束淬火后得到的马氏体也会粗大，因此本方法中通过使渗碳步骤中的温度低于现有技术中的渗碳温度，这样就在一定程度上降低奥氏体晶粒的长大倾向，使得奥氏体晶粒相对较小。
同时，为了弥补温度降低造成的碳原子的扩散系数降低，通过提高高碳势强渗阶段的碳势，增加工件表面碳原子浓度，从而提高碳原子的扩散速度，以保证能获得预定厚度的渗碳层。
在完成指定深度的渗碳后，降温至860±5℃均温1-2小时，然后进入缓冷坑冷却至室温。
当然，为了避免重载机车齿轮用钢在渗碳、淬火等加热、冷却处理过程中出现较大变形，在渗碳步骤之前还可以将重载机车齿轮用钢先进行预热，具体包括初预热过程，预热温度为510℃-550℃，保温时间约3-4小时；
二次预热，预热温度为708℃-718℃，保温时间与第一时间相同。
S2，等温正火步骤：将经过渗碳后的所述重载机车齿轮用钢升温至900℃保温5-6小时，优选为6小时，此时，组织转变成奥氏体，消除锻造、渗碳等原因引起的不良组织与缺陷，达到组织、成分均匀化，然后急速冷却至600℃保温4-5小时，优选为5小时，由于重载机车齿轮用钢的不同部位温度均匀化，所述重载机车齿轮用钢的不同部位基本上是在同一温度下完成组织转变的，所以转变产物及应力、硬度分布是均匀的，能够获得理想均匀的珠光体型组织，然后出炉空冷至室温。
等温正火的关键是依据奥氏体等温转变曲线，合理控制中间冷却阶段的冷却速度与时间和等温处理的温度与时间。因此，本申请通过保温时间及冷却过程的控制能有效消除渗碳表层的网状碳化物，消除内应力，匀化组织，细化晶粒。
S3,一次淬火步骤：将重载机车齿轮用钢加热至840℃保温1-2小时，优选为2小时，由于重载机车齿轮用钢芯部的含碳量较低，属于亚共析钢，芯部组织转变成形成细小、均匀的奥氏体晶粒，这时将重载机车齿轮用钢出炉置入90℃的热油进行淬火后，组织转变成马氏体组织，满足芯部的韧性要求，但由于表面经过渗碳处理，含碳量较高，属于过共析钢，加热到840℃后，由于温度高于过共析钢的淬火温度即Ac1+30~50℃，因此在淬火后形成的表层马氏体晶粒仍然相对粗大。
S4，高温回火步骤：为了降低淬火后重载机车齿轮用钢的脆性，需要将重载机车齿轮用钢加热至650℃保温3-4小时，优选为4小时，然后出炉空冷至室温，在此过程中过饱和马氏体转变为铁素体+细粒状渗碳体的混合物，即回火索氏体组织，从而使碳化物呈球状或颗粒状分布；而颗粒状或球状的渗碳体、碳化物对阻止断裂过程中裂纹的扩展比片状渗碳体更有利，同时颗粒状渗碳体有利于彻底消除内应力，提高金属的强度、塑性和韧性，从而提高重载机车齿轮用钢的综合力学性能。
S5,二次淬火步骤：一次淬火步骤虽然细化芯部晶粒和消除表面网状渗碳体，但淬火温度应高于芯部AC3温度，这个加热温度远高于表层的正常淬火加热温度，所以使表层晶粒粗大，为了细化晶粒，需采用二次淬火，淬火温度选在表层的AC1以上，而此加热温度不影响芯部的晶粒度。
具体的，将重载机车齿轮用钢加热至820℃保温1-2小时，优选为2小时，组织转变成奥氏体，一定数量的碳化物颗粒被保留，由于残余碳化物、渗碳体的存在可有效抑制奥氏体晶粒长大，因此在将所述重载机车齿轮用钢出炉置入90℃的热油进行淬火后，组织转变为具有少量细小渗碳体的细针状马氏体。
在一次淬火后高温回火再二次淬火，能使渗碳层中碳和合金元素以碳化物形式析出，消除渗碳层网状碳化物及细化芯部组织，同时可以改善渗碳层组织，细化马氏体针。
S6，低温回火步骤：为了降低二次淬火残留应力和重载机车齿轮用钢脆性，将重载机车齿轮用钢在180℃进行低温回火，保温2-3小时，优选为3小时，然后出炉空冷，淬火马氏体转变为回火马氏体，得到的组织为基体上分布着弥散细小的碳化物颗粒的细针状马氏体。
本实施例因齿轮体积大，故主要参数取高值，本发明通过合理设计整个工艺流程以及各流程中温度、保温时间、冷却方式的选择达到晶粒细化的目的，在晶粒细化热处理之后，使重载机车齿轮用钢力学性能得到大幅改善，塑韧性指标明显提高，同时，重载机车齿轮用钢表面的耐磨性能也大幅提高，从而也提高了齿轮的疲劳强度和抗蚀性。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成
的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，渗碳步骤：将重载机车齿轮用钢置入渗碳炉中，升温至第一温度，对所述重载机车齿轮用钢进行指定深度的渗碳后，降温至860±5℃均温1-2小时，然后进入缓冷坑冷却至室温；
S2，等温正火步骤：将经过渗碳的重载机车齿轮用钢升温至900±5℃保温a小时，风冷至第二温度后保温b小时，然后空冷至室温；
S3,一次淬火步骤：将经过等温正火的重载机车齿轮用钢加热至840±5℃保温1-2小时出炉，并置入65-95℃的热油进行淬火；
S4，高温回火步骤：将经过一次淬火的重载机车齿轮用钢加热至第三温度保温c小时，然后空冷至室温；
S5,二次淬火步骤：将经过高温回火的重载机车齿轮用钢加热至820±5℃保温1-2小时出炉，并置入65-95℃的热油进行淬火；
S6，低温回火步骤：将经过二次淬火的重载机车齿轮用钢在第四温度保温d小时，然后出炉空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，其特征在于：所述第一温度为920±5℃。
3.根据权利要求1所述的一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，其特征在于：所述渗碳步骤的渗碳时间t渗碳=（δ/K）2，示中δ为渗碳层深度（mm），K为渗碳温度系数。
4.根据权利要求3所述的一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，其特征在于：所述渗碳步骤包括S11高碳势强渗阶段及S12低碳势扩散阶段，
在所述S11高碳势强渗阶段中，控制渗碳炉内碳势CP为1.20±0.03C%，渗碳时间为9-10小时；
在所述S12低碳势扩散阶段中，控制渗碳炉内碳势CP为0.75±0.03C%，渗碳时间为9-10小时。
5.根据权利要求1所述的一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，其特征在于：所述a值为5-6小时，所述b值为4-5小时，所述第二温度为580-660℃。
6.根据权利要求1所述的一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，其特征在于：所述第三温度为650±10℃，所述c值为3-4小时。
7.根据权利要求1所述的一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，其特征在于：所述第四温度为180-220℃，所述d值为3-4小时。
8.根据权利要求1-7任一所述的一种重载机车齿轮用钢晶粒细化热处理方法，其特征在于：所述重载机车齿轮用钢材质为18CrNiMo7-6。
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