CN107119177A - 透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺 - Google Patents

透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，包括预备热处理、消应力处理、渗碳处理、高温回火处、淬火处理、低温回火处理等工艺过程。本发明提供的透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，通过，优化工艺参数，增加铣齿前的消除应力处理，使得12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳层指标全部合格的前提下，畸变量得到大幅度降低。

Description

透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺
技术领域
本发明涉及齿轮的热处理技术领域，特别涉及一种透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺。
背景技术
目前国内外对12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化处理，都是先进行预备热处理，然后再进行渗碳淬火工艺处理。其中，渗碳淬火工艺过程包括：渗碳、球化空淬、高温回火、淬火、低温回火等工序。由于该渗碳淬火工序繁琐，生产周期长，因此不仅造成了消耗成本高，还会造成齿轮的畸变量大。特别是薄壁渗碳淬火高速齿轮，经常由于变形超差，不够磨削而使齿轮报废，造成巨大的损失与浪费。即使齿轮没有尺寸超差报废，但由于在对齿轮磨齿时磨削量大，也会造成磨削后的齿轮渗层严重不均、硬度不均且降低以及承载能力下降等问题。更重要的是由于齿轮畸变量大而造成齿轮质量大幅下降，接触疲劳强度、弯曲疲劳大幅下降。因此，必须改进透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺过程，简化工艺过程，优化工艺过程中的工艺参数，以降低齿轮工件的畸变量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够降低透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的畸变量的渗碳淬火表面强化工艺。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，包括以下步骤：
预备热处理：所述预备热处理包括正火、淬火和回火过程或包括正火和回火过程；所述正火温度为950±10℃，保温时间按“有效厚度/45mm-40mm”小时计算，然后空冷；所述淬火温度为860±10℃，保温时间按“有效厚度/40mm-35mm”小时计算，然后油冷；所述回火温度为650℃，保温时间按“1.5-1.7倍淬火保温时间”计算，然后空冷；
消应力处理：所述消应力处理温度为600-650℃，保温时间按“有效厚度/25mm-30mm”小时计算，然后空冷；
渗碳处理：所述渗碳处理温度为930±10℃，所述渗碳处理过程包括调整、强渗和扩散三个阶段，所述调整阶段的保温时间为1-2小时，所述强渗阶段的保温时间按渗碳层的厚度要求以“0.2mm/小时”计算，强渗阶段的渗层深度达到要求渗层深度的0.5-0.7倍后开始所述扩散阶段，所述扩散阶段的保温时间按所述强渗阶段的保温时间的0.8-1.3倍计算，所述扩散阶段结束后，断电在渗碳炉中吹氮气冷却，冷到600±10℃后出炉空冷；
高温回火处理：所述高温回火处理温度为600-650℃，保温时间按“有效厚度/25-30mm”小时计算，然后空冷；
淬火处理：所述淬火处理温度为780℃-820℃，保温时间按“有效厚度/40-35mm”小时计算，然后油冷；
低温回火处理：所述低温回火处理温度为180-200℃，保温时间按保温时间按“有效厚度/20-25mm”小时计算，然后空冷。
进一步地，所述消应力处理是新增加的，所述消应力处理是在所述透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮机械加工后的铣齿前进行。
进一步地，简化掉“球化空淬”工序，简化后渗层指标全部合格，且畸变量大幅降低。
进一步地，将所述强渗阶段转入所述扩散阶段的渗层深度由达到要求渗层深度的0.7倍设定为0.5-0.7倍。
进一步地，所述12Cr2Ni4高速齿轮的材料的化学成分满足GB/T3077-1999标准的规定。
进一步地，所述淬火处理中使用的淬火油要提前搅拌加热到油温为100±10℃，在所述12Cr2Ni4齿轮进行淬火前5-8小时开始对淬火油搅拌，在所述12Cr2Ni4齿轮进行淬火前10-20分钟停止搅拌，在所述12Cr2Ni4齿轮进入淬火油进行淬火后20-30秒开始继续对淬火油进行搅拌。
进一步地，所述12Cr2Ni4高速齿轮材料的冶炼方法是电炉冶炼，电渣重熔精炼，锻造采用自由锻造，锻造比在3-5。
本发明提供的一种透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，不仅适用于透平离心压缩机大直径薄壁渗碳淬火12Cr2Ni4高速齿轮，也可用于其它透平离心压缩机渗碳淬火12Cr2Ni4高速齿轮，还适用于其它所有需要进行渗碳淬火热处理的12Cr2Ni4材料的工件。本发明提供的透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，通过优化12Cr2Ni4齿轮的渗碳淬火工艺参数，以及简化12Cr2Ni4齿轮的渗碳淬火工艺过程，即省去了球化空淬工序，使得12Cr2Ni4齿轮的畸变量大幅度降低，12Cr2Ni4齿轮的碳化物评级也仍然能够满足高速齿轮的要求，而且渗层的表面硬度、渗碳层的厚度、马氏体级别、残余奥氏体级别、内氧化的厚度以及疏松层的要求等其它渗层指标也都能满足高速齿轮的要求。解决了因渗碳淬火工艺变形量大，而造成的磨齿时不够磨削尺寸超差造成的返修、甚至报废问题，以及由于磨齿时磨削量大而造成的渗层严重不均、硬度不均且下降、承载能力下降等问题，使12Cr2Ni4齿轮的质量、接触疲劳强度、弯曲疲劳等得到大幅度提高；减少了因12Cr2Ni4齿轮故障而造成的对整个生产的影响，缩短了生产周期，提高了生产效率，降低了生产成本，从而提高了经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图；
