CN111235358A - 一种渗碳齿轮件冷处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种渗碳齿轮件冷处理工艺,该工艺包括以下步骤:一、将齿轮件进行渗碳,得到渗碳齿轮件;二、将渗碳齿轮件进行高温回火,然后进行淬火;三、将经淬火后的渗碳齿轮件进行低温回火;四、将经低温回火后的渗碳齿轮件进行冷处理;五、将经冷处理后的渗碳齿轮件进行回温;六、将经回温后的渗碳齿轮件进行低温回火。本发明在冷处理前通过低温回火消除了渗碳齿轮件的淬火应力,降低了在冷处理时的开裂风险,避免了冷处理裂纹,将渗碳齿轮件进行冷处理,显著提高了渗碳齿轮件的硬度及耐磨性,降低了开裂的风险,抑制了磨削裂纹的风险,将冷处理后的渗碳齿轮件进行回温,降低了冷处理应力,降低了渗碳齿轮件开裂的风险。
Description
技术领域
本发明属于涉及材料制造/加工技术领域,具体涉及一种渗碳齿轮件冷处理工艺。
背景技术
采煤机为井下综采设备,在煤矿中大范围应用,采煤机在使用时工矿条件极为恶劣,采煤机使用的齿轮件在低速重载的情况下运行,对齿轮件的硬度要求非常高,现有采煤机所用的齿轮件一般由18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A制备,生产工序为:锯料→锻→正火、高温回火→粗加工→渗碳→高温回火→加工→淬火→低温回火→磨,一般的技术要求制备的齿轮件的表面硬度为664HV~766HV,为了保证磨削后齿轮件的表面硬度达到技术要求,需在热处理淬火后硬度大于688HV,但在实际生产中,制备的齿轮件在热处理渗碳淬火后硬度大多都在642HV~688HV之间,为保证所需硬度,热处理往往需要反复进行,会导致齿轮变形增大,耐磨性差等缺点,严重制约着齿轮件的内在质量,还使生产周期延长,生产成本增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足,提供一种渗碳齿轮件冷处理工艺。该工艺在冷处理前通过低温回火消除了渗碳齿轮件的淬火应力,降低了渗碳齿轮件在冷处理时的开裂风险,避免了冷处理裂纹,提高了渗碳齿轮件的硬度,将冷处理后的渗碳齿轮件进行回温处理,降低了冷处理应力,避免了渗碳齿轮件发生开裂。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种渗碳齿轮件冷处理工艺,其特征在于,该工艺包括以下步骤:
步骤一、将齿轮件进行渗碳处理,得到渗碳齿轮件;
步骤二、将渗碳齿轮件进行高温回火处理,然后进行淬火处理;
步骤三、将步骤二中经淬火处理后的渗碳齿轮件进行低温回火处理;
步骤四、将步骤三中经低温回火处理后的渗碳齿轮件进行冷处理;
步骤五、将步骤四中经冷处理后的渗碳齿轮件进行回温处理;
步骤六、将步骤五中经回温处理后的渗碳齿轮件进行低温回火处理。
上述的一种渗碳齿轮件冷处理工艺,其特征在于,步骤一中所述齿轮件由牌号为20Cr、20CrMo、20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB、12CrNi3、15CrNi3、20CrNi2Mo、12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA或20Cr2Ni4A的合金钢制成。本发明采用马氏体转变类型主要是变温形成的材料制成齿轮件,具有合金含量高,淬透性好,渗碳、淬火等热处理后性能优异等优点。
