CN109877550A - 一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮的制备方法，包括以下步骤：熔化铁水‑浇注冷凝‑拉拔型材‑型材性能检测‑退火处理‑锯切和车削‑时效处理‑滚齿或插齿‑高频感应等温淬火‑粗磨和精磨至预设装配尺寸。得到的圆柱齿轮齿部石墨球直径≤20μm、球密度≥300个/mm²和球化率100％，而根部石墨球直径≤30μm、球密度≥200个/mm²和球化率100％。本发明制备的圆柱齿轮面接触疲劳和齿根弯曲疲劳强度得以提高，而基体其它部位硬度增高，耐磨损，有效防止了齿面间滑动摩擦将引致的粘着磨损，使用寿命延长，弥散分布的超细密石墨球也使得该齿轮具有了显著的吸音减震效。

Description

一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮及制备方法

技术领域

本发明属于齿轮加工技术领域，具体涉及一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮，还涉及一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮的制备方法。

背景技术

中小模数圆柱齿轮是机械传动中最重要的一类基础零件，量大面广。现有的圆柱齿轮在运转过程中，因齿面滑动摩擦力的方向在节点处要发生翻转，导致齿轮节点上发生力的脉动，形成脉动冲击；另一方面，每个受力轮齿周期性的弹性变形使下一个受力轮齿不能得到设计齿廓的平滑接触而发生碰撞，形成了“啮合冲击力”，激发起齿轮的周向、径向和轴向震动，从而产生噪声。且加工和装配中不可避免存在着的齿距、齿形与系统等误差，使震动和噪声进一步加大。

此外，齿轮啮合运转时，除了节圆处是纯滚动摩擦之外，齿面上的其它部位均有滑动摩擦。而在滑动摩擦下，润滑油膜容易破断，造成瞬间干摩擦，进而引致粘着磨损，缩短使用寿命。在齿轮转速成倍增高的工况下，瞬间干摩擦的几率增加，粘着磨损的危险随之增大。

普通碳钢、低合金结构钢、低碳合金渗碳钢等钢种没有自润滑与吸音减震功能，难以适应润滑不佳的实际工况与低噪音环境要求。而采用等温淬火球墨铸铁(ADI)的齿轮，利用材料中的石墨来提供自润滑性能和吸音减震。但是在现有生产技术水平下，ADI中的石墨球体积较大，直径一般在50-100μm，球数少于200个/mm²，且球化率难以接近100％，粗大的石墨球和扁平状的石墨块对材料基体的连续性能有较大损伤，降低了齿轮的力学性能尤其是齿面接触疲劳和齿根弯曲疲劳强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮，解决了现有圆柱齿轮自润滑性能差、震动和噪声震动大、磨损严重的问题。

本发明的另一个目的是提供一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮，包括以下步骤：

步骤1，将预设成分物料在中频感应炉中熔化成铁水，预设成分物料按照质量百分比由以下组分组成：C：3.50±0.05％、Si：1.40±0.05％、Mn：≤0.3％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.3-0.5％、Cu：0.5-1.0％、Ni：0.5-1.0％，其它合金元素：≤0.3％，余量为Fe，以上各组分的质量百分比总和为100％，其中，碳含量为99.95-100％的理论碳当量；

步骤2，向步骤1的铁水中加入孕育剂和球化剂，以使铁水经孕育和球化处理后的终硅量为2.55±0.05％，残镁含量为0.04±0.005％；

步骤3，将经步骤2处理后的铁水浇注入预热后的水平连铸炉的炉膛，且流入偏心式结晶器中进行冷凝成棒材，此时启动拉拔机通过引晶杆对已冷凝成棒材的型材进行步进式提拉；间隔预设周期向所述炉膛加注经步骤2处理后的铁水，使炉膛内铁水液面高度始终高于所述偏心式结晶器不少于0.6米；观察从偏心式结晶器拉拔出的一个步距的型材的颜色均匀性；