图2为本发明实施例1提供的12Cr2Ni4高速齿轮的内氧化金相图；
图3为本发明实施例1提供的12Cr2Ni4高速齿轮的心部金相图；
图4为本发明对比例1提供的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图。
图5为本发明对比例1提供的12Cr2Ni4高速齿轮的内氧化金相图；
图6为本发明对比例1提供的12Cr2Ni4高速齿轮的心部金相图；
图7为本发明实施例2提供的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图；
图8为本发明实施例2提供的12Cr2Ni4高速齿轮的内氧化金相图；
图9为本发明对比例2提供的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图。
图10为本发明对比例2提供的12Cr2Ni4高速齿轮的内氧化金相图；
图11为本发明实施例3提供的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图；
图12为本发明实施例3提供的12Cr2Ni4高速齿轮的内氧化金相图；
图13为本发明实施例3提供的12Cr2Ni4高速齿轮的心部金相图；
图14为本发明对比例3提供的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图。
图15为本发明对比例3提供的12Cr2Ni4高速齿轮的内氧化金相图；
图16为本发明对比例3提供的12Cr2Ni4高速齿轮的心部金相图；
图17为本发明实施例4提供的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图；
图18为本发明实施例4提供的12Cr2Ni4高速齿轮的内氧化金相图；
图19为本发明对比例4提供的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图；
图20为本发明对比例4提供的12Cr2Ni4高速齿轮的内氧化金相图。
具体实施方式
本发明提供了一种透平压缩机用12Cr2Ni4高速的渗碳淬火表面强化工艺，所述12Cr2Ni4高速齿轮材料的化学成分满足GB/T3077-1999标准的规定，所述12Cr2Ni4高速齿轮材料的冶炼方法是电炉冶炼，电渣重熔精炼，锻造采用自由锻造，锻造比在3-5。该工艺包括以下步骤：
(1)预备热处理：所述预备热处理包括正火、淬火和回火过程或包括正火和回火过程；所述正火温度为950±10℃，保温时间根据齿轮的有效厚度按“有效厚度/45mm-35mm”小时计算，然后空冷；所述淬火温度为860±10℃，保温时间按“有效厚度/40mm-35mm”小时计算，然后油冷；所述回火温度为650℃，保温时间按“1.5-1.7倍淬火保温时间”计算，然后空冷。
(2)消应力处理：该处理步骤是本发明新增加的的一个处理步骤，所述消应力处理温度为600-650℃，保温时间按“有效厚度/25mm-30mm”小时计算，然后空冷。其中，该处理步骤是在12Cr2Ni4渗碳淬火齿轮机械加工后的铣齿加工前进行。消应力处理可以消除机械加工过程中产生的加工应力，可以减小因机械加工中产生的应力而造成的在渗碳淬火工艺中的应力释放产生的变形，即可以减小渗碳淬火过程的畸变量。
(3)渗碳处理：为了减小渗碳淬火工艺过程中的畸变，确保扩散时的碳势能够降到工艺要求的范围内，避免由于碳势降不下来而造成的高碳势带来的畸变量增加，以及由于高碳势而形成的不合格的碳化物级别，因此，在消应力处理工序后进行渗碳处理工序。所述渗碳处理温度为930±10℃，所述渗碳处理过程包括调整、强渗和扩散三个阶段。在强渗阶段时，如果碳势偏高，渗碳处理温度可以降低到890-920℃渗碳。其中，所述调整阶段的保温时间为1-2小时，所述强渗阶段的保温时间按渗碳层的厚度要求以“0.2mm/小时”计算，强渗阶段的渗层深度达到要求渗层深度的0.5-0.7倍后开始所述扩散阶段，当碳势较高、设备降低碳势又比较缓慢时，特别是当渗碳层要求较厚时，可按渗层深度达到要求渗层深度的0.5倍时转入扩散阶段，否者达到0.7倍时转入扩散阶段。所述扩散阶段的保温时间按所述强渗阶段的保温时间的0.8-1.3倍计算，可以根据钢泊定碳的碳势和强渗阶段结束前抽检的实际渗层厚度估算，在此基础上进行微调，当渗层深度要求较厚时，则扩散阶段的保温时间长于强渗阶段的保温时间，当渗层深度要求较浅时，则扩散阶段的保温时间低于强渗阶段的保温时间，最终以扩散阶段最后抽检的金相试样的实际渗层厚度确定扩散阶段的保温时间，在金相试样的渗层厚度达到厚度要求即可结束扩散阶段。扩散阶段结束后，断电在渗碳炉中吹氮气冷却，冷到600±10℃后出炉空冷。
(4)高温回火处理：为了软化金属，便于进行去碳层的机械加工，也为了对渗碳炉冷组织的改善，提高渗层和心部组织，为后续的淬火做组织准备，在淬火处理工序前进行高温回火处理工序。所述高温回火处理温度为600-650℃，保温时间按“有效厚度/25-22mm”小时计算，然后空冷。
(5)淬火处理：所述淬火处理温度为780℃-820℃，保温时间按“有效厚度/40-35mm”小时计算，然后油冷。其中，所述淬火处理中使用的淬火油要提前搅拌加热到油温为100±10℃，在所述12Cr2Ni4齿轮进行淬火前5-8小时开始对淬火油搅拌，在所述12Cr2Ni4齿轮进行淬火前10-20分钟停止搅拌，在所述12Cr2Ni4齿轮进入淬火油进行淬火后20-30秒开始继续对淬火油进行搅拌。
