CN109321739A - 一种大渗层重载齿轮的热处理加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大渗层重载齿轮的热处理加工工艺，包括铸锭锻造、预先热处理、精加工、后续热处理，其中预先热处理包括正火工艺和二次回火工艺，后续热处理包括渗碳前预处理、渗碳处理和渗碳后处理。渗碳后处理为将齿轮回火加热至645～675℃保温6～9小时后空冷，然后加热至775～850℃保温180～300分钟后油冷，再在‑80～‑70℃冷处理2～3小时，齿轮温度恢复至室温后再加热至160～250℃回火出炉空冷至室温。采用本发明方法降低大渗层重载齿轮渗碳淬火残余应力，减少齿轮淬火开裂，大幅提高重载齿轮渗碳淬火的生产合格率。

Description

一种大渗层重载齿轮的热处理加工工艺
技术领域
本发明涉及一种齿轮的热处理加工工艺，特别是一种大渗层重载齿轮的热处理加工工艺。
背景技术
煤机重载齿轮最为广泛使用是高淬透性渗碳钢CrNiW，由于CrNiW系钢具有较高的淬透性，良好的耐磨性以及很高的接触疲劳和抗弯曲疲劳性能，长期以来，一直被运用在煤矿机械重载齿轮及其它大型机械主要承载件上。采煤机大模数、少齿数齿轮，其特点是：齿数少(一般7～13齿)、模数大(m＝39.79～56.02)。齿轮通过渗碳淬火技术进行硬化，有效硬化层为2.50～5.50mm，而硬化层3.00～4.50mm占90％以上。采煤机井下工作环境恶劣，而采煤机关键零件之一行走轮是行走部在工作时最为恶劣，一方面要受“冲击载荷”的作用；另一方面，由于行走轮处于无润滑干摩擦状态，且行走轮轮齿与销排之间有煤粒、粉尘等污染物形成“磨粒磨损”。“冲击载荷”易造行走轮齿尖断裂；“磨粒磨损”易造行走轮轮齿表层剥落、磨损及脱落。现有技术采用电渣重熔技术提高了齿轮材料的冶金质量，并适当控制齿轮原材料碳含量，通过热处理工艺技术手段，降低心部硬度(32～38HRC)，增加齿面硬度(58～62HRC)，在保证齿轮的接触疲劳和弯曲疲劳强度前提下，增加了齿轮的强韧性指标，基本消除了以前频繁断齿的现象，且齿面耐磨性能也有所改善，但耐磨程度依然不能满足市场需求。
为解决上述难题，借鉴瑞士或德国标准，大模数齿轮渗碳淬火齿轮有效硬化层深度在(0.1～0.2)模数范围，结合采煤机设计要求和工矿条件，考虑通过适当增加渗碳淬火齿轮有效硬化层深度(5.0mm以上)，以延长耐磨时间，最终提高行走轮的使用寿命。但是大模数齿轮5.0～5.50mm深层渗碳淬火工艺生产的齿轮废品率居高不下，齿轮不合格的原因主要是开裂报废，具体表现为：齿部轮廓(硬化层)边缘脱裂(剥离裂纹)、齿部端面(硬化层)弧形开裂(表面剥落)导致齿轮报废。由于渗碳层的增加，不仅碳势控制难度加大，而且金相组织难以得到理想，晶粒容易长大，5.0以上有效硬化层比3.0以下有效硬化层深层渗碳齿轮在淬硬过程中组织相变应力更大，由于齿轮的特殊性，淬火及冷处理后齿部更加容易应力集中，当应力接近或超过材料的断裂强度时，如应力消除不及时不彻底，最终齿轮开裂现象明显增多。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种大渗层重载齿轮的热处理加工工艺，降低大渗层重载齿轮渗碳淬火残余应力，减少齿轮淬火开裂，大幅提高重载齿轮渗碳淬火的生产合格率。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是这样的：一种大渗层重载齿轮的热处理加工工艺，包括以下步骤：
步骤一、将原材料按如下质量百分比组分配料C：0.10～0.19％、Cr：1.15～1.55％、Si：0.25～0.45％、Mn：0.35～0.70％、W：0.82～1.05％、Ni：3.85～4.20％、P：0～0.020％、S：0～0.018％，其余为Fe，对入炉原辅材料的浇注系统进行充分干燥、清洁，将选择的原材料进行真空脱气精炼；
步骤二、将钢锭锻造成齿轮坯料，锻造比≥3；