若型材的颜色为均匀橘红色，则继续进行拉拔工艺；反之，向水平连铸炉中添加孕育剂或增碳剂，调节经步骤2处理后的铁水至共晶成分，直到颜色变为均匀橘红色；

步骤4，对经步骤3拉拔工艺处理后的型材进行金相检测和电镜扫描检测；

金相检测和电镜扫描检测的合格标准是：距型材表层12mm内的石墨球直径≤20μm，石墨球密度≥300个/mm²，球化率100％；距表面12-20mm内的石墨球直径≤30μm，石墨球密度≥200个/mm²；

步骤5，对经步骤4检测合格后的型材进行退火处理；

步骤6，对经步骤5处理后的型材进行锯切和车削，以加工成圆柱形坯材或圆环形坯材；

步骤7，对步骤6得到的所述圆柱形坯材或圆环形坯材在300-400℃下时效处理120min，取出空冷后进行滚齿或插齿，以加工成齿轮坯，且预留磨量为0.2-0.3mm；

步骤8，对步骤7得到的齿轮坯的齿部和根部进行高频感应等温淬火处理；随后进行粗磨和精磨至预设装配尺寸，得到低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮。

本发明的特征还在于，

步骤8中高频感应等温淬火处理具体为：

步骤8.1，通过高频感应炉的螺旋感应线圈将齿轮坯的齿部和根部加热至900±10℃，并根据预设模数大小保温30-40min后取出；

步骤8.2，将经步骤8.1处理后的齿轮坯浸入温度为260±10℃的硝盐槽中进行淬火，并保温40-60min后取出；

步骤8.3，将经步骤8.2处理后的齿轮坯空冷，并去除盐渍。

步骤8.1中保温操作具体为：采用石英玻璃管罩住齿轮坯，并向石英玻璃管内部通入惰性气体进行保温。

步骤2中的孕育剂具体为75^#硅铁、或含锶硅铁、或含钡硅铁、或含锆硅铁或硅钡合金中任意一种；

球化剂具体为稀土镁、或钇重稀土、或纯镁或镁合金中任意一种。

步骤3水平连铸炉的炉膛的预热操作为：用燃油喷火器或氧-乙炔火焰，向炉膛喷火，持续至少1h，使炉膛内壁的颜色呈现红黄色且温度不小于700℃；临浇注铁水前，停止喷火。

本发明的另一个技术方案，一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮，采用以上低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮的制备方法制得。

本发明的特征还在于，

低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮采用超细密的等温淬火球墨铸铁。

低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮齿部石墨球直径≤20μm、球密度≥300个/mm²和球化率100％，而根部石墨球直径≤30μm、球密度≥200个/mm²和球化率100％。

低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮模数M≤5，齿面淬火硬度为HRC50-54。

低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮齿面上附着有裸露的石墨，其石墨坑的平均深度为10μm，石墨坑面积占齿面总面积的10-16％。

本发明有益效果是：

(1)本发明圆柱齿轮的制备方法，通过采用偏心式结晶器(其中，螺旋水冷套的底部厚度比顶部厚度大5-7mm)，克服了地心引力对水平安装的传统结晶器内铁水凝固过程的非均匀化影响，避免了顶部冷却慢而底部冷却快的情况发生，为铁水液柱提供了周向均匀而强烈的冷却，保证了水平连铸棒材横截面同心圆上的化学成分和铸态组织均匀一致，最终保证了圆柱齿轮的所有齿的力学性能均匀一致；

(2)本发明圆柱齿轮的制备方法，通过观察刚拉拔出一个步距的型材的颜色是否为均匀的橘红色，及时将铁水的成分调控至共晶成分的微小范围内，可以避免在棒材20mm表层内出现初生石墨，以获得100％球化的共晶石墨，避免出现大块的初生石墨造成力学性能损伤的情况发生；

(3)本发明圆柱齿轮的制备方法，通过高频感应等温淬火的方法，使得齿轮的齿部和根部完全奥氏体化后的保温时间大大缩短，保证了齿部和根部含有大量细小石墨球，从而具有自润滑和吸音减震性能；对用本发明拉制的球铁型材而言，表层组织内的石墨球特别细小，在奥氏体化温度下保温时间过长，会完全溶解，而本发明的等温淬火方法保证了齿轮齿部和根部的组织与性能；

(4)本发明圆柱齿轮的制备方法，通过对水平连铸球铁型材进行退火、车削、去应力时效、齿形加工、齿部及根部高频感应等温淬火、粗磨和精磨加工，制备出低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮，制备出的中小模数圆柱齿轮具有自润滑性，工作低噪音，且使用寿命长。