(6)低温回火处理：所述低温回火处理温度为180-200℃，保温时间按保温时间按“有效厚度/20-25mm”小时计算，然后空冷。
下面结合实施例对本发明提供的透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺做详细说明。
实施例1
透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮用材料，其化学成分：C:0.160wt.％；Si：0.250wt.％；Mn：0.380wt.％；Cr：1.330wt.％；Ni：3.300wt.％；S：0.009wt.％；P：0.014wt.％；Cu：0.150wt.％；Fe：余量。对其进行渗碳淬火表面强化热处理，包括以下步骤：
(1)预备热处理：采用正火、淬火和回火过程的预备热处理方式，其中，正火温度960℃，保温4小时然后空冷；淬火温度870℃，保温4小时然后油冷；回火温度650℃，保温7.5小时然后空冷。
(2)消应力处理：该处理过程是在透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮机械加工后、铣齿前进行。消应力处理温度为650℃，保温时间5小时，然后空冷。
(3)渗碳处理：采用包括调整、强渗和扩散三个阶段的渗碳处理过程，渗碳处理温度为940℃。其中，调整阶段保温2小时，强渗阶段保温10小时，扩散阶段保温8小时。扩散阶段结束后，当断电后炉内温度降到600℃后透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮出炉空冷。
(4)高温回火处理：高温回火处理温度为650℃，保温8.5小时然后空冷。
(5)淬火处理：淬火处理温度为780℃，保温7小时然后油冷。
(6)低温回火处理：低温回火处理温度为200℃，保温9小时然后空冷。
对比例1
与实施例1不同之处在于：对比例1没有步骤(2)，在步骤(3)的渗碳处理后还有球化空淬处理工序，即将透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮在710℃的温度下球化保温6小时，然后在850℃的温度下保温5小时，最后空冷。之后接着按步骤(4)、步骤(5)及步骤(6)继续对透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮进行渗碳淬火表面强化处理。
分别对实施例1和对比例1渗碳淬火热处理后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳层性能指标进行测试，其渗碳层性能测试结果如表1所示。实施例1渗碳淬火热处理后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图、内氧化金相图和心部金相图分别如图1、图2和图3所示，对比例1渗碳淬火热处理后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图、内氧化金相图和心部金相图分别如图4、图5和图6所示。通过表1对比以及对实施例1和对比例1的碳化物金相图、内氧化金相图和心部金相图对比可以看出：从对渗碳层深度的检验结果看，实施例1和对比例1渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳层深度都是一样的，即在同炉处理的条件下，没有球化空淬工序对渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳层深度是没有影响的；从内氧化的检验结果看，虽然内氧化性能都合格，但还是对比例1采用球化空淬工序的全套渗碳淬火热处理工艺的内氧化严重一些，也就是说，实施例1简化工艺后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的内氧化性能有所提高，更不容易出现内氧化；从表层碳化物的检验结果看，实施例1和对比例1的表层碳化物级别都是2级，都能满足渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮的要求，即实施例1简化工艺后对碳化物的级别没有太大的影响；从马氏体+残余奥氏体(即M+残A)的级别评定结果看，实施例1和对比例1的马氏体+残余奥氏体的评定级别都是二级，不管按哪种渗碳淬火金相检验标准来评定，实施例3简化工艺后得到的12Cr2Ni4高速齿轮都是合格的；从表面硬度的检验结果看，实施例1和对比例1的表面硬度基本相当，本实施例1简化工艺后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的表面硬度甚至比对比例1全套工艺得到的12Cr2Ni4高速齿轮的表面硬度还要略高一点，同样能满足12Cr2Ni4高速齿轮的使用要求。实施例1得到的12Cr2Ni4高速齿轮的心部硬度为HRC35.6，而生产使用中对12Cr2Ni4高速齿轮要求HB293-375，约为HRC31-40，即实施例1简化工艺后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的心部硬度也完全满足使用要求；通过上述对比分析，实施例1提供的12Cr2Ni4齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，通过对工艺参数进行优化，并省去了对比例1的球化空淬处理工序，尽管简化了12Cr2Ni4齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，但实施例1渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮，其渗碳层的性能指标依然全部合格，满足了高速齿轮的设计要求。
