CN109280851A - 谐波减速器特殊钢材质柔轮及其循环热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波减速器特殊钢材质柔轮及其循环热处理方法，其中，循环热处理方法由正火热处理、粗加工和调质处理三步组成，取消了等温退火操作，正火热处理具体如下：将锻后柔轮毛坯送入加热炉中，调整正火感应加热温度为880℃±20℃，加热保温45min，连续进行两次正火热处理；调质处理具体如下：将粗加工后的柔轮毛坯送入加热炉中，调整淬火感应加热温度为850℃±20℃，保温45min，然后油淬，之后调整回火感应加热温度为560℃±20℃，保温90min，根据柔轮晶粒度级别要求进行1～3次调质处理。本发明的有益之处在于：采用本发明提供的循环热处理方法对特殊钢材质(中碳高强度调质钢)柔轮进行处理后，能够使柔轮的原奥氏体晶粒细化和均匀化。

Description

谐波减速器特殊钢材质柔轮及其循环热处理方法

技术领域

本发明涉及采用特殊钢材质制成的谐波减速器柔轮及该柔轮的循环热处理方法，具体涉及采用中碳高强度调质钢制成的谐波减速器柔轮及能够使该柔轮的原奥氏体晶粒细化和均匀化的循环热处理方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

受人口结构调整、劳动力成本上涨、产业转型升级等多因素驱动，以及“中国制造2025”、“智能制造”政策的加速推动，中国工业机器人的市场需求逐年快速增加。我国的工业机器人产业发展起步较晚，但在市场和政策均利好的条件下，其技术水平和产品结构正朝着高端领域发展。工业机器人产业具有极高的技术壁垒，国内总体水平与世界先进水平尚有很大差距，普遍缺少核心技术、缺少关键零部件，并且产业过多集中在下游集成方面，不利于行业的持续发展，因此需要向上游科研领域渗透，才能实现产业链上下游的匹配与协同。

谐波减速器是工业机器人核心三大零部件之一，研发难度大。放眼全球，其市场目前被日本住友、纳博特斯克、哈默纳科三家日本企业垄断。近年，绿的、秦川、中技克美、来福、力克、山卓、振康等国内企业投入大量资金和技术力量攻关谐波减速器的设计和制造，特别是在齿形优化、受力变形分析、润滑优化、摩擦磨损及失效机理等方面做了很多工作，取得了不错的成绩。但是，制造出来的谐波减速器质量一致性差，并且与国际先进水平仍有较大差距，特别是在材料科学、热处理技术、高精度检查技术等方面存在很大的进步空间，仍需要精耕细作。作为谐波减速器的核心部件之一的柔轮，目前国内外均主要采用40CrNiMoA、40CrA、30CrNiMoA、38Cr2Mo2VA等中碳合金钢，其热处理工序多，处理细致，国内主要靠自主摸索积累经验，缺乏相关系统的基础研究。与国外同材质柔轮相比，国内产品在疲劳寿命的时长和稳定性两方面均存在较大差距，这是限制工业机器人发展的一个重要因素，而细化和均匀化晶粒是改善材料综合性能的一种重要手段。因此，需要对柔轮毛坯在热处理过程中的原奥氏体晶粒尺寸进行精细化和均匀化控制。

柔轮的一般制造工艺如下：下料→加热→模锻→正火→等温退火→粗加工→调质处理(淬火+高温回火)→半精加工→去应力退火→精加工，即原料钢材充分加热奥氏体化后，经模锻后成形，然后依次进行正火处理和等温退火处理，经粗加工后再进行调质处理，最后经半精加工、去应力退火和精加工，得到成品柔轮。在整个制造工艺中，柔轮的锻后热处理是细化和均匀化原奥氏体晶粒的关键工艺。

发明内容

为细化和均匀化柔轮的原奥氏体晶粒，本发明的目的在于提供一种采用中碳高强度调质钢制成的谐波减速器柔轮及能够使该柔轮的原奥氏体晶粒细化和均匀化的循环热处理方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种谐波减速器特殊钢材质柔轮，其特征在于，采用中碳高强度调质钢制成，以质量百分比计，前述中碳高强度调质钢的化学成分为：0.38％～0.43％C、0.15％～0.40％Si、0.40％～0.85％Mn、0.80％～2.20％Cr、1.65％～2.20％Ni、0.20％～0.50％Mo、0.01％～0.07％V、Ti≤0.035％、Nb≤0.030％、P≤0.020％、S≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质。

