CN110484858A - 一种消除齿轮钢混晶的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开齿轮钢消除混晶的方法，针对正火后的金相等级大于4级的齿轮产品，确定热加工工艺包括以下步骤：S1.预热、S2.升温、S3.渗碳、S4.扩散、S5.降温、S6.中冷、S7.高温回火、S8.加热淬火、S9.回火。本发明的公开的齿轮钢消除混晶的方法，通过调整和改变工艺，根据齿轮产品的自身特点，将渗碳+中冷+高温回火+二次加热淬火+回火结合，从根本上解决了因正火组织不合格导致热处理后带来的产品变形量难以控制，产品合格率低，生产和返工成本高的问题；摒弃了传统的正火后有混晶异常组织的坯料进行调质的方法；使热处理后的机加工的刀具磨损降低，有利于推广使用。

Description

一种消除齿轮钢混晶的方法
技术领域
本发明涉及齿轮热处理领域，更具体地，涉及一种消除齿轮钢混晶的方法。
背景技术
圆柱齿轮、齿套是广泛应用于汽车行业，实现轴向连接并用于汽车车桥的机械装置，对零件的组织要求为5-8级细晶粒，而1-4级粗晶粒不接受。为细化晶粒，一般的加工过程是将齿轮钢锻造成坯料后，再进行等温正火，处理后的组织为均匀等轴分布的珠光体和铁素体，硬度在160-185HBW是最佳的，而对于高淬透性的20MnCr5材料，因含Mn量高，晶粒易长大，随后的热处理工艺通常采用渗碳中冷二次加热淬火工艺。
但由于正火设备问题或正火工艺不恰当的原因，产品正火组织缺陷，如产品可能会出现大小相差悬殊粗细晶粒共存的组织形态即混晶组织，枝晶偏析，成分偏析等现象。其中混晶组织危害体现在：1）热处理渗碳淬火后形状和尺寸变化不一致无规律，2）渗碳淬火的组织，最突出的问题是造成心部组织板条马氏体针粗大，经饱和苦味酸水溶液腐蚀的检测晶粒度，有1-4级粗晶粒和5-8级细晶粒共同存在。3）这将降低产品力学性能冲击强度和冲击韧性及疲劳强度。正火产品一般都是使用齿块替代产品做检测或者抽检，难免会出现正火组织不合格的产品流入下一道工序，将正火坯料进行切削加工成齿轮半成品，如果热处理（渗碳淬火）工艺采用渗碳中冷二次加热淬火工艺，则形成齿轮的心部组织为粗细不均匀的板条马氏体，组织不合格。目前，常规返工方法是采用二次淬火返工，这个方法保证心部组织晶粒细化合格了，但产品热变形超差，比如带内花键产品，内花键变形增大，80%以上产品通规过不去，严重影响正常生产。
这种问题常见的处理方法是将正火后有混晶异常组织的坯料进行调质后，再进行机加工，然后渗碳淬火；这种方法可以消除正火组织不合格生成混晶的影响。但调质后的坯料金相组织为索氏体，机加工时刀具磨损严重，难以推广使用。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供一种消除齿轮钢混晶的方法，该方法通过根据正火组织金相等级大于4级，针对性地选择热处理工艺，有效消除正火组织中的混晶现象的同时，还具有化学热处理后变形量小的优势。提高热处理的产品合格率，增加了质量稳定性具有巨大的经济效益。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
公开的消除齿轮钢混晶的方法，针对正火后的金相等级大于4级的齿轮产品，确定热加工工艺包括以下步骤：
S1. 预热：将齿轮半成品进入起始温度840-860℃、起始碳势0.8±0.05%CP的渗碳炉中；
S2. 升温：碳势保持S1步骤不变，加热速度为8-15℃/min，升温至900-930℃，保温10-30min；
S3. 渗碳：在S2步骤温度下，碳势升为0.9％-1.17％CP，保温270-360min；
S4. 扩散：在S3步骤温度下，碳势降为0.75%-0.85％CP，保温60-90min；
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.中冷：在步骤S5温度下，出炉到前室炉冷，炉冷时间60-120min，冷到400℃以下出炉空冷；
S7.高温回火：将渗碳中冷后的齿轮在660-720℃回火，保温120-240min，炉内纯甲醇作为保护气氛，然后降温到500-540℃时，出炉空冷；
S8.加热淬火：齿轮进入起始温度830-850℃炉中，碳势为0.75-0.85％CP，加热升温至860-880℃，保温50-80min后，降温到840-850℃，保温45-60min，淬火，选择淬火油的温度为70-130℃，时间为10-15min；
