CN105239034B - 渗碳齿轮的补渗返修热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，首先将待处理处理齿轮置入回火炉内加热至650±30℃保温3﹣4小时，出炉冷却；随后，将回火后的齿轮置入渗碳炉内，在T1温度、a碳势条件下进行t1时间的高温高碳势渗碳，接着在T2温度、b碳势条件下进行t2时间的低温低碳势渗碳；接着，将经过渗碳的齿轮降温至830±10℃保温1﹣2小时，出渗碳炉后热油淬火，淬火油温度为65‑95℃；最后，将经过淬火的齿轮置入回火炉中加热至160‑220℃，并保温3‑4小时，随后，出炉空冷。本方法设计合理，步骤相对现有处理工艺大大优化，由于省去了两次空冷和一次高温回火步骤，因此降低了冷热变形对齿轮的影响，齿轮的尺寸变形相对于原有技术减少了1/3，从而提高了齿轮的质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种热处理方法，特别涉及一种渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，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，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。
但是，由于齿轮在运转过程中相互啮合的齿面之间既有滚动又有滑动，同时齿轮还受脉冲应力和交变弯曲应力的作用，因此要求齿轮需经过热处理以具有良好的硬度、耐磨性、抗疲劳性能。
目前，齿轮表面强化最主要的热处理方法为渗碳淬火和感应淬火，而采用渗碳淬火工艺的齿轮在热处理过程中炉温因波动偏下差、炉内气氛因波动偏下差、炉子密封性不良等原因，都易产生渗碳层深度不够的缺陷，需要采取补渗的返修方法。
现有的补渗返修热处理方法，如附图2所示，依次为将工件进回火炉高温回火，进渗碳炉补渗，进缓冷坑冷却，进回火炉高温回火，加热淬火，清洗，再进回火炉低温回火，出炉冷却。该方法中的补渗步骤通常采用恒温恒碳势渗碳，渗碳温度采用930±5℃，渗碳的碳势CP采用0.85±0.03C%，该方法能够修复渗碳层深度不够的问题。
但它存在如下不足：
1，渗碳后获得的渗碳层的碳浓度梯度不平衡，影响了齿轮最终的硬度、耐磨性和抗疲劳性。
2，齿轮的高温加热、冷却次数为四次，再加上叠加了两次渗碳变形和淬火变形，因而齿轮的变形大。
3，两次渗碳后出炉冷却，易加重表面氧化、脱碳，淬火后表面组织中易存在黑色组织，降低了齿轮的表面硬度，抗疲劳性能，缩短了使用寿命。
4，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，有必要新开发一种渗碳齿轮的补渗返修热处理方法。
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，提供一种过程简化的、且能够得到更好综合力学性能的渗碳齿轮的补渗返修热处理方法。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：
一种渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，包括如下步骤：
S1，高温回火步骤:将待处理的齿轮置入回火炉内加热至650±30℃保温3﹣4小时，出炉冷却；
S2，补渗步骤：将回火后的齿轮置入渗碳炉内，在T1温度、a碳势条件下进行t1时间的高温高碳势渗碳，接着在T2温度、b碳势条件下进行t2时间的低温低碳势渗碳；
S3，淬火步骤：将经过渗碳的齿轮降温至830±10℃保温1﹣2小时，出渗碳炉后置入65-95℃的热油中进行淬火；
S4，低温回火步骤：将经过淬火的齿轮置入回火炉中加热至160-220℃，并保温3-4小时，随后，出炉空冷。
优选的，所述的渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，其中：所述T1温度为900±5℃，所述a碳势CP为0.95±0.03C%；所述T2温度为880±5℃， 所述b碳势CP为0.75±0.03C%。
优选的，所述的渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，其中：在所述S2，补渗步骤中，通过调节渗碳剂流量来控制碳势从a值调整为b值。
优选的，所述的渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，其中：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，所述的渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，其中：所述t1时间、t2时间均满足如下公式：渗碳时间tn=（δ/K）2，式中:n=1或2，δ为补渗深度（mm），K为渗碳温度系数，从上式可以看出，渗碳时间和要达到的补渗深度呈正比。