上述的一种渗碳齿轮件冷处理工艺,其特征在于,步骤二中所述高温回火处理进行2次或3次,所述高温回火处理的条件为:在670℃~690℃下保温3h~3.5h;所述淬火处理在795℃~815℃下进行。本发明在670℃~690℃下保温3h~3.5h进行2次或3次高温回火能有效减少基体中的残留奥氏体,随高温回火次数的增加,残留的奥氏体量减少,然后在795℃~815℃下进行续淬火处理后渗碳层的硬度升高,提高了渗碳齿轮件的性能,避免了在磨削精加工时产生磨削裂纹。
上述的一种渗碳齿轮件冷处理工艺,其特征在于,步骤三中所述低温回火处理的条件为:在160℃~200℃下保温3h~3.5h。本发明在渗碳齿轮件进行冷处理前在160℃~200℃下保温3h~3.5h进行低温回火消除了渗碳齿轮件的淬火应力,降低了渗碳齿轮件在冷处理时的开裂风险,避免了在室温下的淬火应力和冷处理时的淬火应力相叠加导致的应力超过该材料强度极限时造成的冷处理裂纹,同时渗碳齿轮件在淬火处理和低温回火处理后进行停留对渗碳齿轮件中的奥氏体稳定化现象无明显影响,停留数月后再进行冷处理后,渗碳齿轮件的硬度也有明显提高,在生产操作时不必受淬火后停留时间的影响,可用于停留时间较长的硬度偏低的成品的返工处理,提高了本发明的适用范围。
上述的一种渗碳齿轮件冷处理工艺,其特征在于,步骤四中所述冷处理的过程为:将渗碳齿轮件采用液氮以4℃/min~5℃/min的降温速率冷却到-80℃~-100℃后保温5min~10min。本发明采用液氮进行冷处理具有成本低廉,冷却效率高的优点,本发明冷处理的降温速率为4℃/min~5℃/min,避免了因降温速率过大导致的渗碳齿轮件开裂的风险增大,也避免了因降温速率过小导致的效率低,浪费液氮的缺点,降温到-80℃~-100℃后渗碳齿轮件中绝大多数残余奥氏体已转变为马氏体,避免了降温温度不够奥氏体不能完全转变为马氏体的缺点,也避免了降温温度过低,导致的处理周期增长,液氮用量增加的缺点,同时冷处理的目的主要是为了提高渗碳层硬度,心部没必要冷透,若心部冷透,则需要更多的液氮,降温和回温时间延长,设备利用率降低,所以保温5min~10min足以保证渗碳齿轮件渗碳层降到温后即可结束,无需长时间保温。
上述的一种渗碳齿轮件冷处理工艺,其特征在于,步骤五中所述回温处理的过程为:将渗碳齿轮件放入温度为20℃~40℃的水池中。本发明将冷处理后的渗碳齿轮件放入温度为20℃~40℃的水池中进行回温处理,避免了冷处理后的渗碳齿轮件在空气中长时间置留,导致的冷处理应力得不到消除,从而增加了冷处理后的渗碳齿轮件升温至室温过程中开裂的风险,同时实现了渗碳齿轮件的快速回温,消除了渗碳齿轮件中约50%的冷处理应力,有利于防止渗碳齿轮件产生冷处理裂纹,缩短了回温时间,提高了生产效率。
上述的一种渗碳齿轮件冷处理工艺,其特征在于,步骤六中所述低温回火处理的条件为:在160℃~200℃下保温4h~5h。本发明将经回温处理后的渗碳齿轮件在160℃~200℃下保温4h~5h进行低温回火处理,消除了冷处理应力,实现了冷处理时渗碳齿轮件中的马氏体转变为回火马氏体,使得到的渗碳齿轮件更易加工,抑制了磨削裂纹的产生,避免了温度过低保温时间过短不能完全消除应力,和温度过高时间过长导致的对渗碳齿轮件性能造成不良影响。
