CN105297036A - 抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，包括第一渗碳阶段：将齿轮在920℃的渗碳炉中，并在指定碳势条件下进行渗碳；第二渗碳阶段：保持渗碳炉内温度，并在指定渗碳条件下进行预定时间的渗碳，在860℃均温2-3小时，出炉冷却；高温回火步骤：将齿轮在回火炉内加热至640℃保温4小时；淬火步骤:将齿轮在830-840℃保温6小时，出炉后置入指定温度的盐水中进行淬火；低温回火：将齿轮置入回火炉中加热至210-230℃，并保温9-10小时，随后，出炉空冷。本方法操作简单，通过四段法及碳势的控制，可以在现有的控制指标上减小8um的内氧化，同时避免恶化齿轮的金相组织，导致碳化物和残余奥氏体超出标准要求，最终导致齿轮的使用寿命下降的问题。

Description

抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法

技术领域

本发明涉及抑制渗碳淬火工艺内氧化产生的方法，尤其是一种抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，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的热处理大多采用渗碳淬火表面强化的工艺方法，这种方法会产生一定的内氧化，影响齿轮综合力学性能，而现阶段，渗碳淬火工艺内氧化的控制方法主要是通过在齿轮进炉前通入大量的氮气，把炉内的氧化性气氛进行置换，使炉内的氧化性气体的含量减小，使齿轮渗碳淬火过程中的内氧化产生量减小，渗碳工艺采用强渗+扩散两段法进行渗碳，强渗碳势为1.2%，扩散碳势位0.7%。

但是，目前的这种技术方案中对内氧化的控制和减少上无法达到ISO6336-5《直齿和斜齿齿轮承载能力的计算第5部分材料的强度和质量》中的齿轮ME级要求，仅可达到MQ级要求。

在ISO6336-5《直齿和斜齿齿轮承载能力的计算第5部分材料的强度和质量》标准中，内氧化的指标随着渗碳层深的增加指标值随之增加，现有的工艺方法中对深层渗碳内氧化的减少没有相应的工艺方法。

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，提供一种通过控制渗碳过程中的碳势及将渗碳过程从两段分解为四段，从而抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，包括如下步骤：

S1，第一渗碳阶段：将齿轮在920℃的渗碳炉中，并在指定碳势条件下进行预定时间的渗碳；

S2，第二渗碳阶段：保持渗碳炉内温度，并在指定渗碳条件下进行预定时间的渗碳，接着降温至860℃均温2-3小时，出炉冷却；

S3，高温回火步骤：将经过渗碳的齿轮置入回火炉内加热至640℃保温4小时；

S4，淬火步骤:将经过高温回火的齿轮升温至830-840℃保温6小时，出炉后置入指定温度的盐水中进行淬火；

S5，低温回火：将经过淬火的齿轮置入回火炉中加热至210-230℃，并保温9-10小时，随后，出炉空冷。

优选的，所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其中：当渗碳炉内温度达到760℃时通入甲醇，当渗碳炉内温度达到800℃时通入丙烷，使渗碳炉内形成渗碳气氛。

优选的，所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其中：所述第一渗碳阶段包括第一高碳势强渗阶段和第一低碳势扩散阶段，且所述第一高碳势强渗阶段的碳势为1.10±0.03C%，所述第一低碳势扩散阶段的碳势为0.85±0.03C%。

优选的，所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其中：所述第二渗碳阶段包括第二高碳势强渗阶段和第二低碳势扩散阶段，且所述第二高碳势强渗阶段的碳势与所述第一高碳势强渗阶段碳势相同，所述第二低碳势扩散阶段的碳势和所述第一低碳势扩散阶段的碳势相同。

优选的，所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其中：通过调节渗碳剂流量来调节碳势。

优选的，所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其中：在所述S4，淬火步骤中，渗碳炉内的碳势与第二低碳势扩散阶段的碳势相同。

优选的，所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其中：所述盐水是硝盐溶液，其中含水量为0.5-1%

优选的，所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其中：所述盐水的温度为170-200℃。

优选的，所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其中：在所述S1，第一渗碳阶段之前还包括S6，预处理步骤，将齿轮置入渗碳炉内，向渗碳炉内充入氮气置换炉内空气，随后，升温至650℃均温2小时。

本发明技术方案的优点主要体现在：

本方法操作简单，流程合理，通过碳势的控制从而减小内氧化的产生倾向，改善齿轮的综合力学性能；同时避免恶化齿轮的金相组织，导致碳化物和残余奥氏体超出标准要求，最终导致齿轮的使用寿命下降的问题；另一方面，通过四段法，使第二次强渗的高碳势对第一次的扩散低碳势产生的内氧化产生部分还原，从而使内氧化进一步减小，尤其是在深层渗碳（渗碳层深度大于3.5mm）的工艺上效果更明显，处理后的齿轮能够达到ME级要求。

