CN109097533A - 一种中大模数齿轮的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的中大模数齿轮的热处理方法，包括预热、升温、渗碳、扩散、降温、淬火、回火等阶段，结合渗碳工装的设计，根据中大模数齿轮的特点，通过调整热处理的温度、时间和碳势保证其表面渗碳的层深和内在质量；同时对淬火的种类选择、油温进行科学地调整；对每个影响渗碳淬火的变形量的因素都进行考量，得到适合中大模数齿轮的渗碳淬火的工艺方法。通过本发明的热处理方法进行处理的中大型齿轮的齿面精度可以保证在GB7～GB9级，可以不需要热处理后的磨齿工序对齿面精度进行修正。保证齿轮产品表面均匀一致，增加了质量稳定性，优化了工艺步骤，有效缩短了生产时间，可以大规模、批量化生产提高了生产效率，具有巨大的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及热处理领域，具体涉及，更具体地，涉及一种中大模数齿轮的热处理方法和应用。
背景技术
渗碳淬火是在低碳钢的表面渗碳，使之成为高含碳量状态的处理，使刚才表面进行硬化的手段。渗碳的表面与芯部的硬度由硬到软连续变化。芯部硬度低于表面经过渗碳淬火处理的齿轮容易产生变形及扭曲，致使齿轮精度下降，要提高齿轮精度还要进行磨齿工序，进行齿面精度的修正，使齿轮达到合格的装配水平。尤其是中大模数齿轮，因其直径较大，热处理变形很难控制，齿轮的内孔失圆严重，斜齿齿距累积误差大，甚至后续的磨齿工序也很难将齿面调整到合格的精度。
现有的中大型齿轮一般经过锻造--粗车--精车--滚齿或剃齿--渗碳、淬火--回火--磨齿或滚齿修正--研齿等工序，中大型齿轮中尤其是三联齿轮，由于尺寸大、锥齿、斜齿、端齿的结构不同，热处理后的产品内孔失圆严重，必须通过热处理后的磨齿工序才能使齿面精度达到要求。
现有技术中，暂未找到一种可以有效控制中大型齿轮热处理的内孔失圆和斜齿齿距累积误差大问题的方法。
发明内容
本发明针对上述现有技术的缺点，提供一种中大模数齿轮的热处理方法，该方法根据中大模数齿轮的特点，通过调整热处理的温度、时间和碳势保证其表面渗碳的层深和内在质量；同时对淬火的油温进行科学地调整；对每个影响渗碳淬火的变形量的因素都进行考量，得到适合中大模数齿轮的渗碳淬火的工艺方法。通过本发明的热处理方法进行处理的中大型齿轮的齿面精度可以保证在GB7～GB9级，可以不需要热处理后的磨齿工序对齿面精度进行修正。
本发明的中大模数齿轮的热处理方法热处理后的齿轮产品表面均匀一致，增加了质量稳定性，优化了工艺步骤，有效缩短了生产时间，可以大规模、批量化生产提高了生产效率，具有巨大的经济效益。
本发明的发明目的通过以下技术方案予以实现：
本发明的大模数齿轮的热处理方法，包括以下步骤：
S1.预热：将齿轮半成品入炉加热到450～480℃，保温30～50min；
S2.升温：加热速度为8～15℃/min，升温至870～900℃，保温220～350min；
S3.渗碳：将温度升至890～905℃，碳势为0.90～1.15％CP，保温360～560min；
S4.扩散：将温度降至870～900℃，碳势为0.60～0.80％CP，保温220～350min；
S5.降温：将步骤S4的碳势保持不变，将温度降至850～860℃，保温90～130min；
S6.淬火：选择分级淬火油的温度为90～130℃，搅拌速度为30～80Hz，时间为10～12min；
S7.回火：将淬火后的齿轮在170～180℃进行回火，所述回火的时间为120～210min。
进一步地，所述齿轮为三联圆柱齿轮，所述三联圆柱齿轮的模数为5.0～9.0，所述齿轮的外径为170～280mm，所述齿轮的内孔直径为50～80mm。
进一步地，所述三联圆柱齿轮的材料为20CrMnTi，22CrMo，20MnCr5，20CrNiMo的任意一种。
进一步地，所述渗剂为GH渗剂、丙烷、天然气和RX气的任意一种与甲醇的混合。
进一步地，所述步骤S2中所用渗剂为甲醇和天然气，所述甲醇流量为20～32ml/min，天然气的最大流量为0.25±0.05m3/h。
