CN110791640B - 一种高温渗碳齿轮复合预备热处理工艺 - Google Patents

一种高温渗碳齿轮复合预备热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温渗碳齿轮复合预备热处理工艺，将加入微合金元素的齿轮钢加热至1200~1250℃进行奥氏体化，根据齿轮钢尺寸保温；将齿轮钢放入淬火介质中快速冷却至室温；将冷却后的齿轮钢及时加热到材料Ac3以上10～20℃并保温10～15min；以3.5～5℃/s的冷却速率将重新奥氏体化的齿轮钢冷却到600～700℃，再保温20～40min；将得到的齿轮钢出炉室温下空冷，然后进行机加工工序。本发明消除合金元素偏析，为机加工调整硬度，使第二相充分弥散析出，在高温渗碳保温时起阻碍晶粒长大作用；同时获得细小珠光体和铁素体平衡状态的组织，在后续高温渗碳淬火时提高奥氏体形核率并使其形核均匀，经本发明处理后再进行高温渗碳淬火的晶粒有效细化，无混晶现象。

Description

一种高温渗碳齿轮复合预备热处理工艺
技术领域
本发明涉及金属材料制备技术领域，具体涉及一种高温渗碳齿轮复合预备热处理工艺。
背景技术
传统渗碳齿轮钢的渗碳温度较低，渗碳时间较长，经济效益较低。为了缩短渗碳时间必须要提高渗碳的温度，但是高温状态下渗碳会造成晶粒在奥氏体化温度长时间保温下发生长大，粗大的晶粒使材料的强度、塑性和韧性降低。所以在渗碳钢原有材料（SCr420H等）基础上加入V、Nb、N、Ti、Al等微合金元素，这些微合金元素在钢中将以稳定的第二相形式析出，从而能起到阻碍晶粒长大的作用。但是这些第二相颗粒在钢或齿轮的热加工过程中同样容易发生溶解（或不完全溶解）、析出或长大现象，使得第二相颗粒不能大量细小弥散析出，进而导致齿轮在高温渗碳时其钉扎晶界阻碍晶粒长大的作用不能充分发挥。
传统的齿轮制造工艺为：锻造、等温正火、机加工、高温渗碳淬火等；其中，等温正火工艺的目的是消除元素偏析，并为机加工调整到合适的硬度，但是经过等温正火工艺后钢中的第二相颗粒长大，失去钉扎晶界的作用，再进行渗碳保温时，晶粒会粗大，甚至出现混晶现象。因此，针对等温正火工艺所带来的弊端，需要对其进行工艺上的改进。
发明内容
本发明的目的是为了解决齿轮钢元素偏析的情况，和齿轮钢在高温渗碳时组织不均匀、晶粒易长大的问题，提供一种高温渗碳齿轮复合预备热处理工艺，进而消除元素偏析，并使钢中的第二相充分弥散析出并钉扎晶界，在高温渗碳保温时起到阻碍晶粒长大作用；其次还可以为机加工调整硬度，并获得珠光体和铁素体组织的平衡态组织，使得高温渗碳淬火后的组织均匀细小。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种高温渗碳齿轮复合预备热处理工艺，所述的复合预备热处理设于锻造工序和机加工工序之间，具体步骤为：
S1：将加入微合金元素的齿轮钢加热至1200~1250℃进行奥氏体化，根据齿轮钢尺寸保温，使微合金元素充分溶于齿轮钢形成的奥氏体中；
S2：将步骤S1处理后的齿轮钢放入淬火介质中快速冷却至室温；
S3：将步骤S2冷却后的齿轮钢及时加热到材料Ac3以上10～20℃并保温10～15min，使齿轮钢重新奥氏体化；
S4：以3.5～5℃/s的冷却速率将步骤S3重新奥氏体化的齿轮钢冷却到600～700℃，再保温20～40min，使齿轮钢中的微合金元素以第二相颗粒形式弥散析出，并获得珠光体和铁素体平衡态组织；
