CN110607424A - 采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺，具体包括以下步骤：(1)、选用GCr15SiMn作为齿体材料；(2)、齿体坯料经热锻加工成型、正火、球化退火处理、机械加工得到齿体，对齿体进行淬火和高温回火处理；(3)、焊接齿体和硬质合金头，得到截齿；(4)、对截齿齿体局部或者全部的表面进行等离子弧表面淬火处理，形成硬化层。本发明对齿体进行淬火和高温回火热处理，处理后齿体的整体硬度为36～40HRC；对齿体局部或者全部的表面进行等离子弧表面淬火处理，硬度达到63～67HRC；硬化层硬度高，表面光洁且处于压应力状态，具有良好的耐疲劳、耐磨损性能，对截齿齿头有非常好的保护作用，可有效提高截齿的使用寿命。

Description

采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺
技术领域
本发明涉及采掘机械用截齿的生产加工技术领域，具体是一种采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺。
背景技术
采掘机械用截齿是采掘机械上的关键部件，也是消耗量很大、很容易损坏的部件。截齿通常包括截齿齿体和硬质合金头两部分组成，硬质合金头钎焊在截齿齿体端部。截齿使用过程中，其作业的环境非常恶劣，截齿要承受高压应力、剪切力、冲击载荷、与矿层进行剧烈摩擦等，使得截齿齿头很容易被磨损，尤其是截齿齿体顶部磨损严重，导致截齿齿体头部直径快速减小至失去对硬质合金头根部的保护和支撑作用，硬质合金头突出而脱落，使得硬质合金头在未被完全磨损的情况下截齿提前失效，非正常报废，使截齿寿命大幅缩短，增加开采成本，影响生产效率，因此提高截齿齿体的耐疲劳性、耐磨性对提高采掘机械的运转率，增加生产的综合经济效益，具有积极的意义。
为提高截齿齿体的耐磨性，传统上截齿齿体常选用中低碳合金钢材料，对其进行常规热处理或在截齿齿体表面堆焊一层耐磨焊条来增加耐磨性，效果不明显。其它表面处理工艺如表面喷涂、表面合金化、熔敷等，也都存在不同程度的缺陷，如等离子喷涂或超音速喷涂工艺，工艺方法复杂，生产效率低，成本高，喷涂层与基体结合强度低，容易脱落，容易使截齿齿体脆性增加，韧性降低，导致综合机械性能降低。
GCr15SiMn是使用比较广泛的轴承钢。其特点在于经过淬火处理后的最高硬度可以达到65HRC以上。具有很好的耐磨性。但在高硬度时，其脆性较大，抗冲击性能较差，外力冲击下容易发生断裂。因此仅靠高硬度条件下的高耐磨性能，无法满足截齿的使用要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺，对齿体进行淬火和高温回火热处理，处理后齿体的整体硬度为36～40HRC；对齿体表面局部或全部区域，特别是齿体顶部的表面，即齿体的顶部用于保护硬质合金齿头部分的周侧外表面进行等离子弧表面淬火处理，硬度达到63～67HRC；齿体顶部表面的硬化层硬度高，表面光洁且处于压应力状态，具有良好的耐疲劳、耐磨损性能，对截齿齿头有非常好的保护作用，可有效提高截齿的使用寿命。
本发明的技术方案如下：
一种采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)、选用GCr15SiMn作为齿体材料；
(2)、先将齿体坯料通过热锻加工成型得到齿体毛坯，然后进行正火、球化退火处理，然后采用机械加工的方法将齿体毛坯加工到指定尺寸得到齿体，然后对齿体进行淬火和高温回火处理；
(3)、在经上述处理后的齿体的顶端加工出镶嵌孔，通过钎焊的方式将硬质合金头焊接在齿体顶端的镶嵌孔中，得到截齿；
(4)、对截齿齿体局部或全部的表面进行等离子弧表面淬火处理，具体为：
(41)、使截齿与等离子弧发生器发生预设轨迹的相对运动；
(42)、在截齿与等离子弧发生器产生相对运动的过程中，确定合适的等离子弧表面淬火处理工艺参数，使得等离子弧发生器产生的等离子弧作用于截齿齿体所需要淬火的表面，进行快速加热，将该表面金相组织结构转化成奥氏体组织，整个加热过程中不能熔化，在依靠自身快速冷却后，形成马氏体组织，即形成硬化层，实现对该表面的硬化；最终，通过等离子弧发生器与截齿之间的相对运动，实现截齿齿体局部或全部表面的硬化。
所述的采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺，其特征在于：所述的淬火和高温回火处理，淬火处理的加热温度为835℃～845℃，保温时间为1小时，油冷；高温回火处理的加热温度为550℃～600℃，回火时间为2小时；处理后齿体的整体硬度为36～40HRC。