附图说明

图1是本发明中第一渗碳阶段和第二渗碳阶段过程示意图；

图2是本发明中高温回火阶段过程示意图；

图3是本发明中高温回火至最终阶段示意图。

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。

经发明人研究和实际操作发现，在渗碳淬火过程中，渗碳气氛中有一定的氧势，在通常受控的炉气碳势范围内，除了碳向钢中扩散以外，气氛中的氧也向钢中扩散，由于氧势并不高，对铁元素来说已处于还原状态的环境中，也就是说，铁不会发生氧化，但钢中所含的某些合金元素，例如Cr、Mn、Si等，由于发生氧化的氧分压很低（即比铁更容易氧化），也就是说，此时气氛中的氧势仍然相对较高，出现了某些元素被氧化的化学反应。

这些合金元素的氧化不仅发生在晶粒边界，而且也发生在晶粒内部。即出现内氧化，而且渗碳时间越长，透入的深度越大。

钢中的上述合金元素，表面层发生氧化后，造成氧化物周围的该合金元素贫化，致使奥氏体的稳定性（淬透性）下降，在渗碳－直接淬火的工艺下，出现索氏体一类非马氏体组织，即所谓黑色组织，使表层硬度下降；黑色组织的出现还会改变渗碳层的内应力分布，这些对钢的疲劳寿命和耐磨性有相当明显的损害。

由于氧势与碳势在一定范围内成反比，即氧势越低则碳势越高，氧势越高，碳势越低，而在常用的渗碳工艺中，如果把氧势降得很低，达到使那些容易被氧化的合金元素也不易发生氧化的水平，而此时渗碳气氛中的碳势又将升到很高的数字，造成碳势超出控制范围而失控现象，这种此消彼长、顾此失彼的矛盾现象，就成了解决问题的难点。

针对上述情况，本发明研究了一种抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，本技术方案根据碳势上升，氧势下降，碳势高，炉内还原性气氛高的原理，把现有技术中扩散阶段的碳势从0.7%提升为0.85%，可以有效地降低氧化气体的存在，从而减小内氧化的产生倾向。

在提升扩散碳势的同时，需要减小强渗时的碳势，以免恶化齿轮的金相组织，导致碳化物和残余奥氏体超出标准要求，最终导致齿轮的使用寿命下降的问题。

并且，在降低强渗碳势，提升扩散碳势的同时，修改原先的两段法（强渗+扩散共两段）为四段法（强渗+扩散+强渗+扩散共四段），使第二次强渗的高碳势对第一次的扩散低碳势产生的内氧化产生部分还原，从而使内氧化减小，尤其是在深层渗碳的工艺上效果更明显。

具体的，其工艺过程如下：

S6，预处理步骤，将齿轮经过清洗、刷涂料、烘干后按照热处理工艺吊装在热处理工装中，随后整体吊入渗碳炉中，开启电源，在程序开始时，通入大量的氮气对炉内气氛进行置换，以降低炉内氧气及其他氧化气体的含量，初步避免内氧化的产生；随后，升温至650℃均温2小时。

S1，第一渗碳阶段：如附图1所示，当渗碳炉内温度达到760℃时通入甲醇，当渗碳炉内温度达到800℃时通入丙烷，使渗碳炉内形成渗碳气氛。

当渗碳炉内温度达到920℃时，保持温度，并使渗碳炉内的碳势为1.10±0.03C%，优选为1.10C%，此时进行第一高碳势强渗阶段，在该阶段，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，形成一个碳库。

在进行780分钟的第一高碳势强渗后，随后通过控制渗碳剂的通入量，使渗碳炉内的碳势为0.85±0.03C%，优选为0.85C%，此时进行第一低碳势480分钟扩散阶段，在该阶段，由于表层奥氏体中的含碳量增加与齿轮芯部含碳量出现浓度差，此时表层碳库中的碳原子遂向齿轮芯部扩散，形成预定深度的渗碳层。

由于在第一低碳势扩散阶段的碳势相对现有技术中碳势略有提高，因而氧势相对减低，因此在扩散过程中，合金元素发生氧化的程度较现有技术在一定程度上有所降低，也就减少了内氧化的产生。

进一步，考虑到提高了第一低碳势扩散阶段的碳势，因此表层渗碳能够快速达到碳饱和浓度而析出，为了避免恶化齿轮的金相组织，导致碳化物和残余奥氏体超出标准要求，最终导致齿轮的使用寿命下降，本方法进一步降低第一高碳势强渗阶段的碳势，以降低表层渗碳速率。

