CN105239033A - 一种齿轮的复合渗碳淬火热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种齿轮的复合渗碳淬火热处理方法，属于热处理技术领域。该方法包括渗碳、降温、升温、淬火、回火步骤。采用本发明的复合渗碳淬火热处理方法能有效细化晶粒，细化马氏体针，提高齿轮表面硬度，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。
Description
技术领域
本发明涉及一种热处理方法，特别涉及一种机车牵引齿轮的复合渗碳淬火热处理方法，属于热处理技术领域。
背景技术
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。近年来，列车提速对机车的性能提出了新的挑战，从而对机车牵引齿轮的性能也提出了更高的要求。具体而言，要求齿轮不仅具有足够的强度和冲击韧性，以保证在最高速度与载荷下的绝对安全可靠；而且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和较长的寿命。
目前，机车牵引齿轮的热处理基本采用渗碳淬火表面强化的工艺方法。现有的机车牵引齿轮渗碳淬火方法如图1所示，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。
该方法虽能有效降低齿轮的内氧化和减少齿轮的变形量，提高齿轮的接触疲劳性能，但深入研究表明存在以下不足：渗碳淬火后表层马氏体针较粗大，残余奥氏体含量较多，齿轮表面硬度偏低，因此降低了齿轮的耐磨性、强韧性和综合力学性能。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有存在的不足，提供一种机车牵引齿轮的复合渗碳淬火热处理方法，该方法能有效细化晶粒和表层马氏体，从而优化齿轮表面的金相组织，同时提高其表面硬度、耐磨性、疲劳强度和塑韧性指标。
为了达到以上目的，本发明的齿轮复合渗碳淬火热处理方法包括如下步骤：
S1、渗碳步骤——将齿轮置入渗碳炉中，升温至920±10℃，向所述渗碳炉内通入渗碳剂形成渗碳气氛，按渗层深度控制碳势CP和渗碳时间；
S2、降温步骤——将渗碳后的齿轮降温至780±10℃，保温3-4小时；
S3、升温步骤——将降温后的齿轮升温至880±10℃，保温2-3小时；
S4、淬火步骤——将淬火后的齿轮降温至830±10℃保温2-3小时，置入65-95℃的油液迅速冷却；
S5、回火步骤——将淬火后的齿轮在180-220℃环境中低温回火，保温3-4小时，出炉空冷至室温。
优选之一，所述渗碳步骤中，控制碳势先为高碳势强渗阶段，后为低碳势扩散阶段。
进一步，所述高碳势强渗阶段的碳势CP为1.20±0.03C％、渗碳时间为7-8小时。
更进一步，所述低碳势扩散阶段的碳势CP为0.75±0.03C％、渗碳时间为11-12小时。
优选之二，所述渗碳步骤中，所述渗碳剂为甲醇、乙烷、丙烷、乙醇、丙醇、醋酸乙酯中的至少一种。
进一步，所述渗碳步骤中，所述渗碳剂为重量比1.1:1的甲醇和丙烷，所述渗碳气氛以氮气和甲醇作为载气、以丙烷作为富化气。
优选之三，所述渗碳步骤的渗碳时间按下式确定：
t渗碳＝(δ/K)2
式中t渗碳为渗碳时间，单位小时
δ为渗层深度，单位毫米
K为渗碳温度系数，单位可取mm2·h-1。
渗碳温度系数可以在热处理手册上查询获得，与渗碳温度、碳势成正比，与心部碳含量成反比，与合金元素品种及其含量也有关。
与现有技术相比，本发明技术方案的优点主要体现在：
1、渗碳步骤中的渗碳温度相对较低，因此渗碳过程中奥氏体晶粒的长大倾向小；
2、降温步骤使得齿轮金相组织得到很好的细化，其内部及渗层范围得到均匀的珠光体及细小块状的铁素体；
3、升温步骤中极细长的碳化物溶解、扩散形成细小的颗粒状碳化物，同时珠光体及铁素体组织均匀化，使奥氏体中溶解的饱和碳化物更加细小；
4、淬火步骤降低温度保温再出炉淬火，能在保证表面获得细针状马氏体因此具有高硬度的同时，减少淬火应力，降低淬火变形。
综上所述，采用本发明的复合渗碳淬火热处理方法能有效细化晶粒，细化马氏体针，提高齿轮表面硬度，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为现有的热处理过程示意图。
图2为本发明一个实施例的热处理过程示意图。
图3为采用现有技术热处理后机车牵引齿轮节圆处的金相图片。
图4为采用现有技术热处理后机车牵引齿轮齿根处的金相图片。
图5为采用现有技术热处理后机车牵引齿轮齿顶处的金相图片。
图6为采用现有技术热处理后机车牵引齿轮心部处的金相图片。
图7为采用本发明热处理后机车牵引齿轮节圆处的金相图片。
图8为采用本发明热处理后机车牵引齿轮齿根处的金相图片。
图9为采用本发明热处理后机车牵引齿轮齿顶处的金相图片。
图10为采用本发明热处理后机车牵引齿轮心部处的金相图片。