所述的采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺，其特征在于：所述的等离子弧表面淬火处理工艺参数包括等离子弧发生器的工作电流为60A～140A，以及等离子弧发生器与截齿之间相对运动的线速度为0.5m/min～5m/min。
所述的采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺，其特征在于：所述硬化层的硬度为62～65HRC，硬化深度为0.4～3mm。
所述的采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺，其特征在于：所述等离子弧发生器产生的等离子弧作用于截齿齿体所需要淬火的表面的任意一点上，进行快速加热，加热时间均不大于6秒。
本发明的有益效果：
1、本发明对截齿齿体(GCr15SiMn)进行淬火和高温回火热处理，可使截齿(GCr15SiMn)获得良好的强塑性配合。
2、本发明对齿体表面局部或全部区域，特别是齿体顶部的表面，即齿体的顶部用于保护硬质合金齿头部分的周侧外表面进行等离子弧表面淬火处理，硬化层硬度为63～67HRC，硬化层深度为0.4～3mm，直接在截齿齿体被淬火表面形成一层致密的高硬度、耐磨硬化层；硬化层硬度在硬化层深度范围内均维持表面的高硬度值，无硬度梯度。
3、进行等离子弧表面淬火处理处理后，齿体顶部的表面光洁，摩擦系数低，且处于压应力状态，提高了齿体的耐疲劳性能。
4、本发明相对于其它表面淬火处理工艺，具有节约能源、工艺简洁、操作方便的特点；且工艺过程采用等离子弧热源，设备紧凑，维护方便，有利于技术的推广和应用。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
图2为本发明中截齿的结构示意图。
图3为实施例中的硬度分布图。
具体实施方式
参见图1，一种采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺，具体包括以下步骤：
(1)、选用GCr15SiMn作为齿体材料；
(2)、先将齿体坯料通过热锻加工成型得到齿体毛坯，然后进行正火、球化退火处理，然后采用机械加工的方法将齿体毛坯加工到指定尺寸得到齿体，然后对齿体进行淬火和高温回火处理；
(3)、在经上述处理后的齿体的顶端加工出镶嵌孔，通过钎焊的方式将硬质合金头焊接在齿体顶端的镶嵌孔中，得到截齿；
(4)、对截齿齿体局部或全部的表面进行等离子弧表面淬火处理，具体为：
(41)、使截齿与等离子弧发生器发生预设轨迹的相对运动；
(42)、在截齿与等离子弧发生器产生相对运动的过程中，确定合适的等离子弧表面淬火处理工艺参数，使得等离子弧发生器产生的等离子弧作用于截齿齿体所需要淬火的表面，进行快速加热，将该表面金相组织结构转化成奥氏体组织，整个加热过程中不能熔化，在依靠自身快速冷却后，形成马氏体组织，即形成硬化层，实现对该表面的硬化；最终，通过等离子弧发生器与截齿之间的相对运动，实现截齿齿体局部或全部表面的硬化。
本发明中，淬火和高温回火处理，淬火处理的加热温度为835℃～845℃，保温时间为1小时，油冷；高温回火处理的加热温度为550℃～600℃，回火时间为2小时；处理后齿体的整体硬度为36～40HRC。
等离子弧表面淬火处理工艺参数包括等离子弧发生器的工作电流为60A～140A，以及等离子弧发生器与截齿之间相对运动的线速度为0.5m/min～5m/min。
硬化层的硬度为62～65HRC，硬化深度为0.4～3mm。
等离子弧发生器产生的等离子弧作用于截齿齿体所需要淬火的表面的任意一点上，进行快速加热，加热时间均不大于6秒。
如图2所示，本发明的原理为：1为硬质合金齿头，2为GCr15SiMn截齿齿体。首先加工GCr15SiMn截齿齿体2，GCr15SiMn截齿齿体坯料经热锻加工成型得到齿体毛坯，再经正火、球化退火处理后，采用机械加工的方法将齿体毛坯加工到指定尺寸，得到齿体2，然后对齿体2进行淬火和高温回火处理，处理后齿体2的整体硬度为36～40HRC。在齿体2顶端加工出硬质合金齿头镶嵌孔，通过钎焊方式将硬质合金齿头1焊接在齿体2顶端的镶嵌孔中。焊接牢固后，对齿体2表面局部或全部区域，特别是顶部的局部或全部表面，即图2中的A区(也即齿体2的顶部用于保护硬质合金齿头1部分的周侧外表面，下同)进行等离子弧表面淬火处理，使A区的硬度达到63～67HRC，硬化深度为0.4～3mm。