本发明冷处理工艺的原理:将齿轮件进行渗碳处理后,得到渗碳齿轮件,渗碳齿轮件的渗碳层的碳浓度由约0.20%大幅度提高到0.70%~1.0%,渗碳层的马氏体转变开始点Ms点由约300℃降低到80℃~120℃,马氏体转变结束点Mf点随之大幅降低,淬火处理后渗碳层的奥氏体稳定化现象不明显,淬火处理和低温回火处理后的停留时间对后续冷处理几乎无影响,对残余奥氏体的稳定化影响不大,操作时不必受淬火后停留时间影响;淬火处理后冷却到室温后残余的奥氏体不再继续转变,残余奥氏体量较多,转变的马氏体量不足,硬度偏低,因残余奥氏体属于不稳定相,且量较多,故增加了工件的变形和磨削裂纹风险,通过冷处理可使渗碳层中的绝大部分的残余奥氏体转变为马氏体,以提高硬度、耐磨性、稳定尺寸,抑制磨削裂纹;降温到-80℃~-100℃时渗碳层中绝大多数残余奥氏体已转变为马氏体,残余奥氏体随冷处理温度的降低而转变,温度不变时,残余奥氏体转变已接近停止,冷处理的目的主要是为了提高渗碳层硬度,心部没必要冷透,故只要渗碳层降到温即可,工件到温时间滞后于仪表显示温度,为保证工件渗碳层降到要求温度,故短时保温,渗层深度相对较浅,本发明采用的材料为马氏体转变类型主要是变温形成的材料,因为马氏体转变数量是温度的函数,与保温时间无关,所以5min~10min的保温时间足以使其降到要求温度,在冷处理后渗碳层硬度提高幅度很小,在低温下材料塑性小,易产生很大内应力,在液氮中急冷淬火变形不大,但易导致开裂,回温到室温的时间过长,工件在高应力状态下停留时间过长,冷处理产生的应力迟迟得不到消除,会增加在升温过程中开裂的风险,若冷处理后不回温到室温而直接进行回火处理,升温速度过快,开裂风险也会增加,故冷处理后的回温采用投于温度为20℃~40℃水池中快速回温到室温,待表面无水湿后及时低温回火,降低了开裂风险,缩短了生产周期,提高了生产效率;经本发明提供的工艺处理后的渗碳齿轮件,由表向里硬度增加幅度逐渐减小,因渗碳层碳浓度由表向里遵循由高向低碳浓度梯度,工件最表面碳浓度最高,残余奥氏体量相对较多,转变为马氏体的量相应也多,硬度提升明显,由表向里碳浓度逐渐降低,残余奥氏体量逐渐减少,转变为马氏体的量相应减少,硬度提升幅度减小。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明在渗碳齿轮件冷处理前进行低温回火处理消除了渗碳齿轮件的淬火应力,降低了渗碳齿轮件在冷处理时的开裂风险,避免了渗碳齿轮件进行冷处理时和冷处理后回温时产生裂纹;本发明通过将渗碳齿轮件进行冷处理,显著提高了渗碳齿轮件的硬度及耐磨性,降低了开裂的风险,抑制了磨削裂纹的风险,便于渗碳齿轮件的进一步加工处理。
2、本发明将冷处理后的渗碳齿轮件进行回温处理,避免了冷处理后的渗碳齿轮件在空气中长时间置留,冷处理应力迟迟得不到消除导致的增加了冷处理升温过程中开裂的风险,实现了渗碳齿轮件的快速回温,消除了渗碳齿轮件中约50%的冷处理应力,有利于防止渗碳齿轮件产生冷处理裂纹,同时缩短了回温时间,提高了生产效率。
3、本发明将经回温处理后的渗碳齿轮件进行低温回火处理,消除了冷处理应力,实现了冷处理时渗碳齿轮件中的马氏体转变为回火马氏体,使得到的渗碳齿轮件更易加工,抑制了磨削裂纹的产生。
4、本发明在冷处理时将渗碳齿轮件冷却到-80℃~-100℃,无需冷却到更低温度,无需长时间保温,具有处理时间短、液氮消耗少,回温到室温的时间短的优点,降低了成本和开裂的风险,提高了生产效率。
5、采用本发明提供的工艺可以使渗碳齿轮件渗碳层硬度整体提升,最表面硬度提高范围在60HV~160HV之间,该工艺易于实现,操作简单,可以实现大规模的应用。
下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤:
步骤二、将渗碳齿轮件进行高温回火处理,然后进行淬火处理;所述高温回火处理进行2次,所述高温回火处理的条件为在680℃下保温3.2h,所述淬火处理在800℃的条件下进行;