进一步地，所述步骤S3中所用渗剂为甲醇和天然气，所述甲醇流量为35～45ml/min，天然气的最大流量为1.5±0.20m3/h。
进一步地，所述步骤S4中所用渗剂为甲醇和天然气，所述甲醇流量为20～32ml/min，天然气的最大流量为0.2±0.05m3/h。
进一步地，步骤S1中所述齿轮半成品悬挂在齿轮渗碳工装上，所述齿轮渗碳工装包括矩形框架、定位套筒和装料杆；所述矩形框架的四角分别固定有安装杆，两个相邻所述安装杆上的设有固定梁和/或限位梁，相同安装杆上的所述固定梁和/或限位梁间通过定位套筒间隔；所述固定梁的两端设有安装环结构，所述安装环结构与安装杆相适配，所述固定梁的表面为锯齿结构；所述装料杆包括端部和中间支撑部，所述端部为与所述固定梁相适配的波纹端板，所述中间支撑部为横截面为“工字”型的装料杆。
齿轮渗碳工装通过对矩形框架、定位套筒和装料杆的结构设计，巧妙地将上述结构配合形成一体，将装料杆设计成“工字”型，增加装料杆与齿轮的内孔的接触面积，接触点能有效消除应力集中，避免热加工变形的产生。
将矩形框架设置为安装杆上套设有固定梁和/或限位梁，其中，固定梁的表面锯齿结构能与装料杆的波纹端板相适配，结合紧密，不易窜动，有效防止工装晃动引起的产品磕碰。限位梁的结构一方面能使工装更加牢固，另一方面能限制产品的装载位置，能最大限度地利用渗碳工位，有效利用空间。
进一步地，相对设置的所述安装杆的距离小于等于装料杆的长度。
进一步地，所述装料杆的支撑部的长度为端部长度的7～9倍，所述装料杆的支撑部的宽度为端部宽度的1～1.5倍，所述装料杆的支撑部的高度为端部高度的1.5～2倍。
进一步地，所述“工字”型的装料杆包括中心对称设置的上表面、下表面和连接上表面和下表面的连接桥，所述上表面、连接桥、下表面的厚度之比为1:1～1.2:1。
进一步地，所述定位套筒的直径与所述安装环结构的直径相同。
定位套筒的设置，使本齿轮渗碳工装可根据产品尺寸料选择定位套筒的使用数量，使本工装可分层放置齿轮，保证渗碳质量的同时，增加批次生产效率。
进一步地，所述限位梁上设有安装套筒套接在安装杆上。
更进一步地，所述固定梁包括两个对称设置的表面具有锯齿结构的横梁，所述横梁间设有多个加固板。
将固定梁设置带有加固板的使本齿轮渗碳工装承载能力更强。
进一步地，所述装料杆的材料为Cr25Ni20Si2。本材料的选择使齿轮渗碳工装在渗碳高温的工艺条件下，稳定性更强，保证齿轮产品的质量。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的中大模数齿轮的热处理方法，通过调整热处理的温度、时间和碳势保证其表面渗碳的层深和内在质量；同时对淬火的的种类选择、油温进行科学地调整；对每个影响渗碳淬火的变形量的因素都进行考量，得到适合中大模数齿轮的渗碳淬火的工艺方法。能有效控制齿轮的内孔失圆，提高齿轮的齿面精度的合格率。
本发明考虑到生产中除了按照产品调整渗碳淬火工艺来降低热处理形变量外，渗碳淬火工装的选择会极大地影响齿轮类产品的内孔圆度和齿面精度。因此对渗碳工装进行设计，该工装通过对矩形框架和装料杆科学地设计，将装料杆设计成“工字”型，装料杆与齿轮内孔接触位置圆弧结构，增加装料杆与齿轮的内孔的接触面积，接触点能有效消除应力集中，避免热加工变形的产生。装料杆宽度与内孔中心夹角控制在90～110°的范围内，使用此工装进行大模数的齿轮的渗碳淬火时，齿轮的内孔的圆度失圆小和外齿的齿距累积误差小，产品的一致性较好。
同时通过本发明的热处理方法进行处理的中大型齿轮的齿面精度可以保证在GB7～GB9级，可以不需要热处理后的磨齿工序对齿面精度进行修正，使整个产品表面均匀一致，增加了质量稳定性，优化了工艺步骤，有效缩短了生产时间，提高了生产效率，具有巨大的经济效益。
本发明的大模数齿轮的热处理方法制造的齿轮产品，该齿轮质量稳定性高，齿面精度的一致性好；可以大规模、批量化生产。
附图说明
图1为本发明的齿轮渗碳工装的结构示意图。
图2为本发明所述的装料杆的剖视图。
图3为现有技术中齿轮渗碳工装的装料杆的结构示意图。
图4为本发明所述的装料杆装挂齿轮的示意图。