S5：将步骤S4处理得到的齿轮钢出炉室温下空冷，然后进行机加工工序。
为了优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的齿轮钢采用20MnCr5、18CrNiMo7-6和SCr420H中的任意一种。
上述的微合金元素包括铝、铌、钒、钛和氮。
上述步骤S1中，根据齿轮钢尺寸保温具体是指：保温时间与齿轮钢的有效壁厚比值为每毫米1.5~2min；其中，保温时间不小于30min。
上述步骤S3中，齿轮钢重新奥氏体化后内部形成细小晶粒。
上述步骤S4中，冷却方式采用盐浴冷却。
上述步骤S4中，珠光体和铁素体的平衡组织的硬度为180~210 HV。
本发明还保护所述的复合预备热处理在渗碳钢齿轮制备工艺中的应用，其中，渗碳钢齿轮进行高温渗碳淬火后晶粒度级别为6.5～8.5级。
本发明的有益效果在于：
1. 本发明选用加入V、Nb、N、Al和Ti微合金元素的齿轮钢作为原材料，在经过复合预备热处理工艺后对材料进行硬度测试和金相组织观察。经过该工艺后，金相组织为细小的珠光体和铁素体组织，偏析不明显，硬度在180～210HV左右。再对经过该工艺的齿轮进行高温渗碳淬火，检测渗碳淬火后的晶粒大小，晶粒度级别为6.5～8.5级，无混晶现象。
2. 本发明主要是通过复合预备热处理，消除元素偏析，为机加工调整硬度，并在基体组织中获得数量尽可能多的细小弥散分布的第二相颗粒来阻碍渗碳的时晶粒长大，以细化渗碳后的晶粒；在复合预备热处理后的组织为珠光体和铁素体的平衡状态组织，这种平衡状态组织在后续的渗碳淬火时能提高奥氏体形核率并使其形核均匀，从而达到高温渗碳淬火后组织均匀化的效果。
附图说明
图1是本发明实施例1中获得的珠光体和铁素体的平衡态组织示意图。
图2是本发明实施例1中经过渗碳淬火的晶粒度图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
应该注意的是，本发明中的室温是指25摄氏度；所述的硬度指标是维氏硬度，单位kgf/mm2。
一种高温渗碳齿轮复合预备热处理工艺，所述的复合预备热处理设于锻造工序和机加工工序之间，即：锻造、复合预备热处理、机加工、高温渗碳淬火；其中，复合预备热处理的具体步骤为：
S1：将加入微合金元素的齿轮钢加热至1200~1250℃进行奥氏体化，根据齿轮钢尺寸保温，使微合金元素充分溶于齿轮钢形成的奥氏体中；
S2：将步骤S1处理后的齿轮钢放入淬火介质中快速冷却至室温；
S3：将步骤S2冷却后的齿轮钢及时加热到材料Ac3以上10～20℃并保温10～15min，使齿轮钢重新奥氏体化；
S4：以3.5～5℃/s的冷却速率将步骤S3重新奥氏体化的齿轮钢冷却到600～700℃，再保温20～40min，使齿轮钢中的微合金元素以第二相颗粒形式弥散析出，并获得珠光体和铁素体平衡态组织；
S5：将步骤S4处理得到的齿轮钢出炉室温下空冷，然后进行机加工工序。
本发明中，1200～1250℃温度范围可以使碳元素和其他微合金元素充分溶入奥氏体中，这是通过大量试验验证得到的数据；本发明中，步骤S2中的冷却方式采用油冷至室温；本发明中，步骤S3中的及时是指冷却至室温后的齿轮钢需要在较短的时间内重新加热，避免由于冷却时间过长而导致齿轮钢开裂，一般在30min内需要完成加热，所述的Ac3表示材料由铁素体转变为奥氏体时的温度，本实施例中的Ac3实际温度为850℃左右，步骤S3中在材料Ac3以上10～20℃保温可以使得齿轮钢重新奥氏体化，这一过程使得材料在后续冷却中容易出现细小的晶粒，也是为了后续冷却步骤中得到相应的金相组织而做准备；本发明中，步骤S4中，采用盐浴冷却，即将重新奥氏体化的齿轮钢直接快速放入至600~700℃的熔融盐中进行保温，将齿轮钢冷却至600~700℃保温的这一过程中，有第二相颗粒析出并形成珠光体和铁素体的平衡组织，这有利于后续渗碳淬火过程中组织更加均匀，同时在该温度下，碳化物还会进一步发生相间析出，有利于碳氮化物等第二相钉扎界面，从而达到阻碍晶粒粗化的目的。