前述的谐波减速器特殊钢材质柔轮的循环热处理方法，其特征在于，由正火热处理、粗加工和调质处理三步组成，取消了等温退火操作，具体如下：

(1)正火热处理：将锻后柔轮毛坯送入加热炉中，调整正火感应加热温度为880℃±20℃，加热保温45min，连续进行两次正火热处理；

(2)粗加工：对正火热处理后的柔轮毛坯进行粗加工，使其达到目标尺寸；

(3)调质处理：将粗加工后的柔轮毛坯送入加热炉中，调整淬火感应加热温度为850℃±20℃，保温45min，然后油淬，之后调整回火感应加热温度为560℃±20℃，保温90min，根据柔轮晶粒度级别要求进行1～3次调质处理，调质处理完毕即可对柔轮毛坯进行半精加工。

本发明的有益之处在于：采用本发明提供的循环热处理方法处理本发明提供的中碳高强度调质钢后，制得的柔轮的组织为回火屈氏体，原奥氏体晶粒尺寸为10.0级，硬度38HRC～40HRC，具有细小均匀的原奥氏体晶粒和良好的力学性能，从而可提高柔轮在使用过程中的疲劳寿命和稳定性，满足工业机器人对谐波减速器越来越高的寿命要求，避免谐波减速器过早失效。

附图说明

图1(a)是锻后柔轮毛坯的奥氏体晶粒形貌光学显微镜照片；

图1(b)至图1(h)分别是锻后柔轮毛坯经过一次、两次、三次、四次、五次、六次、七次正火(880℃保温45min)后的奥氏体晶粒形貌光学显微镜照片，分别与实施例1至实施例7对应；

图2是实施例1至实施例7的奥氏体平均晶粒尺寸；

图3(a)至图3(c)分别是实施例8至实施例10的热处理工艺示意图；

图4(a)至图4(c)分别是实施例8至实施例10的奥氏体晶粒形貌光学显微镜照片；

图5(a)至(g)分别是锻后柔轮毛坯经过一次、两次、三次、四次、五次、六次、七次调质处理后的奥氏体晶粒形貌光学显微镜照片，分别与实施例11至实施例17对应；

图6是实施例11至实施例17的奥氏体平均晶粒尺寸；

图7是柔轮成品的原奥氏体晶粒形貌光学显微镜照片。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一、谐波减速器特殊钢材质柔轮

本发明提供的谐波减速器特殊钢材质柔轮，采用中碳高强度调质钢制成，以质量百分比计，该中碳高强度调质钢的化学成分为：0.38％～0.43％C、0.15％～0.40％Si、0.40％～0.85％Mn、0.80％～2.20％Cr、1.65％～2.20％Ni、0.20％～0.50％Mo、0.01％～0.07％V、Ti≤0.035％、Nb≤0.030％、P≤0.020％、S≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质。

二、前述谐波减速器特殊钢材质柔轮的循环热处理方法

决定柔轮原奥氏体晶粒尺寸的主要因素是柔轮的锻造过程和柔轮成形后的热处理工艺。柔轮的锻造过程受多方面因素限制，很难进行优化，所以对于柔轮来说，锻后热处理是影响其原奥氏体晶粒尺寸的最主要因素。因此，本发明从正火热处理、调质处理以及中间等温退火这三方面对原奥氏体晶粒尺寸进行系统的控制。

具体的，本发明提供的上述谐波减速器特殊钢材质柔轮的循环热处理方法，由正火热处理、粗加工和调质处理三步组成，取消了等温退火操作。

下面我们分别对正火热处理、粗加工和调质处理这三步做详细的介绍。

1、正火热处理

将锻后柔轮毛坯送入加热炉中，调整正火感应加热温度为880℃±20℃，加热保温45min，连续进行两次正火热处理。

关于正火次数，我们分别对锻后柔轮毛坯进行了一次、两次、三次、四次、五次、六次、七次正火(880℃保温45min)处理，正火后的原奥氏体晶粒形貌光学显微镜照片分别为图1(b)至图1(h)所示，正火次数以及正火后的原奥氏体晶粒尺寸如表1所示，原奥氏体平均晶粒尺寸和正火次数的关系如图2所示。

表1正火次数及其对应的正火后的原奥氏体晶粒尺寸

从上面这些结果可以看出：与锻造后的柔轮毛坯相比较，实施例1(正火一次)的奥氏体晶粒显著细化，晶粒尺寸从26.0μm迅速减小至13.1μm，晶粒尺寸平均标准偏差从0.59减小到0.50；实施例2(正火两次)的奥氏体晶粒尺寸进一步细化至10.3μm；实施例3至实施例7(正火三次至正火七次)的奥氏体晶粒尺寸和平均标准偏差基本稳定不变。

这表明：两次正火工艺对奥氏体晶粒的细化作用最显著，进一步增加正火次数细化作用不明显。

本发明对正火的工艺参数给出了控制要求，并且明确规定连续进行两次正火处理。正火可以改善锻件组织，为调质处理做准备。随着正火次数的增加，原奥氏体平均晶粒尺寸逐渐变小，但随着正火次数的增加，不但细化晶粒的效果逐渐减弱，而且还会造成能源的消耗。因此，本发明要求正火感应加热温度为880℃±20℃，加热保温时间为45min，连续进行两次正火热处理。