其中，1-矩形框架，11-安装杆，12，固定梁，121-安装环结构，122-横梁，123-锯齿结构，124-加固板，13-限位梁，131-安装套筒，2-定位套筒，3-装料杆，31-端部，32-中间支撑部，1’-“十字”型端板，2’-“十字”型中间支撑部，A-与齿轮内孔接触的中间支撑部的夹角，B-齿轮内孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本发明。为方便说明，本发明下述实施例采用的试剂、仪器和设备等列举如下，但并不因此限定本发明。
发明人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
实施例1
本实施公开的中大模数齿轮的热处理方法，包括以下步骤：
S1.预热：将齿轮半成品入炉加热到460±10℃，保温30～50min；
S2.升温：加热速度为8～10℃/min，甲醇的流量为20～25ml/min，天然气的最大流量为0.25±0.05m3/h，升温至870～900℃，保温220～240min；
S3.渗碳：将温度升至895±5℃，甲醇的流量为35～40ml/min，天然气的最大流量为1.5±0.20m3/h，碳势为1.0±0.05％CP，保温360～400min；
S4.扩散：将温度降至875±5℃，甲醇的流量为20～25ml/min，天然气的最大流量为0.2±0.05m3/h，碳势为0.65±0.05％CP，保温220～240min；
S5.降温：将步骤S4的渗剂的流量，碳势保持不变，将温度降至850～860℃，保温90～100min；
S6.淬火：选择分级淬火油的温度为90～100℃，搅拌速度为30～50Hz，时间为10～12min；
S7.回火：将淬火后的齿轮在170～180℃进行回火，所述回火的时间为120～150min。
本实施例的齿轮渗碳工装，如图1和图2所示包括矩形框架1、定位套筒2和装料杆3；矩形框架1的四角分别固定有安装杆11，两个相邻的安装杆上的通过安装套筒套接有固定梁12和限位梁13，相同安装杆11上的固定梁12和限位梁13间通过定位套筒2间隔；固定梁13的两端设有安装环结构121，安装环结构121与安装杆11相适配，限位梁13上设有安装套筒131套接在安装杆11上；固定梁12为表面具有锯齿结构123的横梁122，横梁122间设有多个加固板124；装料杆3包括端部31和中间支撑部32，端部32为与固定梁12相适配的波纹端板，中间支撑部32为横截面为“工字”型的装料杆。
该齿轮渗碳工装通过对矩形框架1和装料杆3科学地设计，将装料杆3设计成“工字”型，增加装料杆3与齿轮的内孔的接触面积，接触点能有效消除应力集中，避免热加工变形的产生。
其中，相对设置的所述安装杆的距离小于等于装料杆的长度。
本实施例的装料杆的支撑部的长度为端部长度的7～9倍，本实施例优选地为8倍；装料杆的支撑部的宽度为端部宽度的1～1.5倍，本实施例优选地为1.4倍；装料杆的支撑部的高度为端部高度的1.5～2倍，本实施例优选地为1.6倍。
“工字”型的装料杆包括中心对称设置的上表面、下表面和连接上表面和下表面的连接桥，所述上表面、连接桥、下表面的厚度之比为1:1～1.2:1。
上下表面均为锯齿结构，安装稳定，“工字”的装料杆在高温下是的热疲劳性能强，使用寿命长，可有效增加工装利用率。
固定梁12包括两个对称设置的表面具有锯齿结构123的横梁122，横梁122间设有多个加固板124。将固定梁设置带有加固板的使本齿轮渗碳工装承载能力更强。
进一步地，所用工装的材料为Cr25Ni20Si2。本材料的选择使齿轮渗碳工装在渗碳高温的工艺条件下，稳定性更强，保证齿轮产品的质量。
本齿轮渗碳工装使用时，将矩形框架1放置在渗碳料盘上，按照产品的尺寸，通过调整定位套筒的个数，来确定每层装料杆间的距离，先将限位梁安装在安装杆底部，将限位梁相对套设在安装杆上，再将固定梁套设在安装杆上；将装料杆穿过待渗碳的齿轮产品的内孔，再将装料杆端部的波纹端板与固定梁的锯齿结构相啮合；再重复上面安装方法进行另一层齿轮产品的安装。