步骤三、对齿轮坯料进行机械粗加工后进行预先热处理工艺，所述预先热处理工艺包括正火工艺和二次回火工艺，所述正火工艺为将齿轮坯料加热至945～970℃保温5～10小时后风冷，所述二次回火工艺为将齿轮坯料加热660～690℃保温5.0～8.5小时进行第一次回火，然后炉冷至350℃以下再加热至低于第一次回火的温度进行第二次回火；
步骤四、将预先热处理后的齿轮坯料加工至技术要求尺寸；
步骤五、对步骤四获得的齿轮进行后续热处理，所述后续热处理包括渗碳前预处理、渗碳处理和渗碳后处理，所述渗碳前预处理是将齿轮加热至400～480℃保温0.8～1.2小时，所述渗碳处理为将齿轮在915～945℃下渗碳保温175～232小时，然后随炉冷却至850～900℃后出炉空冷，所述渗碳后处理为将齿轮回火加热至645～675℃保温6～9小时后空冷，然后加热至775～850℃保温180～300分钟后油冷，再在-80～-70℃冷处理2～3小时，齿轮温度恢复至室温后再加热至160～250℃回火出炉空冷至室温。
优选的，所述步骤三中，所述低于第一次回火的温度进行第二次回火是加热至630～650℃保温4.5～7.0小时。
优选的，所述步骤五中，所述在-80～-70℃冷处理2～3小时前先将齿轮预回火加热至90～135℃保温60～100min后空冷至室温。
优选的，所述步骤五中，所述油冷时油液温度为60～100℃。
优选的，所述步骤五中，所述在-80～-70℃冷处理2～3小时后采用浸泡热水使齿轮温度恢复至室温，所述热水温度为70～100℃。
优选的，包括步骤六，将所述步骤五处理后的齿轮进行强化喷丸处理。
齿轮的性能是由金相组织决定的，这取决于化学成分、冶炼方式及热处理工艺。本发明中根据各个元素的所起作用确定其质量百分比，其中：
C：钢中主要的强化元素，具有固溶强化或形成碳化物弥散强化。随着含碳量的增加，组织中碳化物的数量增多，尺寸加大，碳化物间距缩小。
Si：脱氧剂，固溶强化元素，有利提高基体强度，改善齿轮的耐磨性，硅易在钢中的产生带状组织，从而使钢材横向性能低于纵向性能，使脆性转变温度升高，韧性下降。
Cr：碳化物形成元素，能增加淬透性，有固溶强化作用。铬的增加能有效的增加碳化物的数量，有利于齿轮材料的耐磨性和硬度，及强度的提高。
Mn：脱氧剂，固定碳形成MnS，可以除去FeS形成热脆，增加淬透性，但锰含量过高会增加过热敏感性。
Ni：主要韧化元素，降低相变温度增加淬透性。镍加入量过多导致材料渗碳淬火后残余奥氏体增多，影响表面硬度和耐磨性。
W：强碳化物形成元素，细化晶粒，提高耐磨性及钢的深度和韧性。缺点是过多的钨使得渗碳淬火的表面存在大量的奥氏体，使热处理复杂。
S和P：有害元素硫和磷是原料中带入的不可避免的微量杂质。磷是表面活性杂质，在晶界及相界面偏析严重，在钢中多以磷化物的形式存在，在室温下钢的塑性、韧性急剧下降，使钢材产生冷脆。硫及硫化物的含量增加降低材料的各种韧性指标，钢的断裂韧性随着夹杂物数量或长度的增加而下降，形成热脆现象。
本发明通过预先热处理工艺的二次回火工艺并配合在齿轮进行粗、精铣加工后的渗碳前预处理使待渗碳齿轮零件微氧化,工件表面获得一层致密结构的氧化薄膜Fe3O4，在随后的渗碳初期被渗碳气氛还原，生成洁净的初生态的铁，呈现出很高的化学活性，产生大量能够吸附渗剂的活性位置。同时，工件表面微氧化，可适当提高齿轮表面粗糙度，形成微孔，人为增加表面缺陷，还可提供位错、空穴和各种表面缺陷，形成具很高的化学活性，使渗剂的被吸附几率和吸附量大大增加，从而加快活性碳原子渗入过程和表面碳浓度梯度的形成，从而加快齿轮表面吸附碳原子速度。这消除部分齿轮应铣加工产生的机械加工应力，同时降低渗碳零件高温入炉的温差而减少热应力，提高了渗碳速度。
另外，在冷处理前预回火具有两方面作用，一方面是适当的回火温度及保温时间可以使齿轮淬火后的内应力消除10～25％，从而进一步减少大深层齿轮渗碳淬火开裂。另一方面是使残余奥氏体部分稳定化，保留少量残余奥氏体可松驰应力，起缓冲作用，因残余奥氏体又软又韧，能部分吸收马氏体化急剧膨胀能量，缓和相变应力。