表1实施例1和对比例1的渗碳层性能指标
实施例2
透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮用材料，其化学成分：C:0.160wt.％；Si：0.250wt.％；Mn：0.380wt.％；Cr：1.330wt.％；Ni：3.300wt.％；S：0.009wt.％；P：0.014wt.％；Cu：0.150wt.％；Fe：余量。对其进行渗碳淬火表面强化热处理，包括以下步骤：
(1)预备热处理：采用正火和回火过程的预备热处理方式，其中，正火温度950℃，保温4.5小时然后空冷；淬火温度860℃，保温5小时然后油冷；回火温度650℃，保温7.5小时然后空冷。
(2)消应力处理：该处理过程是在透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮机械加工后、铣齿前进行。消应力处理温度为650℃，保温时间6小时，然后空冷。
(3)渗碳处理：采用包括调整、强渗和扩散三个阶段的渗碳处理过程，渗碳处理温度为930℃。其中，调整阶段保温2小时，强渗阶段保温10小时，扩散阶段保温8小时。扩散阶段结束后，当断电后炉内温度降到600℃后透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮出炉空冷。
(4)高温回火处理：高温回火处理温度为640℃，保温7.5小时然后空冷。
(5)淬火处理：淬火处理温度为820℃，保温5小时然后油冷。
(6)低温回火处理：低温回火处理温度为180℃，保温10小时然后空冷。
对比例2
与实施例2不同之处在于：对比例2没有步骤(2)，在步骤(3)的渗碳处理后还有球化空淬处理工序，即将透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮在710℃的温度下球化保温6小时，然后在850℃的温度下保温5小时，最后空冷。之后接着按步骤(4)、步骤(5)及步骤(6)继续对透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮进行渗碳淬火表面强化处理。
分别对实施例2和对比例2渗碳淬火热处理后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳层性能指标进行测试，其渗碳层性能测试结果如表2所示。实施例2渗碳淬火热处理后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图和内氧化金相图分别如图7和图8所示，对比例2渗碳淬火热处理后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图和内氧化金相图分别如图9和图10所示。通过表2对比以及对实施例2和对比例2的碳化物金相图和内氧化金相图的对比可以看出：从对渗碳层深度的检验结果看，实施例2和对比例2渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳层深度都是一样的，即在同炉处理的条件下，没有球化空淬工序对渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳层深度是没有影响的；从内氧化的检验结果看，实施例2得到的12Cr2Ni4高速齿轮的内氧化性能合格，但对比例2得到的12Cr2Ni4高速齿轮的内氧化性能不合格，其内氧化值达到了30μ。这说明在渗层要求较厚、淬火温度较高的情况下时，采用正火和回火两过程的预备热处理方式时，像对比例2采用带有球化空淬工序的全套渗碳淬火热处理工艺得到的12Cr2Ni4高速齿轮的内氧化不合格；从表层碳化物的检验结果看，实施例2和对比例2的表层碳化物级别都是2级，都能满足渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮的要求，即实施例2简化工艺后对碳化物的级别没有太大的影响；从马氏体+残余奥氏体(即M+残A)的级别评定结果看，实施例2和对比例2的马氏体+残余奥氏体的评定级别都是二级，不管按哪种渗碳淬火金相检验标准来评定，实施例3简化工艺后得到的12Cr2Ni4高速齿轮都是合格的；从表面硬度的检验结果看，实施例2和对比例2的表面硬度基本相当，虽然实施例2得到的12Cr2Ni4高速齿轮的表面硬度比对比例2得到的12Cr2Ni4高速齿轮的表面硬度略低一点，但仍然能够满足12Cr2Ni4高速齿轮的使用要求；实施例2得到的12Cr2Ni4高速齿轮的心部硬度为HRC35.1，而生产使用中对12Cr2Ni4高速齿轮要求HB293-375，约为HRC31-40，即实施例2简化工艺后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的心部硬度也完全满足使用要求。通过上述对比分析，实施例2提供的12Cr2Ni4齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，通过对工艺参数进行优化，并省去了对比例2的球化空淬处理工序，尽管简化了12Cr2Ni4齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，但实施例2渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮，其渗碳层的性能指标依然全部合格，满足了高速齿轮的设计要求。
表2实施例2和对比例2的渗碳层性能指标
编号 渗碳层深度 表面硬度 碳化物 M+残A 内氧化
实施例2 1.8-2.0mm 59.0HRC 二级 二级 10μ
对比例2 1.8-2.0mm 63.1HRC 二级 二级 30μ
实施例3
