CN106350648B - 一种齿轮钢20CrMnTiH等温正火处理方法 - Google Patents

Abstract

一种齿轮钢20CrMnTiH等温正火处理方法，属于材料热处理领域。步骤为：奥氏体化加热后采用进行暖风分区冷却工艺：一区，暖风温度50‑55℃，风速控制在8‑12m/s，零件的风冷时间控制在2‑3min；二区，风温55‑60℃，风速5‑8m/s，零件的风冷时间控制在3‑4min；调整等温正火炉分为两段控制：第一段温度控制在550‑570℃，保温时间1‑1.5h；第二段温度控制在570‑600℃，等温1‑1.5h；等温正火后，进入风冷室，风温控制在30‑40℃，风速控制在5‑8m/s,冷却至200‑250℃后，空冷。经过该工艺处理的齿坯的硬度可以达到165‑180HB，珠光体片层间距控制在0.18‑0.24μm，带状组织控制在1‑1.5级，切削性能良好，淬火后变形能够稳定控制，不合格率基本为零。

Description

一种齿轮钢20CrMnTiH等温正火处理方法

技术领域

本发明属于材料热处理领域，特别是涉及一种齿轮钢20CrMnTi等温正处理方法，通过此项热处理工艺处理后，齿轮钢毛坯零件的的组织和硬度得到优化，非常适合用于切屑加工，为后续零件的精加工和热处理提供组织性能保证。

背景技术

汽车生产中，齿轮是必不可少的基本零件。齿轮尤其后桥齿轮变速箱齿轮的质量较低时，会出现装配困难、噪音大及齿面磨损问题。渗碳淬火变形是影响总成质量的原因之一。在影响变形因素中，往往集中在渗碳淬火方面，容易忽视锻坯预先热处理对变形的影响。汽车齿轮、传动轴等这类钢材是汽车用合金结构钢中使用最广、用量最大的钢种之一。目前，各国标准中渗碳钢钢号比较多，汽车齿轮采用的主要是低碳合金钢，其中cr钢、Mn钢和Mo钢用于小尺寸齿轮，Ni钢、Cr-Mn钢、Cr-Mo钢，Mn-Mo钢和Cr-Ni-Mo钢用于尺寸较大的零件。这类产品都需要锻造、预先热处理、切削加工、渗碳、淬火、回火等多道冷热加工工序，获得高表面硬度和好的韧性，使工件耐磨、耐疲劳和耐点蚀。

国内对渗碳钢齿坯采用正火处理，将钢材或钢件加热到临界点Ac3或Acm以上的适当温度，保持一定时间后再空冷，得到珠光体类组织。正火是一种传统的工艺，设备、工艺要求简单，能耗少。不同应用领域，对于材料最终性能要求不同，其等温正火的工艺也会有所不同。例如再CN101487077A中公开了一种风力发电机用齿轮等温正火方法，其最终得到产品硬度为173HBW，晶粒度为7。随着汽车工业的发展，特别是引进车型用钢材料的多样化，普通的正火处理已达不到齿坯预先热处理的目的。齿轮钢正火需要获得比较合适的硬度，一般在150-160HB范围内，过高的硬度容易导致加工困难，甚至出现烧刀，而过低的硬度，容易导致切削的料削粘刀。现行的ZBT4001—88汽车渗碳齿轮金相标准是按锻后奥氏体化正火工艺提出的，要求晶粒度小于5级，实际上目前普遍存在零件切削后表面光洁度差，刀具寿命低，变形波动较大等问题，这些问题与正火显微组织不良，硬度不佳有密切的关系。所以，普通正火处理难以满足要求。不仅要求硬度在一个较窄的范围之内(钢件切削加工时易断屑，表面光洁)，而且要求获得稳定组织(粗铁素体加细珠光体)，以改善加工性能及淬火后变形规律。为了满足要求，需对正火工艺改进，以获得正火所要求的显微组织和硬度范围。

等温正火是指合金钢件经奥氏体化后直接进入等温炉或随炉冷至等温温度保持一定时间使其完成珠光体相变而后出炉空冷的工艺过程，适合于相变温度范围窄的中高碳合金钢种。70年代前无等温正火这个名词，80年代以来出现。合金渗碳齿轮钢锻件的等温处理称为等温正火。齿坯采用等温正火，能对相变进行控制，使相变在等温温度下进行，等温正火能够有效地控制带状组织、马氏体、残奥等组织。

汽车齿轮毛坯其正火工艺一般为930℃奥氏体化，用50min将钢件均匀冷至550℃，再用100min将钢件均匀冷至250℃后空冷，控制较为困难，而且工艺一般不稳定。例如在中国专利CN101429587A中公开了一种轿车差速器齿轮等温正火处理，其仅仅在氮气风冷条件下将锻件降温到600－720摄氏度，并且没有限冷却速度、氮气温度、氮气速度等条件，造成其最终材料性能不稳定，硬度不均匀，合格率低。通常为使锻造余热等温正火获得最佳效果，必须控制三个主要参数，即等温前冷却速度，等温温度及等温保持时间。等温前的冷却速率要保证冷却的均匀性和合理性，既保证获得合理的齿轮钢零件坯料的组织、硬度，又要保证冷却均匀。等温温度决定组织中珠光体的片层形态，进而影响最终的性能，等温时间保证珠光体转变的完整性，防止出现残奥在后期冷却中出现马氏体组织。