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。
本实施例揭示的一种机车牵引齿轮的复合渗碳淬火热处理方法如图2所示，其包括如下步骤：
S1，渗碳步骤：将机车牵引齿轮置入初始温度约900℃渗碳炉中，升温至920℃，向渗碳炉内通入渗碳剂形成渗碳气氛，渗碳剂为甲醇、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，本实施例中优选为甲醇和丙烷作为渗碳剂(也可以是乙醇和丙烷、丙醇和丙烷等)，两者的重量比例为1.1:1，渗碳气氛中的载气为氮气和甲醇，甲醇的加入量为3.8±0.2升/小时，渗碳气氛中的富化气为丙烷；持续指定渗碳时间进行渗碳，可按渗碳时间t渗碳＝(δ/K)2计算，式中δ为渗层深度(mm)，K为从热处理手册上查询获得的渗碳温度系数。
具体的，S1渗碳步骤包括S11高碳势强渗阶段及S12低碳势扩散阶段，其中S11高碳势强渗阶段的碳势CP为1.20C％，指定渗碳时间为7-8小时，优选为8小时；S12低碳势扩散阶段的碳势CP为0.75C％，指定渗碳时间为11-12小时，优选为12小时。
通过上述温度的调整可以有效的减缓机车牵引齿轮在渗碳过程中奥氏体晶粒长大的倾向。
S2，降温步骤：将机车牵引齿轮降温至780℃保温3-4小时，优选为4小时，获得均匀的珠光体及细小块状的铁素体。
S3,升温步骤：将机车牵引齿轮升温至880℃保温2-3小时，优选为3小时，极细长的碳化物溶解、扩散形成细小的颗粒状碳化物；
S4,淬火步骤：将机车牵引齿轮降温至830℃保温2-3小时，优选为3小时，奥氏体组织中一定数量的碳化物颗粒被保留，然后出炉置入90℃的热油进行淬火，组织转变成细针状马氏体。
S5，回火步骤：将重载机车齿轮在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，得到的组织为细针状马氏体基体上分布着弥散细小的碳化物颗粒。
本实施例中的重载机车齿轮材质为18CrNiMo7-6，因齿轮体积大，主要参数宜取高值。
试验证明，本实施例通过复合的渗碳淬火热处理之后，其金相组织中的晶粒明显细化和均匀化(参见图3-图10)，测试反映出齿轮表面硬度得到提高，同时，齿轮表面的耐磨性能也大幅提高，从而提高了齿轮的疲劳强度和抗蚀性。
Claims (10)
1.一种齿轮的复合渗碳淬火热处理方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、渗碳步骤——将齿轮置入渗碳炉中，升温至920±10℃，向所述渗碳炉内通入渗碳剂形成渗碳气氛，按渗层深度控制碳势CP和渗碳时间；
S2、降温步骤——将渗碳后的齿轮降温至780±10℃，保温3-4小时；
S3、升温步骤——将降温后的齿轮升温至880±10℃，保温2-3小时；
S4、淬火步骤——将淬火后的齿轮降温至830±10℃保温2-3小时，置入65-95℃的油液迅速冷却；
S5、回火步骤——将淬火后的齿轮在180-220℃环境中低温回火，保温3-4小时，出炉空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的齿轮的复合渗碳淬火热处理方法，其特征在于：所述渗碳步骤中，控制碳势先为高碳势强渗阶段，后为低碳势扩散阶段。
3.根据权利要求2所述的齿轮的复合渗碳淬火热处理方法，其特征在于：所述高碳势强渗阶段的碳势CP为1.20±0.03C％、渗碳时间为7-8小时。
4.根据权利要求3所述的齿轮的复合渗碳淬火热处理方法，其特征在于：所述低碳势扩散阶段的碳势CP为0.75±0.03C％、渗碳时间为11-12小时。
5.根据权利要求4所述的齿轮的复合渗碳淬火热处理方法，其特征在于：所述渗碳步骤中，所述渗碳剂为甲醇、乙烷、丙烷、乙醇、丙醇、醋酸乙酯中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的齿轮的复合渗碳淬火热处理方法，其特征在于：所述渗碳步骤中，所述渗碳剂为重量比1.1:1的甲醇和丙烷，所述渗碳气氛以氮气和甲醇作为载气、以丙烷作为富化气。
7.根据权利要求6所述的齿轮的复合渗碳淬火热处理方法，其特征在于：所述甲醇的加入量为3.8±0.2升/小时。
8.根据权利要求5所述的齿轮的复合渗碳淬火热处理方法，其特征在于：所述渗碳步骤中，所述渗碳剂为重量比1.1:1的乙醇和丙烷。
9.根据权利要求5所述的齿轮的复合渗碳淬火热处理方法，其特征在于：所述渗碳步骤中，所述渗碳剂为重量比1.1:1的丙醇和丙烷。
10.根据权利要求1所述的齿轮的复合渗碳淬火热处理方法，其特征在于：
所述渗碳步骤的渗碳时间按下式确定：
t渗碳＝(δ/K)2
式中t渗碳为渗碳时间，单位小时
δ为渗层深度，单位毫米
K为渗碳温度系数，单位可取mm2·h-1。
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