优选的，所述的渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，其中：所述t1时间为2-3小时，所述t2时间为3-4小时。
优选的，所述的渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，其中：所述S3，淬火步骤中，控制渗碳炉的碳势与低温低碳势渗碳阶段的碳势相同。
优选的，所述的渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，其中：在所述S3，淬火步骤和S4，低温回火步骤之间还包括S5，清洗步骤:将淬火后的齿轮在50-60℃清洗液中进行清洗。
本发明技术方案的优点主要体现在：
1.本方法设计合理，步骤相对现有处理工艺大大优化，由于省去了两次空冷和一次高温回火步骤，因此降低了冷热变形对齿轮的影响，齿轮的尺寸变形相对于原有技术减少了1/3，并且优化了原有的补渗过程，在保证补渗深度达到要求的前提下，改善了碳浓度梯度，从而提高了齿轮的质量。
2.同时省去了这些步骤也一定程度的缩短了整个过程的用时，总耗时节省约2-4小时，从而提高了企业的加工效率；另一方面也降低了能耗，降低了企业的加工成本，提高了企业的综合效益。
3.热处理后的齿轮表面硬度达到58-62HRC，补渗深度为0.2-0.3mm；齿轮表面脱碳层≤15µm，非马氏体组织≤12µm，从而使整个齿轮的整体质量得到改善，提高了齿轮的表面硬度、耐磨性、抗疲劳性，齿轮的综合力学性能更佳。
附图说明
图1是本发明的过程示意图；
图2是背景技术过程示意图。
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。
本发明揭示的一种渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，通过细化补渗过程，优选合适的温度、碳势及时间来使齿轮表面达到指定深度的渗碳层，并通过合理的设计整个操作流程和参数的优选，在保证渗碳层深度和改善齿轮综合力学性能的前提下，减少加热、冷却次数，避免频繁的加热、冷却导致齿轮变形叠加，得到流程简化的热处理工艺，适用于低碳钢材质的齿轮，本实施例中优选为20CrNi2Mo，如附图1所示，其具体工作过程如下：
S1，高温回火步骤:将待处理齿轮置入回火炉内加热至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，以改善表层碳化物形态，细化组织晶粒；而颗粒状或球状的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，同时颗粒状碳化物有利于彻底消除内应力，提高金属的强度、塑性和韧性，从而改善待处理齿轮的综合力学性能。
S2，补渗步骤：随后将经过高温回火的齿轮置入渗碳炉内，将渗碳炉温加热到900±5℃，优选为900℃，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。
此时，渗碳炉内的渗碳剂分解产生活性碳原子，使炉内碳势逐步升高，控制渗碳炉内碳势CP为0.95±0.03C%，优选为0.95C%，在此条件下进行高温高碳势渗碳，此时活性碳原子被齿轮表面吸收后即溶到表层奥氏体中﹐从而使表层奥氏体中的含碳量增加，随着表层奥氏体中含碳量的增加，便与齿轮芯部含碳量出现浓度差﹐此时表层奥氏体中的碳原子遂向齿轮芯部扩散。
在经过2-3小时，优选为2小时的高温高碳势渗碳后，通过降低渗碳剂流量来控制碳势CP从0.95C%降低为0.75±0.03C%，优选为0.75 C%；同时将渗碳炉内的温度降低到880±5℃，优选为880℃，在此条件下进行低温低碳势渗碳，在此阶段，表层奥氏体中的碳原子不断向齿轮芯部扩散，从而逐步增加渗碳层的深度，并形成梯度平衡的渗碳层，经过3-4小时，优选为3小时，完成低温低碳势渗碳。
经发明人研究发现，由于要获得准确的渗碳层深度、合理的表面碳浓度及平衡的碳浓度梯度，除了要合理的控制碳势和渗碳温度，还要有合适的强渗时间和扩散时间之比，而现有的补渗热处理技术中：碳势CP控制在0.85±0.03，这相当于常规渗碳过程中的扩散阶段，但是渗碳过程往往需要先在表面奥氏体中有一个积碳并形成高浓度碳库的过程，这样才能在后续的扩散过程中保证有足够的碳原子由表层奥氏体向齿轮芯部扩散，由于现有技术中在扩散之前并未形成一个充足的碳库，因此在后续扩散过程中，没有足够的碳原子向芯部扩散，这就造成了：现有技术虽然渗碳层深度能够达到预定的要求，但由于表层积碳不充足，扩散不充分，碳浓度梯度不平衡。
因此本申请通过将原有的补渗步骤细化为两个阶段，即在高温高碳势渗碳阶段（类似于常规渗碳工艺中的强渗阶段），相对于现有的补渗工艺，通过降低渗碳温度，提高碳势的方法来使齿轮表面融入足够的碳原子，以形成具有较高浓度的碳库，同时限制奥氏体晶粒长大，此时，由于是补渗，在之前的常规渗碳过程中，齿轮表面已经形成一定的积碳，因此高温高碳势渗碳阶段的时间相对常规渗碳过程中的强渗阶段的时间要更短。