本发明所提供的技术方案的优点在于，在保证重载齿轮表面硬度达到HRC58～62，芯部硬度达到HRC33～44，抗拉强度保持在1150～1350Mpa，断后伸长率达到11.5～14％，冲击功达到80～98J等物理化学性能的同时，渗碳速度提高5～8％，齿轮热处理合格率提高到99％。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1
一种大渗层重载齿轮的热处理加工工艺，包括以下步骤：
步骤一、将原材料按如下质量百分比组分配料C：0.10％、Cr：1.15％、Si：0.25％、Mn：0.35％、W：0.85％、Ni：3.85％、P：0.020％、S：0.018％，其余为Fe，对入炉原辅材料的浇注系统进行充分干燥、清洁，将选择的原材料投入初炼炉冶炼后经过真空脱气精炼炉进行真空脱气处理，提高钢水纯净度，而后浇注钢锭；
步骤二、将钢锭锻造成齿轮坯料，锻造比≥3；
步骤三、对齿轮坯料进行机械粗加工后进行预先热处理工艺，预先热处理工艺包括正火工艺和二次回火工艺，正火工艺为将齿轮坯料加热至945℃保温10小时后风冷，二次回火工艺为将齿轮坯料加热660℃保温8.5小时进行第一次回火，然后炉冷至350℃以下再加热至650℃保温4.5小时空冷进行第二次回火；
步骤四、将预先热处理后的齿轮坯料由立式加工中心粗、精铣加工至技术要求尺寸；
步骤五、对步骤四获得的齿轮进行后续热处理，所述后续热处理包括渗碳前预处理、渗碳处理和渗碳后处理，渗碳前预处理是将齿轮加热至400℃保温1.2小时，渗碳处理为将齿轮在915℃下渗碳保温232小时，然后随炉冷却至870℃后出炉空冷，渗碳后处理为将齿轮回火加热至645℃保温9小时后空冷，然后加热至775℃保温300分钟后淬入60℃的油液油冷，将齿轮预回火加热至90℃保温100min后空冷至室温，再在-70℃冷处理3小时，浸泡于温度为70℃热水使齿轮温度恢复至室温再加热至160℃回火出炉空冷至室温；
步骤六：对齿轮进行强化喷丸处理得到齿轮成品。
本实施例得到的齿轮成品金相组织及力学性能见下表，热处理合格率99％。
实施例2
一种大渗层重载齿轮的热处理加工工艺，包括以下步骤：
步骤一、将原材料按如下质量百分比组分配料C：0.19％、Cr：1.37％、Si：0.33％、Mn：0.70％、W：0.82％、Ni：4.20％、P：0.018％、S：0.012％，其余为Fe，对入炉原辅材料的浇注系统进行充分干燥、清洁，将选择的原材料投入初炼炉冶炼后经过真空脱气精炼炉进行真空脱气处理，提高钢水纯净度，而后浇注钢锭；
步骤二、将钢锭锻造成齿轮坯料，锻造比≥3；
步骤三、对齿轮坯料进行机械粗加工后进行预先热处理工艺，预先热处理工艺包括正火工艺和二次回火工艺，正火工艺为将齿轮坯料加热至950℃保温7小时后风冷，二次回火工艺为将齿轮坯料加热670℃保温7.5小时进行第一次回火，然后炉冷至350℃以下再加热至640℃保温5.5小时空冷进行第二次回火；
步骤四、将预先热处理后的齿轮坯料由立式加工中心粗、精铣加工至技术要求尺寸；
步骤五、对步骤四获得的齿轮进行后续热处理，所述后续热处理包括渗碳前预处理、渗碳处理和渗碳后处理，渗碳前预处理是将齿轮加热至430℃保温1.1小时，渗碳处理为将齿轮在935℃下渗碳保温215小时，然后随炉冷却至850℃后出炉空冷，渗碳后处理为将齿轮回火加热至655℃保温8小时后空冷，然后加热至780℃保温240分钟后淬入70℃的油液油冷，将齿轮预回火加热至100℃保温80min后空冷至室温，再在-73℃冷处理2小时，浸泡于温度为80℃热水使齿轮温度恢复至室温再加热至200℃回火出炉空冷至室温；
步骤六：对齿轮进行强化喷丸处理得到齿轮成品。
本实施例得到的齿轮成品金相组织及力学性能见下表，热处理合格率99％。
实施例3
一种大渗层重载齿轮的热处理加工工艺，包括以下步骤：
