CN111020455B - 一种减少薄壁齿轮热处理变形的亚温渗碳热处理方法 - Google Patents

一种减少薄壁齿轮热处理变形的亚温渗碳热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种减少薄壁齿轮热处理变形的亚温渗碳热处理方法，包括如下步骤：S1、预先亚温正火；S2、慢速喷丸；S3、亚温渗碳：采用梯度加热至亚温渗碳温度，亚温渗碳过程采用两段渗碳法，第一段为强渗阶段，第二段为扩散阶段；S4、梯度缓冷淬火：先将完成渗碳处理的薄壁齿轮锻件梯度缓冷至840～860℃，并保温1h左右；然后继续缓冷至815～825℃，并保温1h左右，期间炉内碳势控制在0.5±0.05％，之后在聚乙烯醇溶液中淬火；S5、低温回火。本发明能大幅度减少齿轮工件的变形程度，显著提高生产合格率，同时又能有效细化晶粒，提高齿轮的硬度、强度，显著提高齿轮的使用寿命，此外细化的晶粒能显著提高渗碳的速度，降低工艺时间，减少能耗。

Description

一种减少薄壁齿轮热处理变形的亚温渗碳热处理方法
技术领域
本发明涉及热处理领域，更具体地说，涉及一种减少薄壁齿轮热处理变形的亚温渗碳热处理方法。
背景技术
高性能薄壁齿轮是机械中常见的传动零件，在船舶和航天飞机等领域有着广泛的应用。由于其工作环境复杂，长期承受较大的接触应力、交变载荷和冲击载荷，因此高性能薄壁齿轮的精度和性能要求非常高。目前高性能薄壁齿轮多采用普通气体渗碳后直接淬火或者渗碳二次淬火的热处理方式，以满足薄壁齿轮表面的高硬度与高耐磨性。但由于薄壁齿轮各部位的厚度差别大，因此对热应力和组织应力非常敏感，在现有的传统渗碳热处理工艺中，剧烈的温度变化和薄壁齿轮表面含碳量的不均匀性都会引起薄壁齿轮明显的变形，从而降低薄壁齿轮的承载能力和使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种减少薄壁齿轮热处理变形的亚温渗碳热处理方法，在满足薄壁齿轮表面高硬度与高耐磨性的同时，还能够解决现有的薄壁齿轮热处理变形较大的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种减少薄壁齿轮热处理变形的亚温渗碳热处理方法，包括如下步骤：
S1、预先亚温正火：将薄壁齿轮锻件进行梯度加热至亚温正火温度并保温一段时间后，出炉风冷至室温。根据薄壁齿轮锻件尺寸，合理控制风冷冷却速度。
S2、慢速喷丸：将预先亚温正火处理后的薄壁齿轮锻件进行慢速喷丸处理，有效去除薄壁齿轮锻件表面氧化皮并使薄壁齿轮锻件表面覆盖一层均匀的应变层。弹丸选取软材质，并根据齿轮锻件的尺寸，合理控制弹丸的喷射速度。
S3、亚温渗碳：采用梯度加热至亚温渗碳温度，亚温渗碳过程采用两段渗碳法，第一段为强渗阶段，第二段为扩散阶段，碳势通过调节渗碳剂流量来控制。
S4、梯度缓冷淬火：先将完成渗碳处理的薄壁齿轮锻件梯度缓冷至840～860℃，并保温1h；然后继续缓冷至815～825℃，并保温1h，期间炉内碳势控制在0.5±0.05％，之后在聚乙烯醇溶液中淬火，淬火液中设有搅拌器，保证淬火液温度的均匀性。
S5、低温回火：将薄壁齿轮锻件放在回火炉中加热至180～200℃进行低温回火，保温时间为2～3h，然后出炉空冷至室温。
按上述技术方案，步骤S1和步骤S3中的加热过程全部采用梯度加热方式，首先将薄壁齿轮锻件加热至550℃保温0.5h后，再直接加热至最终温度，减少齿轮锻件在较大温度变化中的热应力变形。
按上述技术方案，步骤S1采用预先亚温正火处理，将薄壁齿轮锻件在860～880℃保温2～3h后空冷，根据齿轮锻件尺寸控制冷却速度在5℃/s～10℃/s，通过预先均匀细化薄壁齿轮锻件组织来提高渗碳速度并均匀渗碳层表面组织，此外采用较低的正火温度控制齿轮锻件的变形。