本发明基于对齿轮钢20CrMnTiH长期的热处理和用户使用反馈的基础上，深入分析了等温正火工艺对齿坯组织性能，尤其是切削性能、淬火变形规律的影响，最终提出了暖风冷却、分区等温正火的技术思路，非常适合于热处理企业推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种齿轮钢20CrMnTiH等温正火处理方法，解决了现有技术中的上述不足，适用于材料热处理行业，优化加工后的齿轮钢毛坯零件的组织性能。经过本发明工艺处理的齿坯的硬度可以达到165-180HB，珠光体片层间距控制在0.18-0.24μm，带状组织控制在1-1.5级，切削性能良好，淬火后变形能够稳定控制，不合格率基本为零。其工艺步骤如下：

(1)奥氏体化加热后采用暖风分区冷却工艺：一区，暖风温度50-55℃，风速控制在8-12m/s，零件的风冷时间控制在2-3min；二区，风温55-60℃，风速5-8m/s，零件的风冷时间控制在3-4min

(2)调整等温正火炉分为两段控制：第一段温度控制在550-570℃，保温时间1-1.5h；第二段温度控制在570-600℃，等温1-1.5h。

(3)等温正火后，进入风冷室，风温控制在30-40℃，风速控制在5-8m/s,冷却至200-250℃后，空冷。

申请人对发明中各个步骤对最终产品性能影响做了深入研究，其具体如下：

奥氏体化加热

齿坯的奥氏体化加热工艺为930-950℃，保温1-1.5h。充分保证组织的奥氏体化，使合金元素充分扩散，减少由于坯料带状和偏析造成的成分不均匀性，同时控制齿坯的加热速率，80-100℃/h,保证加热的均匀性。对不同的加热温度后的奥氏体晶粒度进行了研究，如表所示。

表1 不同加热工艺下的奥氏体晶粒度

	850℃	900℃	950℃	1000℃
					0.5h	8级	7级	6级	5级
1h	7.5级	6级	5级	4.5级
					1.5h	7级	5.5级	4.5级	4级
2h	6.5级	5级	4级	3级

可以发现随着加热温度和加热时间的延长，晶粒度不断降低，在900-950℃，保温1-1.5小时内，可以将晶粒度控制在5级以下。加热温度和加热时间如果过长，一方面导致热处理成本提高，生产效率降低，也会导致脱碳，晶粒粗大和淬火变形加大。

奥氏体化后暖风冷却

奥氏体化加热后采用进行暖风分区冷却工艺：一区，暖风温度50-55℃，风速控制在8-12m/s，零件的风冷时间控制在2-3min；二区，风温55-60℃，风速5-8m/s，零件的风冷时间控制在3-4min。

暖风冷却是本发明的创新点，其区别于常规等温正火前冷却工艺的最大特点就是工艺稳定。常规工艺由于冷却介质温度不控制，会导致齿坯的冷速波动很大，通过控制暖风的风速和温度，可以精确控制齿轮进等温正火炉之前的冷速，为等温正火转变提供稳定的工艺前保证。

分区控制就是保证等温正火前工艺柔性控制，因为齿坯在不同温度下在和冷却介质空气接触时的换热系数是不同的，将冷却工艺分区后，可以根据齿坯的大小重量、形状进行进一步的工艺细分。

等温正火

调整等温正火炉分为两段控制：第一段温度控制在550-570℃，保温时间1-1.5h第二段温度控制在570-600℃，等温1-1.5h。

等温正火分区控制为本发明的另一大创新，对于齿轮钢20CrMnTiH的等温正火范围一般控制在550-600℃。但为保证组织的均匀性，在等温过程进行分区控制，主要目的就是在奥氏体化冷却后保证一定的过冷度，第一段采用较低的等温正火温度，因为在正火过程齿轮坯发生相变，产生部分相变热，所以采用在等温正火过程控制工艺的下限，一方面控制组织硬度，同时控制带状组织的级别。第二段控制较高的温度是保证奥氏体充分转变完成。

表2 不同等温正火工艺的组织硬度

分区控制等温正火工艺，也是工艺柔性化控制的表现，可以根据产品的特性进行不同单元化工艺设计，经过分区等温正火控制的硬度波动可以精确控制在±5HB。

等温正火后冷却

等温正火后，进入风冷室，风温控制在30-40℃，风速控制在5-8m/s,冷却至200-250℃后，空冷。

一般的材料等温正火后采用普通空冷工艺，这种工艺简单，但是容易造成同一批料的性能波动。本发明采用等温正火后暖风冷却的工艺思路，可以保证同一炉号，不同坯料之间硬度±5HB的硬度波动。