对GCr15SiMn齿体进行淬火和高温回火处理，可使GCr15SiMn齿体获得良好的强塑性配合。等离子弧为高能密度热源，当等离子弧作用于截齿齿体表面时，使截齿齿体局部快速加热，温度急剧升高到材料相变温度以上，随后通过截齿基体的快速热传导散热，使得加热部分快速冷却，相变温度以上的区域形成晶粒细小的马氏体组织，进而形成一定深度的高硬度硬化层。经等离子弧表面淬火处理的截齿齿体，由于快速加热快速冷却的作用机制，与常规热处理相比，得到的硬化层硬度更高，变形小，表面处于压应力状态；处理时表面的最高温度在熔化温度以下，处理后表面光洁，摩擦系数小，因此经等离子弧表面淬火处理的截齿表面耐磨性、耐疲劳性好，工作稳定，使用寿命长。GCr15SiMn截齿综合运用锻造后正火、球化退火处理，机械加工后淬火和高温回火处理，以及等离子弧表面淬火处理工艺，可大幅提高GCr15SiMn截齿的综合性能，进而大幅提高了截齿的使用寿命。
应用举例如下：
截齿齿体材料：GCr15SiMn。淬火和高温回火热处理参数为：淬火加热温度为840℃，保温时间1小时；高温回火加热温度为600℃，回火时间为2小时，处理后齿体的整体硬度为38.5～40HRC；等离子弧淬火处理参数：工作电流125A，等离子弧发生器与截齿之间相对运动的线速度为0.6m/min。
处理后采用线切割方法沿截齿轴向方向切下窄条，制作试样采用200HV-5型小负荷维氏硬度计检测硬度，检测的顺序从试样表面开始，每隔0.2mm测量一个硬度值，测量结果如表一所示，硬度分布图如图3所示。硬化层的硬度值为813～848HV1，根据GB/T 1172-1999标准换算，硬化层的硬度值为64.7～66HRC，硬化层深度超过2.0mm。
表一
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方案进行描述，并非对本发明的保护范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)、选用GCr15SiMn作为齿体材料；
(2)、先将齿体坯料通过热锻加工成型得到齿体毛坯，然后进行正火、球化退火处理，然后采用机械加工的方法将齿体毛坯加工到指定尺寸得到齿体，然后对齿体进行淬火和高温回火处理；
(3)、在经上述处理后的齿体的顶端加工出镶嵌孔，通过钎焊的方式将硬质合金头焊接在齿体顶端的镶嵌孔中，得到截齿；
(4)、对截齿齿体局部或全部的表面进行等离子弧表面淬火处理，具体为：
(41)、使截齿与等离子弧发生器发生预设轨迹的相对运动；
(42)、在截齿与等离子弧发生器产生相对运动的过程中，确定合适的等离子弧表面淬火处理工艺参数，使得等离子弧发生器产生的等离子弧作用于截齿齿体所需要淬火的表面，进行快速加热，将该表面金相组织结构转化成奥氏体组织，整个加热过程中不能熔化，在依靠自身快速冷却后，形成马氏体组织，即形成硬化层，实现对该表面的硬化；最终，通过等离子弧发生器与截齿之间的相对运动，实现截齿齿体局部或全部表面的硬化。
2.根据权利要求1所述的采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺，其特征在于：所述的淬火和高温回火处理，淬火处理的加热温度为835℃～845℃，保温时间为1小时，油冷；高温回火处理的加热温度为550℃～600℃，回火时间为2小时；处理后齿体的整体硬度为36～40HRC。
3.根据权利要求1所述的采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺，其特征在于：所述的等离子弧表面淬火处理工艺参数包括等离子弧发生器的工作电流为60A～140A，以及等离子弧发生器与截齿之间相对运动的线速度为0.5m/min～5m/min。
4.根据权利要求1所述的采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺，其特征在于：所述硬化层的硬度为62～65HRC，硬化深度为0.4～3mm。
5.根据权利要求1所述的采用GCr15SiMn为齿体材料的截齿热处理工艺，其特征在于：所述等离子弧发生器产生的等离子弧作用于截齿齿体所需要淬火的表面的任意一点上，进行快速加热，加热时间均不大于6秒。
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