按上述技术方案，步骤S2的慢速喷丸处理中，为了减小齿轮锻件变形，弹丸材料选用铸钢丸，弹丸尺寸为0.4～0.5mm，并合理控制弹丸喷射速度，有效去除薄壁齿轮锻件表面氧化皮并使薄壁齿轮锻件表面覆盖一层均匀的应变层。
按上述技术方案，步骤S3的亚温渗碳处理过程的强渗阶段和扩散阶段温度均为880～900℃，低于常规渗碳热处理温度，进一步减小薄壁齿轮锻件渗碳热处理中的变形。强渗阶段碳势控制在1.05～1.15％，强渗时间控制在4～5h；扩散阶段，碳势控制在0.7～0.8％，扩散时间控制在3～4h。
按上述技术方案，步骤S4的淬火介质采用0.4％～0.8％的聚乙烯醇溶液，淬火介质的温度保持在50±5℃，有效降低薄壁齿轮锻件高温和低温状态的冷却速度，减小热应力和组织应力导致的变形，同时在中温状态获得较高冷却速度，促进了马氏体相变的进行，保证薄壁齿轮锻件的高硬度和高强度。
实施本发明的减少薄壁齿轮热处理变形的亚温渗碳热处理方法，具有以下有益效果：
1、本发明将薄壁齿轮锻件依次进行预先亚温正火、慢速喷丸、亚温渗碳、梯度缓冷淬火、低温回火步骤。采用梯度加热与缓冷方法，减少薄壁齿轮锻件不同厚度部分因温度的不均匀而产生热应力导致变形；采用预先亚温正火处理使热锻成型的带状组织重新结晶细化，薄壁齿轮锻件初始状态更加偏于各向同性，从而减少薄壁齿轮锻件不同的初始组织形态对渗碳层均匀性的影响，进而缓解渗碳热处理的变形，此外预先均匀细化的齿轮组织状态能够显著提高渗碳过程中活性碳原子渗入到齿轮表面的速度，缩短渗碳时间，降低能耗。
2、采用慢速喷丸处理，不会给薄壁齿轮锻件带来额外明显变形，并有效去除薄壁齿轮锻件表面的氧化皮和污垢，利于渗碳处理的进行，此外通过慢速喷丸处理后，薄壁齿轮锻件表面覆盖一层均匀的应变层，增加表面与碳原子的接触面积，并且变形层增多的位错结构促进活性碳原子扩散的速度，显著的加快了渗碳的速度。
3、渗碳温度采用890～910℃，低于常规的渗碳热处理温度，进一步减少热应力和组织应力的不均匀性，减少变形；淬火温度选在815～825℃，较低的淬火温度在保证薄壁齿轮锻件强度的前提下，能显著降低热应力变形。
4、淬火介质采用温度控制在50±5℃的0.4％～0.8％聚乙烯醇溶液，降低薄壁齿轮锻件高温和低温状态的冷却速度，减小热应力和组织应力导致的变形，同时中温状态的较高冷却速度促进了马氏体相变的进行，保证薄壁齿轮锻件的高硬度和高强度。
5、本发明的薄壁齿轮渗碳热处理方法能大幅度减少齿轮工件的变形程度，显著提高生产合格率，同时又能有效细化晶粒，提高齿轮的硬度、强度，显著提高齿轮的使用寿命，此外细化的晶粒能显著提高渗碳的速度，降低工艺时间，减少能耗。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明减少薄壁齿轮热处理变形的亚温渗碳热处理方法的工艺流程图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例以20CrMnTiH材质某型号齿轮为例，锻件采用热锻成形工艺，其渗碳热处理方法按如下步骤实现：
(1)预先亚温正火：将薄壁齿轮锻件梯度加热至550℃保温0.5h，再加热至860～880℃，保温2～3h，之后出炉风冷至室温,根据薄壁齿轮锻件的尺寸，合理控制冷却速度在5℃/s～10℃/s。
(2)慢速喷丸：将预先亚温正火处理后的薄壁齿轮锻件进行慢速喷丸处理，根据薄壁齿轮锻件的尺寸，合理控制弹丸的喷射速度和喷射弹流量，弹丸材料选用铸钢丸，弹丸尺寸为0.4～0.5mm。