步骤三、将步骤二中经淬火处理后的渗碳齿轮件进行低温回火处理;所述低温回火处理在180℃下保温3.2h;
步骤四、将步骤三中经低温回火处理后的渗碳齿轮件进行冷处理;所述冷处理的过程为:采用液氮将渗碳齿轮件以4℃/min降温速率冷却到-80℃后保温10min;
步骤五、将步骤四中经冷处理后的渗碳齿轮件进行回温处理;所述回温处理的过程为:将渗碳齿轮件放入温度为20℃的水池中;
步骤六、将步骤五中经回温处理后的渗碳齿轮件进行低温回火处理;所述低温回火处理的条件为:在180℃条件下保温4h。
对比例1
本对比例包括以下步骤:
步骤二、将渗碳齿轮件进行高温回火处理,然后进行淬火处理;所述高温回火处理进行2次,所述高温回火处理的条件为在680℃下保温3.2h,所述淬火处理在800℃的条件下进行;
步骤三、将步骤二中经淬火处理后的渗碳齿轮件进行冷处理;所述冷处理的过程为:采用液氮将渗碳齿轮件以4℃/min降温速率冷却到-80℃后保温10min;
步骤四、将步骤五中经冷处理后的渗碳齿轮件进行回温处理;所述回温处理的过程为:将渗碳齿轮件放入温度为20℃的水池中;
步骤五、将步骤四中经回温处理后的渗碳齿轮件进行低温回火处理;所述低温回火处理的条件为:在180℃条件下保温4h。
将实施例1和对比例1步骤一中的渗碳齿轮件分别作为处理前的样品,将实施例1步骤六和对比例1中经低温回火处理后的渗碳齿轮件分别作为处理后的样品,对处理前的样品和处理后的样品分别进行硬度检测,检测结果如下表1所示。
表1实施例1和对比例1的渗碳齿轮件处理前后的硬度变化
从表1可以看出,实施例1中处理后的样品硬度较处理前的样品硬度增加,处理后的样品最表面即由表向里的深度为0.1mm处硬度的增加值为67HV,随着由表向里的深度增加,硬度增加值依次降低;对比例1中处理后的样品硬度较处理前的样品硬度也有所增加,但因淬火后未进行去应力的低温回火处理,而直接冷处理,淬火应表面硬度虽然有明显提高,但是实际得到的试样表面的渗碳层出现裂纹,这是因为淬火应力和冷处理应力叠加,总应力过大,在冷处理时或在冷处理后回温时产生裂纹。
通过实施例1与对比例1对比可以看出,将渗碳齿轮件在低温回火后进行冷处理可以提升渗碳齿轮件的硬度同时避免渗碳层产生裂纹。
实施例2
本实施例包括以下步骤:
步骤二、将渗碳齿轮件进行高温回火处理,然后进行淬火处理;所述高温回火处理进行3次,所述高温回火处理的条件为在670℃下保温3.5h,所述淬火处理在815℃的条件下进行;
步骤三、将步骤二中经淬火处理后的渗碳齿轮件进行低温回火处理;所述低温回火处理在200℃下保温3h;
步骤四、将步骤三中经低温回火处理后的渗碳齿轮件进行冷处理;所述冷处理的过程为:采用液氮将渗碳齿轮件以5℃/min降温速率冷却到-100℃后保温5min;
步骤五、将步骤四中经冷处理后的渗碳齿轮件进行回温处理;所述回温处理的过程为:将渗碳齿轮件放入温度为40℃的水池中;
步骤六、将步骤五中经回温处理后的渗碳齿轮件进行低温回火处理;所述低温回火处理的条件为:在200℃条件下保温4.5h。
将实施例2步骤一中的渗碳齿轮件分别作为处理前的样品,将实施例2步骤六中经低温回火处理后的渗碳齿轮件分别作为处理后的样品,对处理前的样品和处理后的样品分别进行硬度检测,检测结果如下表2所示。
表2实施例2的渗碳齿轮件处理前后的硬度变化
从表2可以看出,实施例2中处理后的样品硬度较处理前的样品硬度增加,处理后的样品最表面即由表向里的深度为0.1mm处硬度的增加值为160HV,随着由表向里的深度增加,硬度增加值依次降低。