实施例1
齿轮钢材料采用20MnCr5，其中复合加入了V、Nb、N、Al、Ti微合金元素，对原材料进行锻造，再进行复合预备热处理工艺。
在1200℃下保温40min，保温结束后进行油冷至室温，随后立即将工件加热到870℃保温10min，再以4℃/s的冷速冷却到650℃时保温30min，最后空冷至室温。
参见图1，经复合预备热处理后，出现的金相组织为细小的珠光体和铁素体组织，由硬度测试测得硬度为190HV；对齿轮进行1000℃保温5h的渗碳淬火处理，参见图2，根据标准《GBT6394-2002金属平均晶粒度测定法》测得平均晶粒直径为29μm，晶粒级别为7.0级，组织均匀且晶粒较细小。
实施例2
齿轮钢材料采用18CrNiMo7-6，其中复合加入了V、Nb、N、Al、Ti微合金元素，对原材料进行锻造，再进行复合预备热处理工艺。
在1250℃下保温40min，保温结束后进行油冷至室温，随后立即将工件加热到870℃保温10min，再以4℃/s的冷速冷却到650℃时保温30min，最后空冷至室温。
观察复合预备热处理后的金相组织为细小的珠光体和铁素体组织，硬度为194HV；最后对齿轮进行1000℃保温5h的渗碳淬火处理，渗碳后晶粒的等效直径为23μm左右，晶粒级别为8.0级，组织均匀且晶粒较细小。
实施例3
齿轮钢材料采用SCr420H，其中复合加入了V、Nb、N、Al、Ti微合金元素，对原材料进行锻造，再进行复合预备热处理工艺。
在1200℃下保温40min，保温结束后进行油冷至室温，随后立即将工件加热到870℃保温15min，再以4℃/s的冷速冷却到680℃时保温30min，最后空冷至室温。
观察复合预备热处理后的金相组织为细小的珠光体和铁素体组织，硬度为186HV；最后对齿轮进行1000℃保温5h的渗碳淬火处理，渗碳后晶粒的等效直径为27μm左右，晶粒级别为7.5级，组织均匀且晶粒较细小。
实施例4
齿轮钢材料采用20MnCr5，其中复合加入了V、Nb、N、Al、Ti微合金元素，对原材料进行锻造，再进行复合预备热处理工艺。
在1200℃下保温40min，保温结束后进行油冷至室温，随后立即将工件加热到870℃保温10min，再以3.5℃/s的冷速冷却到600℃时保温20min，最后空冷至室温。
观察复合预备热处理后的金相组织为细小的珠光体和铁素体组织，硬度为180HV；最后对齿轮进行1000℃保温5h的渗碳淬火处理，渗碳后晶粒的等效直径为26μm左右，晶粒级别为7.5级，组织均匀且晶粒较细小。
实施例5
齿轮钢材料采用18CrNiMo7-6，其中复合加入了V、Nb、N、Al、Ti微合金元素，对原材料进行锻造，再进行复合预备热处理工艺。
在1200℃下保温40min，保温结束后进行油冷至室温，随后立即将工件加热到870℃保温15min，再以5℃/s的冷速冷却到700℃时保温40min，最后空冷至室温。
观察复合预备热处理后的金相组织为细小的珠光体和铁素体组织，硬度为198HV；最后对齿轮进行1000℃保温5h的渗碳淬火处理，渗碳后晶粒的等效直径为30μm左右，晶粒级别为7.0级，组织均匀且晶粒较细小。