图4的装料杆装挂齿轮的示意图，其中“工字”型的装料杆的宽度与齿轮内孔B中心夹角A控制在90～110°的范围内，本实施例中夹角A为97°；此齿轮渗碳工装，该工装通过对矩形框架和装料杆科学地设计，将装料杆设计成“工字”型，装料杆与齿轮内孔接触位置圆弧结构，增加装料杆与齿轮的内孔的接触面积，接触点能有效消除应力集中，避免热加工变形的产生。使用此工装进行大模数的齿轮的渗碳淬火时，齿轮的内孔的圆度失圆小和外齿的齿距累积误差下，产品的一致性较好。
实施例2
本实施公开的中大模数齿轮的热处理方法，包括以下步骤：
S1.预热：将齿轮半成品入炉加热到470±10℃，保温40～50min；
S2.升温：加热速度为10～12℃/min，甲醇的流量为26～32ml/min，天然气的最大流量为0.25±0.05m3/h，升温至870～880℃，保温300～350min；
S3.渗碳：将温度升至895±5℃，甲醇的流量为40～45ml/min，天然气的最大流量为1.05±0.20m3/h，碳势为1.05±0.05％CP，保温460～560min；
S4.扩散：将温度降至890±5℃，甲醇的流量为28～32ml/min，天然气的最大流量为0.2±0.05m3/h，碳势为0.75±0.05％CP，保温300～350min；
S5.降温：将步骤S4的渗剂的流量，碳势保持不变，将温度降至850～860℃，保温90～110min；
S6.淬火：选择分级淬火油的温度为110～130℃，搅拌速度为60～80Hz，时间10～12min；
S7.回火：将淬火后的齿轮在170～180℃进行回火，所述回火的时间为180～210min。
本实施例使用与实施例1相同齿轮渗碳工装进行齿轮的装挂。
实施例3
本实施例与实施例2基本相同，其不同之处在于，
步骤S2.升温：加热速度为10～12℃/min，甲醇的流量为26～32ml/min，升温至870～900℃，保温300～350min；
步骤S3.渗碳：将温度升至900±5℃，甲醇的流量为36～38ml/min，碳势为1.10±0.05％CP，保温480～500min；
步骤S4.扩散：将温度降至890±5℃，甲醇的流量为24～26ml/min，碳势为0.75±0.05％CP，保温260～280min；其余与实施例2相同。
对比例1
本对比例的中大模数齿轮的产品参数与实施例1～实施例3相同，其热处理方法，包括以下步骤：
Y1.预热：将齿轮半成品入炉加热到470℃，保温40min；
Y2.升温：加热速度为10～12℃/min，甲醇的流量为26～32ml/min，天然气的最大流量为0.25±0.05m3/h，升温至900℃，保温300～350min；
Y3.渗碳：将温度升至930℃，甲醇的流量为35～45ml/min，天然气的最大流量为1.5±0.20m3/h，碳势为10.5％CP，保温480～500min；
Y4.扩散：将温度降至910℃，甲醇的流量为20～32ml/min，天然气的最大流量为0.2±0.05m3/h，碳势为0.70％CP，保温300～350min；
Y5.降温：将步骤Y3的渗剂的流量，碳势保持不变，将温度降至840℃，保温120～130min；
Y6.淬火：选择分级淬火的方法进行油淬，淬火油的温度为80℃，搅拌速度为60～80Hz，时间为10～12min；
Y7.回火：将淬火后的齿轮在175℃进行回火，所述回火的时间为180～210min。
使用与实施例1～实施例3相同的齿轮渗碳工装进行齿轮的装挂。
对比例2
本对比例的中大模数齿轮的产品参数与实施例1～实施例3相同，其热处理方法的步骤与参数与实施例3相同，其不同之处在于本对比例的齿轮半成品放置在图3的装料杆上，其中装料杆包括“十字”型端板1’和“十字”型中间支撑部2’。
根据GBT25744-2010钢件渗碳淬火回火金相检验标准，对实施例1～实施例3和对比例1和对比例2渗碳淬火后的主动圆柱齿轮进行检测，其内在质量的结果见表1：
表1
对实施例1～实施例3和对比例1和对比例2渗碳淬火后的产品的精度进行检测，其结果见表2：
齿轮精度技术要求如下表：
表2
| Fα(GB/级) | Fβ(GB/级) | Fγ(GB/级) | Fp(GB/级) | fpt(GB/级) | |
| 实施例1 | 0.0212 | 0.0238 | 0.0374 | 0.0658 | 0.154 |