S9. 回火：将淬火后的齿轮在170-180℃进行回火，时间为120-210min。
本发明的公开的消除齿轮钢混晶的方法，通过调整和改变工艺，根据齿轮产品的自身特点，将渗碳+中冷+高温回火+加热淬火+回火结合，从根本上解决了因正火组织不合格导致热处理后带来的产品变形量难以控制，产品合格率低，生产和返工成本高的问题；摒弃了传统的正火后有混晶异常组织的坯料进行调质的方法；使热处理后的机加工的刀具磨损降低，有利于推广使用。
进一步地，所述齿轮为圆柱齿轮或齿套。
进一步地，所述齿轮钢的材料为20MnCr5。
进一步地，所述渗碳的渗剂为GH渗剂、丙烷、天然气和RX气的任意一种与甲醇的混合。
更进一步地，所述步骤S2-S4步骤中所用渗剂为RX气氛和甲醇，所述RX气氛为5-8m3/h，所述甲醇流量1-2L/h。
进一步地，所述RX气是由天然气及空气混合一定比例，在触媒催化作用下，在1040℃高温发生炉中发生化学反应而生成，所述天然气的最大流量为1.0-1.4m3/h，空气流量0.8-1.2m3/h。
进一步地，所述加热淬火的淬火油搅拌速度为300-1400r/min。
进一步地，步骤S6中，降温的速度为5-10℃/min。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的消除齿轮钢混晶的方法，通过对不同等级的正火金相组织的差异，调整热处理工艺，可有效消除正火组织中的混晶，使热处理后的齿轮材料组织均匀，表面硬度、心部硬度、有效硬化层深、残余奥氏体级别、马氏体级别、碳化物级别、心部铁素体级别、热变形等均符合要求，将正火不合格的齿轮坯热处理后合格率可以达到99%以上，大大提高了产品合格率，增加了质量稳定性具有巨大的经济效益。
本发明通过调整和改变工艺，根据齿轮产品的自身特点，将渗碳+中冷+高温回火+加热淬火+回火结合，从根本上解决了因正火组织不合格导致热处理后带来的产品变形量难以控制，产品合格率低，生产和返工成本高的问题；摒弃了传统的正火后有混晶异常组织的坯料进行调质的方法；使热处理后的机加工的刀具磨损降低，有利于推广使用。
附图说明
图1为现有技术中20MnCr5材料圆柱齿轮正火后的金相等级在1级时的金相组织图片。
图2为现有技术中20MnCr5材料圆柱齿轮正火后的金相等级在2级时的金相组织图片。
图3为现有技术中20MnCr5材料圆柱齿轮正火后的金相等级在3级时的金相组织图片。
图4为现有技术中20MnCr5材料圆柱齿轮正火后的金相等级在4级时的金相组织图片。
图5为现有技术中20MnCr5材料圆柱齿轮正火后的金相等级在5级时的金相组织图片。
图6为现有技术中20MnCr5材料圆柱齿轮正火后的金相等级在5级时，进行渗碳和中冷工艺处理后的金相图片。
图7为现有技术中20MnCr5材料圆柱齿轮正火后的金相等级在5级时，进行渗碳+中冷后，再加热淬火+回火处理后的金相图片。
图8为现有技术中20MnCr5材料圆柱齿轮正火后的金相等级在5级时，进行渗碳+中冷后，再加热淬火+回火处理后的心部组织晶粒度金相图片。
图9为本发明的消除齿轮钢混晶的方法处理圆柱齿轮正火后的金相等级在5级时，进行渗碳+中冷后，加高温回火处理后的金相图片。
图10为本发明的消除齿轮钢混晶的方法处理20MnCr5材料圆柱齿轮正火后的金相等级在5级时，进行渗碳+中冷后，再高温回火+加热淬火+回火处理后的金相图片。
图11为本发明的消除齿轮钢混晶的方法处理20MnCr5材料圆柱齿轮的实施例1的晶粒度的晶界图片。
图12为本发明的消除齿轮钢混晶的方法处理20MnCr5材料圆柱齿轮的实施例2的晶粒度的晶界图片。
现有的圆柱齿轮（20MnCr5）材料一般采用等温正火，其材料的正火组织的1级、2级的金相组织图片（100X），见图1和图2，其正火组织为铁素体F+珠光体P，晶粒均匀；正火组织3级、4级照片（100X），见图3和图4，晶粒较均匀；正火组织为5级的金相图片（100X），见图5，正火组织为F+P，其晶粒不均匀，且P有带状趋势。
实施例1
本实施例的消除齿轮钢混晶的方法，针对正火后的金相等级大于4级的齿轮产品，确定热加工工艺包括以下步骤：
S1. 预热：将材料为20MnCr5的圆柱齿轮半成品进入起始温度850℃，起始碳势0.8±0.05%CP的渗碳炉中；
S2. 升温：碳势保持不变，加热速度为8-15℃/min，升温至920℃，保温10-15min；