(3)亚温渗碳：采用梯度加热法，先加热至550℃，保温0.5h，减少薄壁齿轮锻件不同厚度部分因温度的不均匀而产生热应力导致变形；然后直接加热至渗碳温度880～900℃；采用两段渗碳法，渗碳温度均为880～900℃；第一段强渗阶段，控制碳势在1.05～1.15％，强渗时间控制在4～5h；第二段扩散阶段，控制碳势在0.7～0.8％，扩散时间控制在3～4h；碳势通过调节渗碳剂流量来控制。
(4)梯度缓冷淬火：先将完成渗碳处理的薄壁齿轮锻件梯度缓冷至840～860℃，并保温1h；然后继续缓冷至815～825℃，并保温1h；在这段时间内，炉内碳势控制在0.5±0.05％；之后直接在0.4％～0.8％的聚乙烯醇溶液中淬火，淬火液温度控制在50±5℃，淬火液中设有搅拌器，保证淬火液温度的均匀性。
(5)低温回火步骤：将薄壁齿轮锻件放在回火炉中加热至180～200℃进行低温回火，保温时间为2～3h，然后出炉空冷至室温。
表1
Figure BDA0002319390960000051
采用本发明方法制得的薄壁齿轮试样，进行变形程度、表面硬度、心部硬度以及碳化物级别检测，并将检测结果与传统工艺进行比较，具体数据见表1所示。从表中可以看出，薄壁齿轮经过本发明渗碳热处理后花键变形非常小，合格率显著高于传统工艺，而且经过本发明渗碳热处理后薄壁齿轮保持了较高的表面和心部硬度以及细小的碳化物,保证了薄壁齿轮的高使用性能。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种减少薄壁齿轮热处理变形的亚温渗碳热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、预先亚温正火：将薄壁齿轮锻件进行梯度加热至亚温正火温度并保温一段时间后，出炉风冷至室温；
S2、慢速喷丸：将预先亚温正火处理后的薄壁齿轮锻件进行慢速喷丸处理，有效去除薄壁齿轮锻件表面氧化皮并使薄壁齿轮锻件表面覆盖一层均匀的应变层；
S3、亚温渗碳：采用梯度加热至亚温渗碳温度，亚温渗碳过程采用两段渗碳法，第一段为强渗阶段，第二段为扩散阶段，碳势通过调节渗碳剂流量来控制；
S4、梯度缓冷淬火：先将完成渗碳处理的薄壁齿轮锻件梯度缓冷至840～860℃，并保温1h；然后继续缓冷至815～825℃，并保温1h，期间炉内碳势控制在0.5±0.05%，之后在聚乙烯醇溶液中淬火；
S5、低温回火：将薄壁齿轮锻件放在回火炉中加热至180～200℃进行低温回火，保温时间为2～3h，然后出炉空冷至室温；
所述步骤S1中采用预先亚温正火处理，将薄壁齿轮锻件在860～880℃保温2～3h后空冷，控制冷却速度在5℃/s～10℃/s。
2.根据权利要求1所述的减少薄壁齿轮热处理变形的亚温渗碳热处理方法，其特征在于，所述步骤S1和步骤S3中的加热过程采用梯度加热方式，首先将薄壁齿轮锻件加热至550℃保温0.5h后，再直接加热至最终温度。
3.根据权利要求1所述的减少薄壁齿轮热处理变形的亚温渗碳热处理方法，其特征在于，在所述步骤S2中的慢速喷丸处理过程中，弹丸材料选用铸钢丸，弹丸尺寸为0.4～0.5mm。
4.根据权利要求1所述的减少薄壁齿轮热处理变形的亚温渗碳热处理方法，其特征在于，步骤S3中的亚温渗碳处理过程的强渗阶段和扩散阶段温度均为880～900℃，强渗阶段碳势控制在1.05～1.15%，强渗时间控制在4～5h；扩散阶段，碳势控制在0.7～0.8%，扩散时间控制在3～4h。
5.根据权利要求1所述的减少薄壁齿轮热处理变形的亚温渗碳热处理方法，其特征在于，步骤S4中的淬火介质采用0.4%～0.8%的聚乙烯醇溶液，淬火介质的温度保持在50±5℃。
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