附图说明

图1是本发明制备方法得到的低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮的结构示意图；

图2为本发明实施例制备方法中偏心式结晶器的结构示意图；

图3为本发明实施例制备方法中在共晶成分下合格水平连铸型材的颜色示意图；

图4为本发明实施例制备方法中在非共晶成分下不合格水平连铸型材的颜色示意图；

图5为本发明实施例制备方法中型材电镜扫描检测的SEM图；

图6为本发明实施例制备方法中的型材金相检测的石墨形态图；

图7为本发明实施例制备方法中的退火工艺曲线图；

图8为本发明实施例制备方法中的时效处理工艺曲线图；

图9为本发明实施例制备方法中的高频感应等温淬火装置的结构示意图。

图中，1.低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮，2.轮齿，

30.偏心式结晶器，31.石墨套，32.螺旋水冷套，321.螺旋水冷套顶部，322.螺旋水冷套底部，33.进水口，34.出水口，

40.高频感应等温淬火装置，41.螺旋感应线圈，42.石英玻璃管，43.石英玻璃盖板，44.导柱托架，45.进气嘴，46.液压缸，47.液压托架，48.硝盐槽，49.高频发生器，

50.高频变压器，51.齿轮坯的齿部，52.齿轮坯的心部，53.陶瓷纤维毡垫。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮1主要用于机械设备之间的传动，是一种具有钢制齿轮的传动比稳定、工作可靠和效率高等特点外，还具有低噪音、自润滑性且寿命较长的零部件。低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮1外分布有若干个轮齿2，模数M≤5。轮齿2齿形包括直齿、斜齿、弧形齿和人字形齿等。低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮1具有自润滑性，在工作中无需加注润滑剂，且材料内部弥散分布的细密石墨球，在工作中能够吸收振动能量和噪音，且提高了使用寿命，并保证了设备运转的安全。

低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮1由超细密的等温淬火球墨铸铁材料(Austempered Ductile Iron，简称ADI)制备而成，依靠齿表面裸露的石墨作为固体润滑剂即能发挥润滑性高、耐磨性强和抗疲劳等诸多优良性能，石墨直到325℃才开始氧化，使用温度较高，该低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮1可在230℃以下温度服役。

低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮1的齿部和根部的微观组织中的石墨100％为共晶石墨，石墨球直径≤30μm，球化率达到100％，再加上较高的硅含量使其针状铁素体的硬度提高到HB300以上，比传统铁素体的硬度(HB80-120)提高了至少2倍，其强韧性达到较佳配合。而细密圆整的石墨球又以齿轮服役时应力应变充分分散及热力耦合效应的途径，提高了齿轮的疲劳强度和疲劳寿命，在自润滑效果的保障下，力学性能接近或达到普通淬火钢的水平。本发明制备方法得到的低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮1有如下优点：

(1)自润滑性能：齿面上裸露的石墨被配副摩擦的齿面刮蹭下来，以片层状蔓布在整个齿面上，成为固体润滑剂，可稳定工作在230℃以下服役工况下，无需加注其它润滑剂；

(2)吸音减震性能：弥散分布在齿轮内的石墨球，吸收了振动能量和噪声，使得机器静音平稳运行。由于材料内的吸音减震效果和石墨与基体金属的交界面积成正比，超细密ADI具有接近于灰铁的交界面积，故其吸音减震效果显著；

(3)耐磨损：齿面淬火硬度为HRC50-54，啮合受力后在表面几微米内发生应力诱发硬化效应，硬度增高到HRC58以上，压应力增高，提高了抗磨损能力；由于有自润滑性能，避免了干摩擦，故不会发生粘着磨损。

(4)齿面浅表层和齿根部服役时发生反复的微量弹性变形，在石墨球周围产生应变时效和热时效的热力耦合效应和“力致退火”，使得石墨球外围一层基体组织硬度降低，疲劳裂纹萌生的几率下降，同时对不断涌来的增殖位错有自动消弭机制，使其不能累积饱和，这些部位上的弯曲疲劳和接触疲劳强度得到增强；