步骤一、将原材料按如下质量百分比组分配料C：0.16％、Cr：1.41％、Si：0.29％、Mn：0.65％、W：1.05％、Ni：4.13％、P：0.012％、S：0.010％，其余为Fe，对入炉原辅材料的浇注系统进行充分干燥、清洁，将选择的原材料投入初炼炉冶炼后经过真空脱气精炼炉进行真空脱气处理，提高钢水纯净度，而后浇注钢锭；
步骤二、将钢锭锻造成齿轮坯料，锻造比≥3；
步骤三、对齿轮坯料进行机械粗加工后进行预先热处理工艺，预先热处理工艺包括正火工艺和二次回火工艺，正火工艺为将齿轮坯料加热至960℃保温7小时后风冷，二次回火工艺为将齿轮坯料加热680℃保温6小时进行第一次回火，然后炉冷至350℃以下再加热至645℃保温7小时空冷进行第二次回火；
步骤四、将预先热处理后的齿轮坯料由立式加工中心粗、精铣加工至技术要求尺寸；
步骤五、对步骤四获得的齿轮进行后续热处理，所述后续热处理包括渗碳前预处理、渗碳处理和渗碳后处理，渗碳前预处理是将齿轮加热至460℃保温1小时，渗碳处理为将齿轮在940℃下渗碳保温195小时，然后随炉冷却至890℃后出炉空冷，渗碳后处理为将齿轮回火加热至670℃保温6小时后空冷，然后加热至800℃保温200分钟后淬入90℃的油液油冷，将齿轮预回火加热至110℃保温60min后空冷至室温，再在-75℃冷处理3小时，浸泡于温度为90℃热水使齿轮温度恢复至室温再加热至210℃回火出炉空冷至室温；
步骤六：对齿轮进行强化喷丸处理得到齿轮成品。
本实施例得到的齿轮成品金相组织及力学性能见下表，热处理合格率99％。
实施例4
一种大渗层重载齿轮的热处理加工工艺，包括以下步骤：
步骤一、将原材料按如下质量百分比组分配料C：0.2％、Cr：1.55％、Si：0.45％、Mn：0.45％、W：0.96％、Ni：4.05％、P：0.018％、S：0.012％，其余为Fe，对入炉原辅材料的浇注系统进行充分干燥、清洁，将选择的原材料投入初炼炉冶炼后经过真空脱气精炼炉进行真空脱气处理，提高钢水纯净度，而后浇注钢锭；
步骤二、将钢锭锻造成齿轮坯料，锻造比≥3；
步骤三、对齿轮坯料进行机械粗加工后进行预先热处理工艺，预先热处理工艺包括正火工艺和二次回火工艺，正火工艺为将齿轮坯料加热至970℃保温5小时后风冷，二次回火工艺为将齿轮坯料加热690℃保温5小时进行第一次回火，然后炉冷至350℃以下再加热至630℃保温6小时空冷进行第二次回火；
步骤四、将预先热处理后的齿轮坯料由立式加工中心粗、精铣加工至技术要求尺寸；
步骤五、对步骤四获得的齿轮进行后续热处理，所述后续热处理包括渗碳前预处理、渗碳处理和渗碳后处理，渗碳前预处理是将齿轮加热至480℃保温0.8小时，渗碳处理为将齿轮在945℃下渗碳保温175小时，然后随炉冷却至900℃后出炉空冷，渗碳后处理为将齿轮回火加热至675℃保温7小时后空冷，然后加热至850℃保温180分钟后淬入100℃的油液油冷，将齿轮预回火加热至135℃保温80min后空冷至室温，再在-80℃冷处理2小时，浸泡于温度为100℃热水使齿轮温度恢复至室温再加热至250℃回火出炉空冷至室温；
步骤六：对齿轮进行强化喷丸处理得到齿轮成品。
本实施例得到的齿轮成品金相组织及力学性能见下表，热处理合格率99％。
对比例
步骤一：将原材料按如下质量百分比组分配料C：0.12％、Cr：1.35％、Si：0.20％、Mn：0.30％、W：0.85％、Ni：4.05％、P：0.015％、S：0.010％，其余为Fe，对入炉原辅材料的浇注系统进行充分干燥、清洁，将选择的原材料投入初炼炉冶炼后经过真空脱气精炼炉进行真空脱气处理，脱氧脱硫提高钢水纯净度，把通过真空脱气精炼的钢铸造或锻压成电渣熔铸所需要的自耗电极，而后采用电渣熔铸工艺进行熔炼，将自耗电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用，迅速凝固形成钢锭；
步骤二：采用液压机将钢锭锻造成齿轮坯料，锻造比＞3；