透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮用材料，其化学成分：C:0.160wt.％；Si：0.250wt.％；Mn：0.380wt.％；Cr：1.330wt.％；Ni：3.300wt.％；S：0.009wt.％；P：0.014wt.％；Cu：0.150wt.％；Fe：余量。对其进行渗碳淬火表面强化热处理，包括以下步骤：
(1)预备热处理：采用正火、淬火和回火过程的预备热处理方式，其中，正火温度940℃，保温5小时然后空冷；淬火温度850℃，保温6小时然后油冷；回火温度650℃，保温7.5小时然后空冷。
(2)消应力处理：该处理过程是在透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮机械加工后、铣齿前进行。消应力处理温度为640℃，保温时间8小时，然后空冷。
(3)渗碳处理：采用包括调整、强渗和扩散三个阶段的渗碳处理过程，渗碳处理温度为920℃。其中，调整阶段保温4小时，强渗阶段保温10小时，扩散阶段保温8小时。扩散阶段结束后，当断电后炉内温度降到600℃后透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮出炉空冷。
(4)高温回火处理：高温回火处理温度为610℃，保温7.5小时然后空冷。
(5)淬火处理：淬火处理温度为820℃，保温5小时然后油冷。
(6)低温回火处理：低温回火处理温度为180℃，保温10小时然后空冷。
对比例3
与实施例3不同之处在于：对比例3没有步骤(2)，在步骤(3)的渗碳处理后还有球化空淬处理工序，即将透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮在710℃的温度下球化保温6小时，然后在850℃的温度下保温5小时，最后空冷。之后接着按步骤(4)、步骤(5)及步骤(6)继续对透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮进行渗碳淬火表面强化处理。
分别对实施例3和对比例3渗碳淬火热处理后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳层性能指标进行测试，其渗碳层性能测试结果如表3所示。实施例1渗碳淬火热处理后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图、内氧化金相图和心部金相图分别如图11、图12和图13所示，对比例3渗碳淬火热处理后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图、内氧化金相图和心部金相图分别如图14、图15和图16所示。通过表3对比以及对实施例3和对比例3的碳化物金相图、内氧化金相图和心部金相图对比可以看出：从对渗碳层深度的检验结果看，实施例3和对比例3渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳层深度都是一样的，即在同炉处理的条件下，没有球化空淬工序对渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳层深度是没有影响的；从内氧化的检验结果看，虽然内氧化性能都合格，但还是对比例3采用球化空淬工序的全套渗碳淬火热处理工艺的内氧化严重一些，也就是说，实施例3简化工艺后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的内氧化性能有所提高，更不容易出现内氧化；从表层碳化物的检验结果看，实施例3和对比例3的表层碳化物级别都是2级，都能满足渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮的要求，即实施例3简化工艺后对碳化物的级别没有太大的影响；从马氏体+残余奥氏体(即M+残A)的级别评定结果看，实施例3的马氏体+残余奥氏体的级别比对比例3的马氏体+残余奥氏体略高一些，实施例3的马氏体+残余奥氏体的级别是三级，而对比例3的马氏体+残余奥氏体级别是二级，不管按哪种渗碳淬火金相检验标准来评定，实施例3简化工艺后得到的12Cr2Ni4高速齿轮都是合格的，例如，以“QC.T262.1999汽车渗碳齿轮金相检验”评定，马氏体+残余奥氏体的评定分为8级，1-5级合格，即实施例3得到的12Cr2Ni4高速齿轮完全满足标准和设计的要求；从表面硬度的检验结果看，实施例3和对比例3的表面硬度基本相当，虽然实施例3得到的12Cr2Ni4高速齿轮的表面硬度比对比例3得到的12Cr2Ni4高速齿轮的表面硬度略低一点，但仍然能够满足12Cr2Ni4高速齿轮的使用要求；实施例3得到的12Cr2Ni4高速齿轮的心部硬度为HRC34.9，而生产使用中对12Cr2Ni4高速齿轮要求HB293-375，约为HRC31-40，即实施例3简化工艺后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的心部硬度也完全满足使用要求。通过上述对比分析，实施例3提供的12Cr2Ni4齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，通过对工艺参数进行优化，并省去了对比例3的球化空淬处理工序，尽管简化了12Cr2Ni4齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，但实施例3渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮，其渗碳层的性能指标依然全部合格，满足了高速齿轮的设计要求。
表3实施例3和对比例3的渗碳层性能指标
编号 渗碳层深度 表面硬度 碳化物 M+残A 内氧化 心部组织
实施例3 1.3-1.4mm 57.8HRC 二级 三级 10μ HRC34.9