S2，第二渗碳阶段：接着，如附图1所示，保持渗碳炉内温度，通过调节渗碳剂流量，将渗碳炉内的碳势调高到与所述第一高碳势强渗阶段碳势相同，即为1.10±0.03C%，优选为1.10C%，此时，进入第二高碳势强渗阶段。

在进行540分钟的第二高碳势强渗后，通过调节渗碳剂流量，使渗碳炉内的碳势调低到与所述第一低碳势扩散阶段的碳势相同，即为0.85±0.03C%，优选为0.85C%，此时进行第二低碳势扩散阶段。

在进行600分钟的第二低碳势扩散后，接着降温至860℃均温2-3小时。

在该阶段，由于第二高碳势强渗阶段的高碳势还原部分在第一渗碳步骤中产生的部分内氧化，从而可以有效地降低内氧化的产生，因而可以有效克服原先两段渗碳法在扩散低碳势阶段产生较严重的内氧化问题。

同时，通过控制第二渗碳阶段的碳势，同样能够达到所述第一渗碳阶段的效果，即既能减小内氧化的产生，又能保证齿轮的金相组织不恶化。

S3，高温回火步骤：如附图2-附图3所示，将冷却后的齿轮置入回火炉内加热至640℃保温4小时；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，彻底消除内应力。

S4，淬火步骤:如附图3所示，再将高温回火后的齿轮置入渗碳炉内，将渗碳炉内的温度升至830-840℃，优选为835℃，并控制渗碳炉内的碳势与第二低碳势扩散阶段的碳势相同，即为0.85±0.03C%，优选为0.85C%，在此条件下保温6小时后，出炉置入指定温度的盐水中进行淬火；其中所述盐水是硝盐溶液，其中含水量为0.5-1%，所述盐水的温度为170-200℃，盐水淬火1.5h后，将齿轮置于风冷台风冷至室温。

用盐水冷却时，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。

S5，低温回火：将经过淬火的齿轮置入回火炉中加热至210-230℃，并保温9-10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。

经测试得出，常规渗碳淬火处理的齿轮，尤其是深层渗碳（渗碳层深度大于3.5mm）的齿轮，其内氧化为34.30um，而经过本发明的方法处理的齿轮，内氧化为24.78um，因而可以在现有内氧化的控制指标上进一步减小8um以内的内氧化，从而提高齿轮的表明硬度，疲劳寿命和耐磨性，提高了齿轮的综合力学性能。

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 (9)

1.一种抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其特征在于：包括如下步骤，

S1，第一渗碳阶段：将齿轮在920℃的渗碳炉中，并在指定碳势条件下进行预定时间的渗碳；

S2，第二渗碳阶段：保持渗碳炉内温度，并在指定渗碳条件下进行预定时间的渗碳，接着降温至860℃均温2-3小时，出炉冷却；

S3，高温回火步骤：将经过渗碳的齿轮置入回火炉内加热至640℃保温4小时；

S4，淬火步骤:将经过高温回火的齿轮升温至830-840℃保温6小时，出炉后置入指定温度的盐水中进行淬火；

S5，低温回火：将经过淬火的齿轮置入回火炉中加热至210-230℃，并保温9-10小时，随后，出炉空冷。

2.根据权利要求1所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其特征在于：当渗碳炉内温度达到760℃时通入甲醇，当渗碳炉内温度达到800℃时通入丙烷，使渗碳炉内形成渗碳气氛。

3.根据权利要求1所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其特征在于：所述第一渗碳阶段包括第一高碳势强渗阶段和第一低碳势扩散阶段，且所述第一高碳势强渗阶段的碳势为1.10±0.03C%，所述第一低碳势扩散阶段的碳势为0.85±0.03C%。

4.根据权利要求3所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其特征在于：所述第二渗碳阶段包括第二高碳势强渗阶段和第二低碳势扩散阶段，且所述第二高碳势强渗阶段的碳势与所述第一高碳势强渗阶段碳势相同，所述第二低碳势扩散阶段的碳势和所述第一低碳势扩散阶段的碳势相同。

5.根据权利要求1-4任一所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其特征在于：通过调节渗碳剂流量来调节碳势。

6.根据权利要求5所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其特征在于：在所述S4，淬火步骤中，渗碳炉内的碳势与第二低碳势扩散阶段的碳势相同。

7.根据权利要求1所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其特征在于：所述盐水是硝盐溶液，其中含水量为0.5-1%。

8.根据权利要求7所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其特征在于：所述盐水的温度为170-200℃。

9.根据权利要求5-8任一所述的抑制齿轮深层渗碳淬火过程内氧化产生的方法，其特征在于：在所述S1，第一渗碳阶段之前还包括S6，预处理步骤，将齿轮置入渗碳炉内，向渗碳炉内充入氮气置换炉内空气，随后，升温至650℃均温2小时。