对比例1
处理工艺同实施例1，不同之处在于：以4℃/s的冷速冷却到800℃时保温30min。
观察复合预备热处理后的金相组织中没有出现珠光体和铁素体组织，因此保温温度过高得不到本发明所述的珠光体和铁素体的平衡组织。
对比例2
处理工艺同实施例1，不同之处在于：以4℃/s的冷速冷却到500℃时保温30min。
观察复合预备热处理后的金相组织中出现了贝氏体组织，因此保温温度过低得不到本发明所述的珠光体和铁素体的平衡组织。
从实施例1-5的结果可知，本发明选用加入V、Nb、N、Al和Ti微合金元素的齿轮钢作为原材料，在经过复合预备热处理工艺后对材料进行硬度测试和金相组织观察。经过该工艺后，金相组织为细小的珠光体和铁素体组织，偏析不明显，硬度在180～210HV左右，硬度适合后续的机加工；再对经过该工艺的齿轮进行高温渗碳淬火，检测渗碳淬火后的晶粒大小，晶粒度级别为6.5～8.5级，无混晶现象。相对于对比例1和对比例2，在600~700℃下保温20~40min可以得到本发明所述的珠光体和铁素体的平衡组织，温度过高或过低均不会出现上述的平衡组织，这种平衡状态组织在后续的渗碳淬火时能提高奥氏体形核率并使其形核均匀，从而达到高温渗碳淬火后组织均匀化的效果。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高温渗碳齿轮复合预备热处理工艺，其特征在于：所述的复合预备热处理设于锻造工序和机加工工序之间，具体步骤为：
S1：将加入微合金元素的齿轮钢加热至1200～1250℃进行奥氏体化，根据齿轮钢尺寸保温，使微合金元素充分溶于齿轮钢形成的奥氏体中；
S2：将步骤S1处理后的齿轮钢放入淬火介质中快速冷却至室温；
S3：将步骤S2冷却后的齿轮钢及时加热到材料Ac3以上10～20℃并保温10～15min，使齿轮钢重新奥氏体化；
S4：以3.5～5℃/s的冷却速率将步骤S3重新奥氏体化的齿轮钢冷却到600～700℃，再保温20～40min，使齿轮钢中的微合金元素以第二相颗粒形式弥散析出，并获得珠光体和铁素体的平衡态组织；
S5：将步骤S4处理得到的齿轮钢出炉室温下空冷，然后进行机加工工序；
所述步骤S1中，所述的微合金元素包括铝、铌、钒、钛和氮，齿轮钢采用20MnCr5、18CrNiMo7-6和SCr420H中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的一种高温渗碳齿轮复合预备热处理工艺，其特征在于：步骤S1中，所述的根据齿轮钢尺寸保温具体是指：保温时间与齿轮钢的有效壁厚比值为每毫米1.5～2min；其中，保温时间不小于30min。
3.根据权利要求1所述的一种高温渗碳齿轮复合预备热处理工艺，其特征在于：步骤S3中，齿轮钢重新奥氏体化后内部形成细小晶粒。
4.根据权利要求1所述的一种高温渗碳齿轮复合预备热处理工艺，其特征在于：步骤S4中，冷却方式采用盐浴冷却。
5.根据权利要求1所述的一种高温渗碳齿轮复合预备热处理工艺，其特征在于：步骤S4中，所述珠光体和铁素体的平衡组织的硬度为180～2100HV。
6.权利要求1所述的复合预备热处理在渗碳钢齿轮制备工艺中的应用，其特征在于，所述的渗碳钢齿轮进行高温渗碳淬火后晶粒度级别为6.5～8.5级。
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