(5)表面织构形态降低了摩擦系数：裸露在齿面上的石墨一方面成为了优良的固体润滑剂，另一方面，其石墨坑的平均深度为10μm，石墨坑面积占到齿面总面积的10-16％，这两个指标正好是以表面织构形态降低摩擦系数的最佳指标；

(6)切削加工性能改善：机械切削时，细小弥散分布的石墨球，使得刀刃前部材料的挤压剪切带变窄，切削阻抗力变小，加工残余应力低，零件尺寸稳定性高。

基于以上可知，此材料以超细密的球墨铸铁作为坯材，经高频感应等温淬火制成，与传统的等温淬火球墨铸铁相比，其力学性能接近或达到普通淬火钢的水平，同时又具有了自润滑和吸音减震等功能，可以用于不易润滑、要求低噪音的减速器等机械传动装置中。

实施例

根据所要生产的超细密ADI的力学性能，选择QT500-10牌号，且拉制外径100mm的棒材，并加工成中小模数圆柱齿轮。

本发明一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮的制备方法，包括如下步骤：

将铸造物料(60％Q14#面包铁、20％低碳钢下脚料、20％球铁回炉料)在中频感应炉中熔化成铁水，并调整成如下组分的质量百分比：C：3.50±0.05％、Si：1.40±0.05％、Mn：≤0.3％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.3-0.5％、Cu：0.5-1.0％、Ni：0.5-1.0％，其它合金元素：≤0.3％，余量为Fe，以上各组分的质量百分比总和为100％，其中，碳含量为99.95％-100％的理论碳当量。

对于不同规格的水平连铸型材，其碳硅当量的变化范围不超过0.1％，即共晶成分±0.05％(Component of Eutectic，简称CE)。

待熔化后的铁水达到1530℃后，静置20min，然后倒入吊包600kg，吊包底坑内预先放进9kg稀土镁球化剂(占铁水重量1.5％)，并用球铁铁屑覆盖；待球化反应完成后，向铁水中加入75^#硅铁孕育剂6kg(占铁水重量1.0％)，以使铁水经孕育和球化处理后的终硅量为2.55％±0.05％，残镁含量为0.04％±0.005％。经孕育和球化处理后，吊包内铁水的温度约为1460℃。

孕育剂可促进石墨球化，减少白口倾向，改善石墨形态和分布状况，增加共晶团数量，细化基体组织，一般孕育5-8min。球化剂用于将铁水中的石墨结晶成为球状。孕育剂具体为75^#硅铁、或含锶硅铁、或含钡硅铁、或含锆硅铁或硅钡合金中任意一种：球化剂具体为稀土镁、或钇重稀土、或纯镁或镁合金中任意一种。

在熔化铁水的同时，对水平连铸炉的炉膛进行预热。预热的方法是用燃油喷火器或氧-乙炔火焰，向炉膛喷火，持续一小时以上，使炉膛内壁的颜色呈现红黄色，为700℃以上；临浇注铁水前，停止喷火。

采用水平连铸法生产能够实现多流拉制，生产效率较高。

将经孕育和球化处理后的铁水倒进水平连铸炉炉膛，此时进入炉膛的铁水温度平均为1300℃，如图2所示，铁水随后进入偏心式结晶器30中。

铁水在普通结晶器中冷凝出棒材后会有体积收缩，受地心引力的影响，收缩后在棒材顶部与石墨传热套之间形成气隙，增大了传热的热阻，使得这个部位的冷凝速度低于其它部位。因而，水平连铸棒材横断面上有成分偏析—因棒材底部与石墨套31之间没有气隙而冷速较快，高熔点微量元素含量多，淬硬性高，而棒材横截面上部的“液芯”中没有高熔点微量元素，淬硬性低，导致其同心圆上的力学性能不均匀，淬火后硬度偏差高达HRC5以上。用水平连铸方法拉制棒材时需要克服“液芯偏心”的缺陷。