对比例3 1.3-1.4mm 60.6HRC 二级 二级 10μ ---
实施例4
透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮用材料，其化学成分：C:0.160wt.％；Si：0.250wt.％；Mn：0.380wt.％；Cr：1.330wt.％；Ni：3.300wt.％；S：0.009wt.％；P：0.014wt.％；Cu：0.150wt.％；Fe：余量。对其进行渗碳淬火表面强化热处理，包括以下步骤：
(1)预备热处理：采用正火和回火过程的预备热处理方式，其中，正火温度940℃，保温5.5小时然后空冷；淬火温度850℃，保温5小时然后油冷；回火温度650℃，保温7.5小时然后空冷。
(2)消应力处理：该处理过程是在透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮机械加工后、铣齿前进行。消应力处理温度为640℃，保温时间6小时，然后空冷。
(3)渗碳处理：采用包括调整、强渗和扩散三个阶段的渗碳处理过程，渗碳处理温度为920℃。其中，调整阶段保温2小时，强渗阶段保温10小时，扩散阶段保温8小时。扩散阶段结束后，当断电后炉内温度降到600℃后透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮出炉空冷。
(4)高温回火处理：高温回火处理温度为610℃，保温7.5小时然后空冷。
(5)淬火处理：淬火处理温度为820℃，保温5小时然后油冷。
(6)低温回火处理：低温回火处理温度为180℃，保温10小时然后空冷。
对比例4
与实施例4不同之处在于：对比例4没有步骤(2)，在步骤(3)的渗碳处理后还有球化空淬处理工序，即将透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮在710℃的温度下球化保温6小时，然后在850℃的温度下保温5小时，最后空冷。之后接着按步骤(4)、步骤(5)及步骤(6)继续对透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮进行渗碳淬火表面强化处理。
分别对实施例4和对比例4渗碳淬火热处理后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳层性能指标进行测试，其渗碳层性能测试结果如表4所示。实施例4渗碳淬火热处理后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图和内氧化金相图分别如图17和图18所示，对比例4渗碳淬火热处理后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的碳化物金相图和内氧化金相图分别如图19和图20所示。通过表4对比以及对实施例4和对比例4的碳化物金相图和内氧化金相图的对比可以看出：从对渗碳层深度的检验结果看，实施例4和对比例4渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳层深度都是一样的，即在同炉处理的条件下，没有球化空淬工序对渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳层深度是没有影响的；从内氧化的检验结果看，虽然内氧化性能都合格，但还是对比例4采用球化空淬工序的全套渗碳淬火热处理工艺的内氧化严重一些，也就是说，实施例4简化工艺后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的内氧化性能有所提高，更不容易出现内氧化；从表层碳化物的检验结果看，实施例4和对比例4的表层碳化物级别都是2级，都能满足渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮的要求，即实施例4简化工艺后对碳化物的级别没有太大的影响；从马氏体+残余奥氏体(即M+残A)的级别评定结果看，实施例4的马氏体+残余奥氏体的级别比对比例4的马氏体+残余奥氏体略高一些，实施例4的马氏体+残余奥氏体的级别是三级，而对比例4的马氏体+残余奥氏体级别是二级，不管按哪种渗碳淬火金相检验标准来评定，实施例4简化工艺后得到的12Cr2Ni4高速齿轮都是合格的，例如，以“QC.T262.1999汽车渗碳齿轮金相检验”评定，马氏体+残余奥氏体的评定分为8级，1-5级合格，即实施例4得到的12Cr2Ni4高速齿轮完全满足标准和设计的要求；从表面硬度的检验结果看，实施例4和对比例4的表面硬度基本相当，虽然实施例4得到的12Cr2Ni4高速齿轮的表面硬度比对比例4得到的12Cr2Ni4高速齿轮的表面硬度略低一点，但仍然能够满足12Cr2Ni4高速齿轮的使用要求；实施例4得到的12Cr2Ni4高速齿轮的心部硬度为HRC35.2，而生产使用中对12Cr2Ni4高速齿轮要求HB293-375，约为HRC31-40，即实施例4简化工艺后得到的12Cr2Ni4高速齿轮的心部硬度也完全满足使用要求。通过上述对比分析，实施例4提供的12Cr2Ni4齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，通过对工艺参数进行优化，并省去了对比例4的球化空淬处理工序，尽管简化了12Cr2Ni4齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，但实施例4渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4高速齿轮，其渗碳层的性能指标依然全部合格，满足了高速齿轮的设计要求。
表4实施例4和对比例4的渗碳层性能指标
编号 渗层深度 表面硬度 碳化物 M+残A 内氧化
实施例4 1.3-1.4mm 56.9HRC 二级 三级 10μ