| 实施例2 | 0.0182 | 0.0280 | 0.0412 | 0.9110 | 0.0182 |
| 实施例3 | 0.0335 | 0.0202 | 0.0510 | 0.0710 | 0.199 |
| 对比例1 | 0.0308 | 0.0458 | 0.2120 | 0.2403 | 0.0308 |
| 对比例2 | 0.0254 | 0.0172 | 0.2010 | 0.2120 | 0.0254 |
经检测可知，本发明的方法处理的齿轮产品，齿轮内在质量较好，齿轮的内孔的圆度失圆小和斜齿齿距累积误差小，齿面精度的一致性好。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护之内。
Claims (10)
1.一种中大模数齿轮的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.预热：将齿轮半成品入炉加热到450～480℃，保温30～50min；
S2.升温：加热速度为8～15℃/min，升温至870～900℃，保温220～350min；
S3.渗碳：将温度升至890～905℃，碳势为0.90～1.15％CP，保温360～560min；
S4.扩散：将温度降至870～900℃，碳势为0.60～0.80％CP，保温220～350min；
S5.降温：将步骤S4的碳势保持不变，将温度降至850～860℃，保温90～130min；
S6.淬火：选择分级淬火油的温度为90～130℃，搅拌速度为30～80Hz，时间为10～12min；
S7.回火：将淬火后的齿轮在170～180℃进行回火，所述回火的时间为120～210min。
2.根据权利要求1所述中大模数齿轮的热处理方法，其特征在于，所述齿轮为三联圆柱齿轮，所述三联圆柱齿轮的模数为5.0～9.0，所述齿轮的外径为170～280mm，所述齿轮的内孔直径为50～80mm。
3.根据权利要求2所述中大模数齿轮的热处理方法，其特征在于，所述三联圆柱齿轮的材料为20CrMnTi，22CrMo，20MnCr5，20CrNiMo的任意一种。
4.根据权利要求1所述中大模数齿轮的热处理方法，其特征在于，所述渗剂为GH渗剂、丙烷、天然气和RX气的任意一种与甲醇的混合。
5.根据权利要求1所述中大模数齿轮的热处理方法，其特征在于，所述步骤S2中所用渗剂为甲醇和天然气，所述甲醇流量为20～32ml/min，天然气的最大流量为0.25±0.05m3/h。
6.根据权利要求1所述中大模数齿轮的热处理方法，其特征在于，所述步骤S3中所用渗剂为甲醇和天然气，所述甲醇流量为35～45ml/min，天然气的最大流量为1.5±0.20m3/h。
7.根据权利要求1所述中大模数齿轮的热处理方法，其特征在于，所述步骤S4中所用渗剂为甲醇和天然气，所述甲醇流量为20～32ml/min，天然气的最大流量为0.2±0.05m3/h。
8.根据权利要求1所述中大模数齿轮的热处理方法，其特征在于，步骤S1中所述齿轮半成品悬挂在齿轮渗碳工装上，所述齿轮渗碳工装包括矩形框架、定位套筒和装料杆；所述矩形框架的四角分别固定有安装杆，两个相邻所述安装杆上的设有固定梁和/或限位梁，相同安装杆上的所述固定梁和/或限位梁间通过定位套筒间隔；所述固定梁的两端设有安装环结构，所述安装环结构与安装杆相适配，所述固定梁的表面为锯齿结构；所述装料杆包括端部和中间支撑部，所述端部为与所述固定梁相适配的波纹端板，所述中间支撑部为横截面为“工字”型的装料杆。
9.根据权利要求8所述中大模数齿轮的热处理方法，其特征在于，所述装料杆的支撑部的长度为端部长度的7～9倍，所述装料杆的支撑部的宽度为端部宽度的1～1.5倍，所述装料杆的支撑部的高度为端部高度的1.5～2倍。
10.根据权利要求8所述中大模数齿轮的热处理方法，其特征在于，所述“工字”型的装料杆包括中心对称设置的上表面、下表面和连接上表面和下表面的连接桥，所述上表面、连接桥、下表面的厚度之比为1:1～1.2:1。
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