附图说明

图1采用本发明获得20CrMnTiH等温正火后的电镜组织

具体实施方式

实施例1

本发明在对40mm齿轮钢20CrMnTiH齿坯锻造后等温正火中得到应用，其步骤如下：(a)奥氏体化加热后采用暖风分区冷却工艺：一区，暖风温度50℃，风速控制在12m/s，零件的风冷时间控制在3min；二区，风温55℃，风速8m/s，零件的风冷时间控制在4min b)调整等温正火炉分为两段控制：第一段温度控制在550℃，保温时间1.5h；第二段温度控制在570℃，等温1.5h。(c)等温正火后，进入风冷室，风温控制在30℃，风速控制在8m/s,冷却至250℃后，空冷。经过该工艺处理的齿坯的硬度可以达到165-180HB，珠光体片层间距控制在0.21-0.24μm，带状组织控制在1.5级，切削性能良好，淬火后变形能够稳定控制，不合格率基本为零。

实施例2

本发明在对30mm齿轮钢20CrMnTiH齿坯锻造后等温正火中得到应用，其步骤如下：

(1)奥氏体化加热后采用暖风分区冷却工艺：一区，暖风温度55℃，风速控制在8m/s，零件的风冷时间控制在2min；二区，风温60℃，风速5m/s，零件的风冷时间控制在3min

(2)调整等温正火炉分为两段控制：第一段温度控制在570℃，保温时间1h；第二段温度控制在600℃，等温1h。

(3)等温正火后，进入风冷室，风温控制在40℃，风速控制在5m/s,冷却至200℃后，空冷。经过该工艺处理的齿坯的硬度可以达到165-180HB，珠光体片层间距控制在0.18-0.24μm，带状组织控制在1级，切削性能良好，淬火后变形能够稳定控制，不合格率基本为零。

对比例1

本发明在对30mm齿轮钢20CrMnTiH齿坯锻造后等温正火中得到应用，其步骤如下：(a)奥氏体化加热后常规风冷，控制温度到600℃，b)调整等温正火炉分为两段控制：第一段温度控制在570℃，保温时间1h；第二段温度控制在600℃，等温1h。(c)等温正火后，进入风冷室，风温控制在40℃，风速控制在5m/s,冷却至200℃后，空冷。

经过该工艺处理的齿坯的硬度可以达到150-185HB，珠光体片层间距控制在0.15-0.27μm，带状组织控制在2级，切削性能会出现“掉肉”，淬火后变形控制不佳，不合格率基本为2％。

对比例2

本发明在对30mm齿轮钢20CrMnTiH齿坯锻造后等温正火中得到应用，其步骤如下：(a)奥氏体化加热后采用进行暖风分区冷却工艺：一区，暖风温度55℃，风速控制在8m/s，零件的风冷时间控制在2min；二区，风温60℃，风速5m/s，零件的风冷时间控制在3min b)调整等温正火炉温度600℃，等温时间2h。(c)等温正火后，进入风冷室，风温控制在40℃，风速控制在5m/s,冷却至200℃后，空冷。

经过该工艺处理的齿坯的硬度可以达到145-165HB，珠光体片层间距控制在0.25-0.3μm，带状组织控制在2级，切削出现“粘刀”，淬火后变形控制不佳，不合格率达到4％。

通过上述实施例和对比例的数值可以看出，本发明提出的分区冷却和分区等温正火的柔性化控制技术方法，很好的解决了硬度控制不均和带状组织问题，对于提高齿坯锻造后切削加工性能，控制性能波动具有非常好的效果，适合热处理厂推广使用。

有益效果

本发明的等温正火处理方法通过精确控制暖风温度、暖风速度，并分为两个区域进行暖风降温，同时通过分区等温正火有效控制了产品的性能稳定性，得到了具有合适硬度、晶粒度，适合用于齿轮的优质钢20CrMnTiH。

上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所作出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种齿轮钢20CrMnTiH等温正火处理方法，其包括以下步骤：

(1)奥氏体在930-950℃加热，保温1-1.5h后采用暖风分区冷却工艺：一区，暖风温度50-55℃，风速控制在8-12m/s，零件的风冷时间控制在2-3min；二区，风温55-60℃，风速5-8m/s，零件的风冷时间控制在3-4min；

(2)调整等温正火炉分为两段控制：第一段温度控制在550-570℃，保温时间1-1.5h；第二段温度控制在570-600℃，等温1-1.5h；

(3)等温正火后，进入风冷室，风温控制在30-40℃，风速控制在5-8m/s,冷却至200-250℃后，空冷。

2.根据权利要求1所述的齿轮钢20CrMnTiH等温正火处理方法，其特征在于：

步骤(1)中一区，暖风温度52℃，风速控制在10m/s；二区，风温58℃，风速7m/s；

步骤(2)中第一段温度控制在560℃；第二段温度控制在580℃；

步骤(3)中风温控制在35℃，风速控制在6m/s,冷却至230℃后，空冷。