具体办法，一是采用偏心式结晶器30，将螺旋水冷套32制作成偏心的，使螺旋水冷套底部322的钢材(或铜材)厚度比螺旋水冷套顶部321厚度厚5-7mm，使得底部冷速慢而顶部冷速快，以此抵消地心引力引致气隙进而导致结晶速度底部快顶部慢的影响；二是提高水平连铸炉中铁水液面对偏心式结晶器30的压头高度(最低保持在0.6米以上)，利用铁水压力充填满偏心式结晶器30，消除因液—固相变体积收缩在棒材顶部与偏心式结晶器30的石墨套31之间形成的气隙，造成冷凝速度底部快顶部慢，形成成分偏析。其中，进水口33和出水口34均位于螺旋水冷套顶部321一侧。

偏心式结晶器30的石墨套31的出口处预先插有引晶杆，引晶杆的另一端与拉拔机构相连。进入偏心式结晶器30约10-15秒后，铁水已与引晶杆凝成一体，并在石墨套31中冷凝出棒坯。然后启动拉拔机进行步进式提拉，从拉拔辊拉出水平连铸型材。由拉拔机的上下拉拔辊夹持着型材拉拔，拉至一定长度后作在线定长截断。当拉拔出2-3米后，炉温趋于均匀，偏心式结晶器30热场正常。当水平连铸型材被步进式拉拔出偏心式结晶器30时，铁水液面下降，当下降到距偏心式结晶器30内铁水位置相差600mm之前，就向炉膛内续注铁水，使铁水压头始终较高，以保证铁水充满偏心式结晶器30。在拉拔过程中，间隔预设周期，向水平连铸炉的炉膛加注铁水。具体地，每隔10min左右重复一次由中频感应炉到吊包再到水平连铸炉的铁水孕育、球化和浇注过程，以补充型材被拉拔出偏心式结晶器30后炉内铁水的体积减少和液面降低，维持拉拔连续进行。

以每步距40-60mm，每拉一步停顿2-3秒以上的速度拉拔。当拉拔出2-3米型材后，对从偏心式结晶器30拉拔出的一个步距的型材的颜色均匀性进行观察，可以用肉眼直接观察，也可采用光电仪器辅助观察。

如图3所示，若拉拔出的一个步距的型材颜色为均匀的橘红色，铁水即为共晶成分，则继续进行拉拔工艺；反之，如图4所示，若拉拔出的一个步距的型材颜色呈明暗不均匀分布，铁水成分即偏离共晶成分，处于亚共晶成分区，需向水平连铸炉中添加孕育剂或增碳剂，调节铁水至共晶成分，直到颜色变为均匀橘红色即可。

若中频感应炉中的铁水静置时间过长，铁水会发生脱碳情况，还需向中频感应炉中加入增碳剂。增碳剂可以采用石墨、焦炭、木质碳等。实际生产中，把铁水成分预设为共晶或稍微偏向亚共晶成分区，故当型材颜色出现明暗不均匀分布现象时，可判定为有初生奥氏体相产生，铁水成分处在亚共晶区，一般需少量添加1-2次孕育剂或增碳剂即可。

制备低合金超细密ADI需要拉制低合金球墨铸铁水平连铸型材，在铁水中加入相关合金元素。在快速冷却所造成的严重非平衡凝固条件下，这将提高铁水共晶成分对碳当量的敏感性，也就是说，多元合金系统中伪共晶区形态扭曲变异，使得实际共晶成分的确定变得困难。在水平连铸过程中需要通过观察刚拉出偏心式结晶器30的型材的颜色来快速判断铁水成分的合适与否，并作相机调整，得到全共晶石墨球的型材。

待拉拔工艺结束后，对所得到的型材进行金相检测和SEM检测。

金相检测和电镜扫描检测的合格标准是：型材表层20mm(即齿根)内的石墨球径≤30μm，球密度≥200个/mm²；型材表层12mm(即齿部)内的石墨球径≤20μm，球密度≥300个/mm²，球化率为100％。

如图5和图6所示，可以看出石墨球形态大小均匀且一致，球化率近100％。若各项指标均不符合检测标准，则需重新进行制备该材料。

对拉拔工艺结束后得到的型材可预先进行金相检测，作为扫描电镜检测之前的一个预判检测。通过金相检测可以粗测型材是否达到100％共晶石墨，且不得有初生石墨，球化率接近或达到100％。由于金相检测结果强烈依赖于测试人员技术水平的高低，故金相检测一般作为扫描检测的前序检测手段，若检测结果离100％球化率差距甚远，无需进行相对资金耗费更贵的扫描检测，而若检测结果离100％球化率差距较小，则可进一步进行扫描检测，以便作出更精确的判断。