S3. 渗碳：在920℃温度下，碳势升为1.15％CP，保温270min；
S4. 扩散：将温度保持920℃，碳势降为0.85％CP，保温60min；
S5. 降温：将步骤S4的碳势保持不变，降温的速度为1-1.5℃/min，将温度降至860℃，保温90min；
S6.中冷：在860℃出炉到前室炉冷，炉冷时间120min，降温速度为5-10℃/min，炉冷到400℃以下出炉空冷；检测中冷后的齿块的金相组织，齿块经渗碳中冷后心部组织粗细悬殊混合组织，混晶明显，见图6；
S7.高温回火：将渗碳中冷后的齿轮在680℃回火，炉内纯甲醇作为保护气氛，保温时间180min，然后降温到500-540℃时，出炉空冷；检测高温回火后齿块的金相组织，见图9，其齿块心部组织发生变化，混晶组织弥散；
S8.加热淬火：齿轮进入起始温度850℃炉中，碳势为0.8％CP，加热升温至860℃，保温75min后，降温到850℃，保温45min，选择淬火油的温度为120℃，淬火油搅拌速度为1200r/min，时间为15min；
S9. 回火：将淬火后的齿轮在170℃进行回火，时间为180-210min，回火后的齿块的金相组织，见图10，在500X的显微镜观察，其心部组织为细板条马氏体；进一步地，检测齿块的晶粒度，晶粒度为8级，见图11。
进一步地，渗碳的渗剂为GH渗剂、丙烷、天然气和RX气的任意一种与甲醇的混合。步骤S2-步骤S5中所用渗剂为RX气氛和甲醇，RX气氛为5-8m3/h，甲醇流量1-2L/h。RX气是由天然气及空气混合一定比例，在触媒催化作用下，在1040℃高温发生炉中发生化学反应而生成，天然气的最大流量为1.0-1.4m3/h，空气流量0.8-1.2m3/h。
实施例2
本实施例的消除齿轮钢混晶的方法，针对正火后的金相等级大于4级的齿轮产品，确定热加工工艺包括以下步骤：
S1. 预热：将材料为20MnCr5的圆柱齿轮半成品进入起始温度840℃，起始碳势0.8±0.05%CP的渗碳炉中；
S2. 升温：碳势保持不变，加热速度为8-15℃/min，升温至930℃，保温20-30min；
S3. 渗碳：在930℃温度下，碳势为1.15％CP，保温360min；
S4. 扩散：将温度930℃，碳势降为0.85％CP，保温90min；
S5. 降温：将步骤S4的碳势保持不变，将温度降至850℃，保温90min；
S6. 中冷：在850℃出炉到前室炉冷，炉冷时间120min，冷到400℃以下出炉；检测中冷后的齿块的金相组织，见图6，齿块经渗碳中冷后心部组织粗细悬殊混合组织，混晶明显；
S7. 高温回火：将渗碳中冷后的齿轮在660℃回火120min，炉内纯甲醇作为保护气氛，然后降温到540-500℃时，出炉空冷；检测高温回火后的齿块的金相组织，齿块心部组织发生变化混晶组织弥散；
S8. 加热淬火：齿轮进入起始温度850℃炉中，碳势为0.8％CP，加热升温至870℃，保温60min后，降温到850℃，保温45min，然后淬火，选择淬火油的温度为70℃，加热淬火的淬火油搅拌速度为600r/min，淬火时间为15min；齿块经硝酸酒精腐蚀后，心部组织为细板条马氏体；
S9. 回火：将淬火后的齿轮在180℃进行回火，时间为120-150min。回火后齿块的金相组织，在500X的显微镜观察，其心部组织为细板条马氏体。
进一步地，检测齿块的心部组织晶粒度，晶粒度为7级，见图12。
检测其实施例1和实施例2的内部组织及硬度，按GB/T25744标准和GB/T6394标准检测，结果见表1。
用塞规检内花键，99%以上产品通规能通过，100%的产品止规能止住，说明产品热处理变形量在合格范围内。
表1
序号 表面硬度HRC 心部硬度HRC 有效硬化层深mm 残余奥氏体级别 马氏体级别 碳化物级别 心部马氏体晶粒度级别
实施例1 58.6 42 1.15 4 4 1 8
实施例2 60.7 43 1.45 4 4 1 7
对比例1
采用一般20MnCr5材料的热处理工艺进行渗碳+中冷后，再加热淬火+回火。具体为：
正火后的金相等级大于4级齿轮，热加工工艺的具体操作为：
预热：将具有图5组织齿轮半成品进入起始温度850℃、起始碳势0.8%CP的渗碳炉中；
升温：保持碳势不变，快速加热，升温速度8-15℃/min，升温至920℃，保温10-20min；
渗碳：将温度保持920℃，碳势升为1.15％CP，保温270min；
扩散：将温度保持920℃，碳势降为0.85％CP，保温60min；