在低温低碳势渗碳阶段（类似于常规渗碳工艺中的扩散阶段），通过降低渗碳温度和碳势，并使低温低碳势渗碳阶段的渗碳时间大于等于高温高碳势阶段的渗碳时间，以使高温高碳势阶段奥氏体表层碳库中高浓度的碳原子有足够的时间向齿轮芯部扩散，从而获得较深的渗碳层深度，并使表层渗碳层的碳浓度达到预定值，获得均衡的碳浓度分布，进而提高齿轮的综合力学性能。
由于补渗阶段的温度较常规渗碳工艺的温度要低，因此，奥氏体晶粒长大的倾向较小，补渗后组织的晶粒较小，因此能够直接进行淬火，而不至于出现较大的变形。
S3，淬火步骤，经过补渗后，保持渗碳炉内的碳势与0.75C%,并将渗碳炉内温度降低至830±10℃，优选为840℃，此时，表层碳原子仍能够继续向齿轮芯部扩散，且齿轮组织转变成细小、均匀的奥氏体晶粒，保温1﹣2小时，优选为2小时，从而使齿轮内部温度均匀，趋于一致；随后将齿轮从渗碳炉中取出置入温度为65-95℃的热油中进行淬火，奥氏体淬火后获得细小马氏体组织，从而使齿轮形成高硬度，高耐磨性的表面，而芯部仍然保持原有的良好韧性，且齿轮氧化、脱碳及淬火变形均变小。
这是由于补渗后直接淬火，省去了现有技术中均温、出炉空冷、高温回火、再空冷的一系列步骤，减少了加热、冷却的次数，也就避免了出炉、高温回火及空冷过程中高低温变化造成齿轮变形的问题。
同时，随渗碳炉降温也减少了淬火内应力与变形，另一方面，随渗碳炉降温还可以使高碳含量的奥氏体中析出一部分碳化物，降低奥氏体中的碳浓度，从而减少淬火后残留的奥氏体，获得较高的表面硬度。
并且由于在补渗步骤和淬火步骤之间不再有出炉过程，因此高温的齿轮也就不会与空气中的氧气接触出现表面氧化、脱碳的问题，因而也减少了齿轮淬火后表面组织中的黑色组织（一般为非马氏体组织，屈氏体，氧化物）的产生。
S5，清洗步骤:将淬火后的齿轮在50-60℃清洗液中进行清洗，清除齿轮表面的油渍。
S4，低温回火步骤：将清洗后的齿轮置入回火炉中加热至160-220℃，并保温3-4小时，随后，出炉空冷，此时，组织由淬火马氏体转变为回火马氏体，从而降低了淬火残留应力和齿轮的脆性。
采用上述热处理方法补渗后得到的齿轮渗碳层深度较补渗前增加了0.2-0.3mm，齿轮表面硬度达到58-62HRC，大大提高了耐磨性；更进一步，齿轮表面脱碳层≤15µm，非马氏体组织≤12µm，齿轮内部组织更加优化，从而改善了齿轮的综合力学性能。
由于减少了加热、冷却的次数，一方面使齿轮的尺寸变形相对原有技术减少了1/3，提高了齿轮的质量；另一方面，节约了处理过程中的能耗和时间，相对于现有技术能耗减少10%，加工总时间减少2-4小时，总体效益更佳。
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 (7)
1.一种渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1,高温回火步骤:将待处理齿轮置入回火炉内加热至650±30℃保温3﹣4小时，出炉冷却；
S2，补渗步骤：将回火后的齿轮置入渗碳炉内，在T1温度、a碳势条件下进行t1时间的高温高碳势渗碳，接着在T2温度、b碳势条件下进行t2时间的低温低碳势渗碳；所述T1温度为900±5℃，所述a碳势CP为0.95±0.03C％；所述T2温度为880±5℃，所述b碳势CP为0.75±0.03C％；
S3，淬火步骤，将经过渗碳的齿轮降温至830±10℃保温1﹣2小时，出渗碳炉后置入65-95℃的热油中进行淬火；
S4，低温回火步骤，将经过淬火的齿轮置入回火炉中加热至160-220℃，并保温3-4小时，随后，出炉空冷。
2.根据权利要求1所述的一种渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，其特征在于：在所述S2补渗步骤中，通过调节渗碳剂流量来控制碳势从a值调整为b值。
3.根据权利要求2所述的一种渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，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所述的渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，其特征在于：所述t1时间、t2时间均满足如下公式：渗碳时间tn＝(δ/K)2，式中:n＝1或2，δ为补渗深度(mm)，K为渗碳温度系数。
5.根据权利要求1所述的渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，其特征在于：所述t1时间为2-3小时，所述t2时间为3-4小时。
6.根据权利要求1所述的渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，其特征在于：所述S3淬火步骤中，控制渗碳炉的碳势与低温低碳势渗碳阶段的碳势相同。
7.根据权利要求1所述的渗碳齿轮的补渗返修热处理方法，其特征在于：在所述S3淬火步骤和S4低温回火步骤之间还包括S5清洗步骤:将淬火后的齿轮在50-60℃清洗液中进行清洗。
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