待扫描检测合格后，对拉拔工艺结束后得到的型材进行退火处理，通过退火处理消除铸造应力。退火处理的工艺曲线如图7所示。

退火处理后，对型材进行锯切和车削，使之成为圆柱形坯材或圆环形坯材。对此坯材进行时效处理去除加工应力，即在300-400℃下，保温120min，并在出炉后空冷至室温，工艺曲线如图8所示。

对时效处理后的圆柱形坯材或圆环形坯材进行滚齿或插齿，以加工成齿轮坯，且预留0.2-0.3mm的磨量。

对齿轮坯的齿部51和根部进行高频等温淬火处理。为了保证齿轮的齿部获得最佳的ADI组织性能，如图9所示，要在高频感应等温淬火装置40中进行奥氏体化加热和保温，而不沿用传统的整体式加热保温方法。由于水平连铸球铁型材表层中的石墨球很小，曲率半径小，高温下向周围组织溶解的速度快，如果沿用传统的整体式加热保温方法，将使齿轮坯的齿部51的奥氏体化保温时间太长，石墨球完全溶解，失去了自润滑和吸音减震的功能。

高频感应炉包括高频发生器49、高频变压器50和螺旋感应线圈41。在螺旋感应线圈41内，插进并固定一个石英玻璃管42，作为加热保温和防止齿面氧化的装置。预先将要淬火的齿轮坯套在导柱托架44上，从上向下吊进石英玻璃管42中，放在螺旋感应线圈41下方的液压托架47上，并盖上石英玻璃盖板43。石英玻璃盖板43上留有小孔，可以向外逸散热气。通过进气嘴45向石英玻璃管42内通入惰性气体，可以是氮气或氩气，保护齿轮坯，防止齿轮坯表层发生氧化脱碳。启动高频发生器49，并由高频变压器50控制电压和频率，从而控制螺旋感应线圈41，使得齿轮坯的齿部51快速升温，几秒钟内即可达到900℃左右，此时调低功率，让齿轮坯的齿部51温度在900±10℃下持续保温。在此过程中，齿轮坯的齿根部位的温度也逐渐升高到850℃左右，齿轮坯的心部52温度也逐渐升高，但不会超过共析转变温度，齿轮坯的心部52只经受了一次600℃以下的回火过程，消除了加工应力。缓慢降低电源功率，使齿部温度维持在900℃左右。根据齿轮模数大小，持续30-40min之后，关闭电源。液压缸46快速下降，将导柱托架44和齿轮坯浸入下方的硝盐槽48中。把导柱托架44和齿轮坯在硝盐槽48中移走，液压缸46再次升起，开始下一轮操作。齿轮坯在温度范围为260±10℃的硝盐槽48中淬火40-60min后，出槽空冷，并清除盐渍。

石英玻璃管42与导柱托架44之间还设置有陶瓷纤维毡垫53，能够起到防止空气进入石英玻璃管42内部的作用。

经过高频等温淬火处理后的齿部和齿根在服役受力后的弹性变形中，石墨球所在基体的薄层区域内发生“力致退火”，硬度降低，萌生疲劳裂纹的几率下降，齿面接触疲劳和齿根弯曲疲劳强度得以提高，而基体其它部位硬度增高，耐磨损，再加上裸露在齿面上的石墨球所提供的自润滑作用，有效防止了齿面间滑动摩擦将引致的粘着磨损，使用寿命延长。此外，弥散分布的超细密石墨球也使得该齿轮具有了显著的吸音减震效果。

对高频等温淬火处理后的齿轮坯进行粗磨和精磨至预设装配尺寸，以得到低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮1。

Claims (10)

1.一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将预设成分物料在中频感应炉中熔化成铁水，所述预设成分物料按照质量百分比由以下组分组成：C：3.50±0.05％、Si：1.40±0.05％、Mn：≤0.3％、P：≤0.015％、S：≤0.015％、Cr：0.3-0.5％、Cu：0.5-1.0％、Ni：0.5-1.0％，其它合金元素：≤0.3％，余量为Fe，以上各组分的质量百分比总和为100％，其中，碳含量为99.95-100％的理论碳当量；