实施例3
本实施例包括以下步骤:
步骤二、将渗碳齿轮件进行高温回火处理,然后进行淬火处理;所述高温回火处理进行3次,所述高温回火处理的条件为在690℃下保温3h,所述淬火处理在795℃的条件下进行;
步骤三、将步骤二中经淬火处理后的渗碳齿轮件进行低温回火处理;所述低温回火处理在160℃下保温3.5h;
步骤四、将步骤三中经低温回火处理后的渗碳齿轮件进行冷处理;所述冷处理的过程为:采用液氮将渗碳齿轮件以4.5℃/min降温速率冷却到-90℃后保温8min;
步骤五、将步骤四中经冷处理后的渗碳齿轮件进行回温处理;所述回温处理的过程为:将渗碳齿轮件放入温度为30℃的水池中;
步骤六、将步骤五中经回温处理后的渗碳齿轮件进行低温回火处理;所述低温回火处理的条件为:在160℃条件下保温5h。
将实施例3步骤一中的渗碳齿轮件分别作为处理前的样品,将实施例3步骤六中经低温回火处理后的渗碳齿轮件分别作为处理后的样品,对处理前的样品和处理后的样品分别进行硬度检测,检测结果如下表3所示。
表3实施例3的渗碳齿轮件处理前后的硬度变化
从表3可以看出,实施例3中处理后的样品硬度较处理前的样品硬度增加,处理后的样品最表面即由表向里的深度为0.1mm处硬度的增加值为75HV,随着由表向里的深度增加,硬度增加值依次降低。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (7)
1.一种渗碳齿轮件冷处理工艺,其特征在于,该工艺包括以下步骤:
步骤一、将齿轮件进行渗碳处理,得到渗碳齿轮件;
步骤二、将渗碳齿轮件进行高温回火处理,然后进行淬火处理;
步骤三、将步骤二中经淬火处理后的渗碳齿轮件进行低温回火处理;
步骤四、将步骤三中经低温回火处理后的渗碳齿轮件进行冷处理;
步骤五、将步骤四中经冷处理后的渗碳齿轮件进行回温处理;
步骤六、将步骤五中经回温处理后的渗碳齿轮件进行低温回火处理。
2.根据权利要求1所述的一种渗碳齿轮件冷处理工艺,其特征在于,步骤一中所述齿轮件由牌号为20Cr、20CrMo、20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB、12CrNi3、15CrNi3、20CrNi2Mo、12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA或20Cr2Ni4A的合金钢制成。
3.根据权利要求1所述的一种渗碳齿轮件冷处理工艺,其特征在于,步骤二中所述高温回火处理进行2次或3次,所述高温回火处理的条件为:在670℃~690℃下保温3h~3.5h;所述淬火处理在795℃~815℃下进行。
4.根据权利要求1所述的一种渗碳齿轮件冷处理工艺,其特征在于,步骤三中所述低温回火处理的条件为:在160℃~200℃下保温3h~3.5h。
5.根据权利要求1所述的一种渗碳齿轮件冷处理工艺,其特征在于,步骤四中所述冷处理的过程为:将渗碳齿轮件采用液氮以4℃/min~5℃/min的降温速率冷却到-80℃~-100℃后保温5min~10min。
6.根据权利要求1所述的一种渗碳齿轮件冷处理工艺,其特征在于,步骤五中所述回温处理的过程为:将渗碳齿轮件放入温度为20℃~40℃的水池中。
7.根据权利要求1所述的一种渗碳齿轮件冷处理工艺,其特征在于,步骤六中所述低温回火处理的条件为:在160℃~200℃下保温4h~5h。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200605 |