2、粗加工

对正火热处理后的柔轮毛坯进行粗加工，使其达到目标尺寸。

在本发明中，柔轮毛坯经正火热处理后，直接进行粗加工，取消了原有的等温退火工艺。根据原有的制造工艺可知，正火后要进行等温退火，然后再进行粗加工和调质处理，等温退火温度约为650℃。按照图3(a)至图3(c)所示的热处理方式对正火后的柔轮毛坯进行了热处理，采用不同的热处理方式得到的原奥氏体晶粒形貌光学显微镜照片分别如图4(a)至图4(c)所示，采用不同的热处理方式得到的原奥氏体晶粒尺寸如表2所示。

表2热处理方式及其对应的热处理后的原奥氏体晶粒尺寸

编号	平均晶粒尺寸/μm	晶粒度级别/级	平均标准偏差
				实施例8	9.5	10.0	0.51
实施例9	8.8	10.5	0.48
				实施例10	8.2	10.5	0.52

从上面这些结果可以看出：实施例8和实施例9的原奥氏体晶粒尺寸分别为9.5μm和8.8μm，实施例10的原奥氏体晶粒尺寸为8.2μm，略小于实施例8和实施例9。

这表明：取消等温处理对奥氏体晶粒尺寸的影响不大。

等温退火不仅对原奥氏体晶粒无细化作用，而且会造成能源的消耗，同时还会加大工作量、降低工作效率。因此，本发明取消了原有的等温退火工艺。

3、调质处理

将粗加工后的柔轮毛坯送入加热炉中，调整淬火感应加热温度为850℃±20℃，保温45min，然后油淬，之后调整回火感应加热温度为560℃±20℃，保温90min，根据柔轮晶粒度级别要求进行1～3次调质处理，调质处理完毕即可对柔轮毛坯进行半精加工。

关于调质处理次数，我们分别对粗加工后的柔轮毛坯进行了一次、两次、三次、四次、五次、六次、七次调质处理，进行不同次数调质处理后的原奥氏体晶粒形貌光学显微镜照片分别如图5(a)至图5(g)所示，调质处理次数、调质处理后的原奥氏体晶粒尺寸以及洛氏硬度值如表3所示，原奥氏体平均晶粒尺寸和调质处理次数的关系如图6所示。

表3调质处理次数及其对应的原奥氏体晶粒尺寸及洛氏硬度值

注：实施例11至实施例17均采用两次正火后的柔轮毛坯。

从上面这些结果可以看出：与正火后柔轮毛坯相比，实施例11的奥氏体晶粒略有细化，晶粒尺寸从16.4μm减小至15.1μm，三次调质处理后奥氏体晶粒尺寸减小3.4μm，细化0.5级，细化效果较明显，三次调质处理之后，随着调质处理次数的增加，细化晶粒的效果逐渐减弱。

本发明对调质处理的工艺参数给出了控制要求，并且根据柔轮晶粒度级别要求进行1～3次调质处理。调质处理直接决定了柔轮最终的使用状态，随着调质处理次数的增加，原奥氏体平均晶粒尺寸逐渐减小，但随着调质处理次数的增加，不但细化晶粒的效果逐渐减弱，而且还会造成能源的消耗。因此，本发明要求根据柔轮的晶粒度级别要求进行1～3次调质处理。

柔轮成品的原奥氏体晶粒形貌光学显微镜照片如图7所示。

由图7可知，柔轮成品的原奥氏体晶粒细小且均匀。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种谐波减速器特殊钢材质柔轮，其特征在于，采用中碳高强度调质钢制成，以质量百分比计，所述中碳高强度调质钢的化学成分为：0.38％～0.43％C、0.15％～0.40％Si、0.40％～0.85％Mn、0.80％～2.20％Cr、1.65％～2.20％Ni、0.20％～0.50％Mo、0.01％～0.07％V、Ti≤0.035％、Nb≤0.030％、P≤0.020％、S≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.权利要求1所述的谐波减速器特殊钢材质柔轮的循环热处理方法，其特征在于，由正火热处理、粗加工和调质处理三步组成，取消了等温退火操作，具体如下：

(1)正火热处理：将锻后柔轮毛坯送入加热炉中，调整正火感应加热温度为880℃±20℃，加热保温45min，连续进行两次正火热处理；

(2)粗加工：对正火热处理后的柔轮毛坯进行粗加工，使其达到目标尺寸；

(3)调质处理：将粗加工后的柔轮毛坯送入加热炉中，调整淬火感应加热温度为850℃±20℃，保温45min，然后油淬，之后调整回火感应加热温度为560℃±20℃，保温90min，根据柔轮晶粒度级别要求进行1～3次调质处理，调质处理完毕即可对柔轮毛坯进行半精加工。