步骤2，向步骤1的铁水中加入孕育剂和球化剂，以使铁水经孕育和球化处理后的终硅量为2.55±0.05％，残镁含量为0.04±0.005％；

步骤3，将经步骤2处理后的铁水浇注入预热后的水平连铸炉的炉膛，且流入偏心式结晶器中进行冷凝成棒材，此时启动拉拔机通过引晶杆对已冷凝成棒材的型材进行步进式提拉；间隔预设周期向所述炉膛加注经步骤2处理后的铁水，使所述炉膛内铁水液面高度始终高于所述偏心式结晶器不少于0.6米；观察从所述偏心式结晶器拉拔出的一个步距的型材的颜色均匀性；

若所述型材的颜色为均匀橘红色，则继续进行拉拔工艺；反之，向水平连铸炉中添加孕育剂或增碳剂，调节经步骤2处理后的铁水至共晶成分，直到颜色变为均匀橘红色；

步骤4，对经步骤3拉拔工艺处理后的型材进行金相检测和电镜扫描检测；

所述金相检测和电镜扫描检测的合格标准是：距型材表层12mm内的石墨球直径≤20μm，石墨球密度≥300个/mm²，球化率100％；距表面12-20mm内的石墨球直径≤30μm，石墨球密度≥200个/mm²；

步骤5，对经步骤4检测合格后的型材进行退火处理；

步骤6，对经步骤5处理后的型材进行锯切和车削，以加工成圆柱形坯材或圆环形坯材；

步骤7，对步骤6得到的所述圆柱形坯材或圆环形坯材在300-400℃下时效处理120min，取出空冷后进行滚齿或插齿，以加工成齿轮坯，且预留磨量为0.2-0.3mm；

步骤8，对步骤7得到的所述齿轮坯的齿部和根部进行高频感应等温淬火处理；随后进行粗磨和精磨至预设装配尺寸，得到低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮。

2.根据权利要求1所述的一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮的制备方法，其特征在于，所述步骤8中高频感应等温淬火处理具体为：

步骤8.1，通过高频感应炉的螺旋感应线圈将所述齿轮坯的齿部和根部加热至900±10℃，并根据预设模数大小保温30-40min后取出；

步骤8.2，将经步骤8.1处理后的齿轮坯浸入温度为260±10℃的硝盐槽中进行淬火，并保温40-60min后取出；

步骤8.3，将经步骤8.2处理后的齿轮坯空冷，并去除盐渍。

3.根据权利要求2所述的一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮的制备方法，其特征在于，所述步骤8.1中保温操作具体为：采用石英玻璃管罩住所述齿轮坯，并向所述石英玻璃管内部通入惰性气体进行保温。

4.根据权利要求1所述的一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的孕育剂具体为75^#硅铁、或含锶硅铁、或含钡硅铁、或含锆硅铁或硅钡合金中任意一种；

所述球化剂具体为稀土镁、或钇重稀土、或纯镁或镁合金中任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮的制备方法，其特征在于，所述步骤3水平连铸炉的炉膛的预热操作为：用燃油喷火器或氧-乙炔火焰，向炉膛喷火，持续至少1h，使炉膛内壁的颜色呈现红黄色且温度不小于700℃；临浇注铁水前，停止喷火。

6.一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮，其特征在于，采用如权利要求1-5中任一项所述的低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮的制备方法制得。

7.根据权利要求6所述的一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮，其特征在于，所述低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮采用超细密的等温淬火球墨铸铁。

8.根据权利要求6所述的一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮，其特征在于，所述低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮齿部石墨球直径≤20μm、球密度≥300个/mm²和球化率100％，而根部石墨球直径≤30μm、球密度≥200个/mm²和球化率100％。

9.根据权利要求6所述的一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮，其特征在于，所述低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮模数M≤5，齿面淬火硬度为HRC50-54。

10.根据权利要求6所述的一种低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮，其特征在于，所述低噪音自润滑的中小模数圆柱齿轮齿面上附着有裸露的石墨，其石墨坑的平均深度为10μm，石墨坑面积占齿面总面积的10-16％。