步骤三：对齿轮坯料进行机械粗加工后进行预先热处理，包括正火和回火处理。先进行正火处理，将齿轮坯料加热至930℃保温4小时后空冷，然后进行回火处理，将齿轮坯料加热至660℃保温4.5小时后空冷；
步骤四：对预先热处理后齿轮坯料进行机械加工，包括粗加工、精加工以及电火花加工；
步骤五：对机械加工后的齿轮坯料使用电火花线切割机进行线切割成型加工并留有一定余量，而后经过数控铣床进行精铣加工至技术要求尺寸；
步骤六：对精铣加工后的齿轮进行后续热处理，即将齿轮加热至910℃渗碳保温80小时，随炉冷却至850℃后出炉空冷，然后进行回火，将齿轮加热至650℃保温4小时后空冷，再进行淬火，将齿轮加热至765℃保温180分钟后淬火油冷至室温，并在4小时内经过-70±1℃冷处理2小时，冷处理后将齿轮放在热水中升温至室温，最后加热至200℃回火出炉空冷至室温；
步骤七：选用HRC42～48的CrMo铸钢钢丸对齿轮进行强化喷丸处理得到齿轮成品，强化喷丸时喷丸机工作电流设定为18A，喷丸时间9分钟，覆盖率≥100％。
本对比例得到的齿轮成品金相组织及力学性能见下表，热处理合格率85％。

Claims (6)

1.一种大渗层重载齿轮的热处理加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将原材料按如下质量百分比组分配料C：0.10～0.19％、Cr：1.15～1.55％、Si：0.25～0.45％、Mn：0.35～0.70％、W：0.82～1.05％、Ni：3.85～4.20％、P：0～0.020％、S：0～0.018％，其余为Fe，对入炉原辅材料的浇注系统进行充分干燥、清洁，将选择的原材料进行真空脱气精炼；
步骤二、将钢锭锻造成齿轮坯料，锻造比≥3；
步骤三、对齿轮坯料进行机械粗加工后进行预先热处理工艺，所述预先热处理工艺包括正火工艺和二次回火工艺，所述正火工艺为将齿轮坯料加热至945～970℃保温5～10小时后风冷，所述二次回火工艺为将齿轮坯料加热660～690℃保温5.0～8.5小时进行第一次回火，然后炉冷至350℃以下再加热至低于第一次回火的温度进行第二次回火；
步骤四、将预先热处理后的齿轮坯料加工至技术要求尺寸；
步骤五、对步骤四获得的齿轮进行后续热处理，所述后续热处理包括渗碳前预处理、渗碳处理和渗碳后处理，所述渗碳前预处理是将齿轮加热至400～480℃保温0.8～1.2小时，所述渗碳处理为将齿轮在915～945℃下渗碳保温175～232小时，然后随炉冷却至850～900℃后出炉空冷，所述渗碳后处理为将齿轮回火加热至645～675℃保温6～9小时后空冷，然后加热至775～850℃保温180～300分钟后油冷，再在-80～-70℃冷处理2～3小时，齿轮温度恢复至室温后再加热至160～250℃回火出炉空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的大渗层重载齿轮的热处理加工工艺，其特征在于，所述步骤三中，所述低于第一次回火的温度进行第二次回火是加热至630～650℃保温4.5～7.0小时。
3.根据权利要求1所述的大渗层重载齿轮的热处理加工工艺，其特征在于，所述步骤五中，所述在-80～-70℃冷处理2～3小时前先将齿轮预回火加热至90～135℃保温60～100min后空冷至室温。
4.根据权利要求1所述的大渗层重载齿轮的热处理加工工艺，其特征在于，所述步骤五中，所述油冷时油液温度为60～100℃。
5.根据权利要求1所述的大渗层重载齿轮的热处理加工工艺，其特征在于，所述步骤五中，所述在-80～-70℃冷处理2～3小时后采用浸泡热水使齿轮温度恢复至室温，所述热水温度为70～100℃。
6.根据权利要求1所述的大渗层重载齿轮的热处理加工工艺，其特征在于，包括步骤六，将所述步骤五处理后的齿轮进行强化喷丸处理。
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