降温：将步骤S4的碳势0.85％CP保持不变，将温度降至860℃，保温90min；
中冷：860℃出炉到前室炉冷，炉冷时间120min，降温速度5-10℃/min，炉冷到400℃以下时出炉空冷。检测组织结果如图6，在放大100×观察，由图中可以看粗细悬殊的混合组织，混晶严重。
加热淬火：齿轮进入起始温度850℃炉中，碳势为0.8％CP，加热升温至870℃，保温60min后，降温到850℃，保温45min，然后淬火，选择淬火油的温度为120℃，淬火油搅拌速度为600r/min，时间为15min。
回火：将淬火后的齿轮在175℃进行回火，回火时间为150-180min。检测组织所得结果为图7。在放大500×时，可以观察到心部组织为粗板条马氏体。图8为心部组织晶粒度图片，大部分为7.0级，局部晶粒度4级。
晶粒度不合格，重新淬火返工，晶粒度在5~8级范围内，用塞规检内花键，80%以上产品通规不能通过，100%的产品止规能止住，说明产品热处理变形量比较大。
由上述工艺验证，可知传统的热处理工艺采用渗碳+中冷后，再加热淬火+回火。并未消除混晶，热处理后组织不均匀，变形难以控制。
上述实施例和对比例可知，本发明的消除齿轮钢混晶的方法，通过对不同等级的正火金相组织的差异，调整热处理工艺，可有效消除正火组织中的混晶，使热处理后的齿轮心部组织晶粒度，表面硬度、心部硬度、有效硬化层深、残余奥氏体级别、马氏体级别、碳化物级别、心部铁素体级别、热变形等均符合要求，将正火不合格的齿轮坯热处理后合格率可以达到99%以上，大大提高了产品合格率，易于推广。
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 (8)

1.一种齿轮钢消除混晶的方法，其特征在于，针对正火后的金相等级大于4级的齿轮产品，确定热加工工艺包括以下步骤：
S1. 预热：将齿轮半成品进入起始温度840-860℃、起始碳势0.8±0.05%CP的渗碳炉中；
S2. 升温：碳势保持S1步骤不变，加热速度为8-15℃/min，升温至900-930℃，保温10-30min；
S3. 渗碳：在S2步骤温度下，碳势升为0.9％-1.17％CP，保温270-360min；
S4. 扩散：将温度保持S3步骤下，碳势降为0.75%-0.85％CP，保温60-90min；
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.中冷：在步骤S5温度下，出炉到前室炉冷，炉冷时间60-120min，冷到400℃以下出炉空冷；
S7.高温回火：将渗碳中冷后的齿轮在660-720℃回火，保温120-240min，炉内纯甲醇作为保护气氛，降温到500-540℃时，出炉空冷；
S8.加热淬火：齿轮进入起始温度830-850℃炉中，碳势为0.75-0.85％CP，加热升温至860-880℃，保温50-80min后，降温到840-850℃，保温45-60min，淬火，选择淬火油的温度为70-130℃，时间为10-15min；
S9. 回火：将淬火后的齿轮在170-180℃进行回火，时间为120-210min。
2.根据权利要求1所述齿轮钢消除混晶的方法，其特征在于，所述齿轮为圆柱齿轮或齿套。
3.根据权利要求1所述齿轮钢消除混晶的方法，其特征在于，所述齿轮钢的材料为20MnCr5。
4.根据权利要求1所述齿轮钢消除混晶的方法，其特征在于，所述渗碳的渗剂为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4所述齿轮钢消除混晶的方法，其特征在于，所述步骤S2-步骤S5中所用渗剂为RX气氛和甲醇，所述RX气氛为5-8m3/h，所述甲醇流量1-2L/h。
6.根据权利要求5所述齿轮钢消除混晶的方法，其特征在于，所述RX气是由天然气及空气混合一定比例，在触媒催化作用下，在1040℃高温发生炉中发生化学反应而生成，所述天然气的最大流量为1.0-1.4m3/h，空气流量0.8-1.2m3/h。
7.根据权利要求1所述齿轮钢消除混晶的方法，其特征在于，所述加热淬火的淬火油搅拌速度为300-1400r/min。
8.根据权利要求1所述齿轮钢消除混晶的方法，其特征在于，步骤S6中，降温的速度为5-10℃/min。
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