对比例4 1.3-1.4mm 61.9HRC 二级 二级 10μ
实施例5
透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮用材料，其化学成分：C:0.160wt.％；Si：0.250wt.％；Mn：0.380wt.％；Cr：1.330wt.％；Ni：3.300wt.％；S：0.009wt.％；P：0.014wt.％；Cu：0.150wt.％；Fe：余量。对其进行渗碳淬火表面强化热处理，包括以下步骤：
(1)预备热处理：采用正火、淬火和回火过程的预备热处理方式，其中，正火温度950℃，保温4.5小时然后空冷；淬火温度860℃，保温5小时然后油冷；回火温度650℃，保温7.5小时然后空冷。
(2)消应力处理：该处理过程是在透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮机械加工后、铣齿前进行。消应力处理温度为660℃，保温时间7小时，然后空冷。
(3)渗碳处理：采用包括调整、强渗和扩散三个阶段的渗碳处理过程，渗碳处理温度为930℃。其中，调整阶段保温2小时，强渗阶段保温10小时，扩散阶段保温8小时。扩散阶段结束后，当断电后炉内温度降到600℃后透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮出炉空冷。
(4)高温回火处理：高温回火处理温度为610℃，保温7.5小时然后空冷。
(5)淬火处理：淬火处理温度为820℃，保温5小时然后油冷。
(6)低温回火处理：低温回火处理温度为180℃，保温10小时然后空冷。
对比例5
与实施例5不同之处在于：对比例5没有步骤(2)，在步骤(3)的渗碳处理后还有球化空淬处理工序，即将透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮在710℃的温度下球化保温6小时，然后在850℃的温度下保温5小时，最后空冷。之后接着按步骤(4)、步骤(5)及步骤(6)继续对透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮进行渗碳淬火表面强化处理。
经测试实施例5渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4畸变试样，开口的总畸变量为0.10毫米，对比例5的开口的总畸变量为0.21毫米，具体数据见表5。畸变量减小了53.1％。
表5实施例5和对比例5的畸变试样的畸变数据
编号 渗碳前 球化空淬后 渗碳淬火后 总变形
实施例5 6.08、6.08、6.08 --------- 6.18、6.18、6.18 0.10
对比例5 6.04、6.06、6.06 6.04、6.06、6.08 6.26、6.26、6.28 0.21
实施例6
透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮用材料，其化学成分：C:0.160wt.％；Si：0.250wt.％；Mn：0.380wt.％；Cr：1.330wt.％；Ni：3.300wt.％；S：0.009wt.％；P：0.014wt.％；Cu：0.150wt.％；Fe：余量。对其进行渗碳淬火表面强化热处理，包括以下步骤：
(1)预备热处理：采用正火和回火过程的预备热处理方式，其中，正火温度960℃，保温3.5小时然后空冷；淬火温度870℃，保温4.5小时然后油冷；回火温度650℃，保温7.5小时然后空冷。
(2)消应力处理：该处理过程是在透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮机械加工后、铣齿前进行。消应力处理温度为660℃，保温时间5小时，然后空冷。
(3)渗碳处理：采用包括调整、强渗和扩散三个阶段的渗碳处理过程，渗碳处理温度为940℃。其中，调整阶段保温2小时，强渗阶段保温10小时，扩散阶段保温8小时。扩散阶段结束后，当断电后炉内温度降到600℃后透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮出炉空冷。
(4)高温回火处理：高温回火处理温度为650℃，保温5.5小时然后空冷。
(5)淬火处理：淬火处理温度为820℃，保温5小时然后油冷。
(6)低温回火处理：低温回火处理温度为200℃，保温8小时然后空冷。
对比例6
与实施例6不同之处在于：对比例6没有步骤(2)，在步骤(3)的渗碳处理后还有球化空淬处理工序，即将透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮在710℃的温度下球化保温6小时，然后在850℃的温度下保温5小时，最后空冷。之后接着按步骤(4)、步骤(5)及步骤(6)继续对透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮进行渗碳淬火表面强化处理。
经测试实施例6渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4畸变试样，总畸变量为0.133毫米，对比例5的开口的总畸变量为0.407毫米，具体数据见表6。畸变量减小了67.3％。
表6、实施例6、对比例6的畸变试样的畸变数据
编号 渗碳前 球化空淬后 渗碳淬火后 总变形
实施例6 6.00、6.00、6.00 --------- 6.10、6.14、6.16 0.133
对比例6 6.00、6.00、6.00 6.30、6.32、6.34 6.40、6.40、6.42 0.407
实施例7
透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮用材料，其化学成分：C:0.160wt.％；Si：0.250wt.％；Mn：0.380wt.％；Cr：1.330wt.％；Ni：3.300wt.％；S：0.009wt.％；P：0.014wt.％；Cu：0.150wt.％；Fe：余量。对其进行渗碳淬火表面强化热处理，包括以下步骤：
(1)预备热处理：采用正火、淬火和回火过程的预备热处理方式，其中，正火温度950℃，保温4.5小时然后空冷；淬火温度860℃，保温5小时然后油冷；回火温度650℃，保温7.5小时然后空冷。
(2)消应力处理：该处理过程是在透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮机械加工后、铣齿前进行。消应力处理温度为660℃，保温时间7小时，然后空冷。
(3)渗碳处理：采用包括调整、强渗和扩散三个阶段的渗碳处理过程，渗碳处理温度为930℃。其中，调整阶段保温2小时，强渗阶段保温10小时，扩散阶段保温8小时。扩散阶段结束后，当断电后炉内温度降到600℃后透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮出炉空冷。
(4)高温回火处理：高温回火处理温度为610℃，保温7.5小时然后空冷。
(5)淬火处理：淬火处理温度为820℃，保温5小时然后油冷。
(6)低温回火处理：低温回火处理温度为180℃，保温10小时然后空冷。
对比例7
与实施例7不同之处在于：对比例7没有步骤(2)，在步骤(3)的渗碳处理后还有球化空淬处理工序，即将透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮在710℃的温度下球化保温6小时，然后在850℃的温度下保温5小时，最后空冷。之后接着按步骤(4)、步骤(5)及步骤(6)继续对透平压缩机12Cr2Ni4高速齿轮进行渗碳淬火表面强化处理。
经测试实施例7渗碳淬火热处理后的12Cr2Ni4模拟盘，外圆尺寸的总畸变量为0.10毫米，对比例7的外圆尺寸的总畸变量为0.21毫米，具体数据见表7。畸变量减小了55.6％。
表7实施例7和对比例7的模拟盘的畸变数据
编号 原始A 原始B 淬火后A 淬火后B 总畸变量
实施例7 245+0.06 245+0.06 245+0.02 245+0.03 245-0.04；245-0.03
对比例7 245+0.06 245+0.09 245-0.015 245-0.00 245-0.075；245-0.09
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，其特征在于，包括以下步骤：
预备热处理：所述预备热处理包括正火、淬火和回火过程或包括正火和回火过程；所述正火温度为950±10℃，保温时间按“有效厚度/45mm-40mm”小时计算，然后空冷；所述淬火温度为860±10℃，保温时间按“有效厚度/40mm-35mm”小时计算，然后油冷；所述回火温度为650℃，保温时间按“1.5-1.7倍淬火保温时间”计算，然后空冷；
消应力处理：所述消应力处理温度为600-650℃，保温时间按“有效厚度/25mm-30mm”小时计算，然后空冷；
渗碳处理：所述渗碳处理温度为930±10℃，所述渗碳处理过程包括调整、强渗和扩散三个阶段，所述调整阶段的保温时间为1-2小时，所述强渗阶段的保温时间按渗碳层的厚度要求以“0.2mm/小时”计算，强渗阶段的渗层深度达到要求渗层深度的0.5-0.7倍后开始所述扩散阶段，所述扩散阶段的保温时间按所述强渗阶段的保温时间的0.8-1.3倍计算，所述扩散阶段结束后，断电在渗碳炉中吹氮气冷却，冷到600±10℃后出炉空冷；
高温回火处理：所述高温回火处理温度为600-650℃，保温时间按“有效厚度/25-30mm”小时计算，然后空冷；
淬火处理：所述淬火处理温度为780℃-820℃，保温时间按“有效厚度/40-35mm”小时计算，然后油冷；
低温回火处理：所述低温回火处理温度为180-200℃，保温时间按保温时间按“有效厚度/20-25mm”小时计算，然后空冷。
2.根据权利要求1所述的透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，其特征在于：所述消应力处理是新增加的，在所述透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮机械加工后的铣齿前进行。
3.根据权利要求1所述的透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，其特征在于：简化掉“球化空淬”工序，简化后渗层指标全部合格，且畸变量大幅降低。
4.根据权利要求1所述的透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，其特征在于：将所述强渗阶段转入所述扩散阶段的渗层深度由达到要求渗层深度的0.7倍设定为0.5-0.7倍。
5.根据权利要求1所述的透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，其特征在于：所述12Cr2Ni4高速齿轮的材料的化学成分满足GB/T3077-1999标准的规定。
6.根据权利要求1所述的透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，其特征在于：所述淬火处理中使用的淬火油要提前搅拌加热到油温为100±10℃，在所述12Cr2Ni4齿轮进行淬火前5-8小时开始对淬火油搅拌，在所述12Cr2Ni4齿轮进行淬火前10-20分钟停止搅拌，在所述12Cr2Ni4齿轮进入淬火油进行淬火后20-30秒开始继续对淬火油进行搅拌。
7.根据权利要求6所述的透平压缩机用12Cr2Ni4高速齿轮的渗碳淬火表面强化工艺，其特征在于：所述12Cr2Ni4高速齿轮材料的冶炼方法是电炉冶炼，电渣重熔精炼，锻造采用自由锻造，锻造比在3-5。
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