CN111334722B - 一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮制造方法，主要包括：锻造→析出相调整处理→机加工→渗碳淬火。所用齿轮钢原材料中含有V、Ti、Nb、N、Al等微合金元素，通过锻造工艺对原材料进行锻造成型，锻造后进行析出相调整处理，析出相调整处理使基体组织中充分弥散析出细小第二相颗粒，这些第二相颗粒在后续渗碳保温时起钉扎晶界的作用，从而阻碍奥氏体晶粒的长大。上述析出相调整处理还使其获得细小珠光体和铁素体平衡状态的组织，在后续的渗碳淬火时提高奥氏体形核率并使其形核均匀，从而达到渗碳淬火后晶粒细化和组织均匀化的效果。在析出相调整处理后进行机加工，然后对齿轮进行渗碳淬火，渗碳工艺为在960℃下保温5h，最后获得组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮。

Description

一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮及其制造方法
技术领域
一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮制造方法，主要是通过析出相调整处理，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；在析出相调整处理后的组织为细小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，从而达到渗碳淬火后组织均匀化的效果。
背景技术
齿轮作为汽车变速箱中不可缺少的传递动力的零件，为满足其实际的使用性能，齿轮需要经过渗碳淬火工艺。传统渗碳齿轮钢的渗碳时间较长，晶粒在奥氏体化温度长时间保温下容易发生长大，粗大的晶粒使材料的强度、塑性和韧性降低。微合金渗碳钢是在原有材料（20MnCr5、18CrNiMo7-6等）基础上加入V、Ti、Nb、N、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若工艺设置不当会发生溶解（或不完全溶解）、析出、长大现象，第二相颗粒不能大量细小弥散析出，齿轮渗碳时其钉扎晶界阻碍晶粒长大的作用不能充分发挥。为了使微合金钢中的第二相粒子在渗碳中真正充分起到阻碍晶粒长大的作用，所以通过析出相调整处理，在加热和冷却过程中来控制第二相粒子的溶入和析出，使其大量细小弥散析出在晶界或晶内，从而达到齿轮渗碳后晶粒细化的效果。在渗碳处理的前步骤中，若出现非平衡状态的组织，容易导致渗碳淬火时奥氏体形核不均匀，在渗碳淬火结束后转变的组织不均匀，从而导致齿轮的变形量较大并且综合性能降低，通过析出相调整处理不仅能使钢中第二相颗粒细小并充分弥散析出来阻碍渗碳时晶粒的长大，而且能使组织转变成细小珠光体和铁素体的平衡状态组织，保证齿轮在渗碳淬火结束后的组织均匀性。
发明内容
为了克服齿轮钢的晶粒易长大现象，本发明提供了一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮制造方法，工艺流程包括：锻造、机加工、渗碳淬火，在锻造工序和机加工工序之间设有析出相调整工序，析出相调整工序具体为：
S1，齿轮加热到1100℃～1250℃下奥氏体化，保温时间60min～90min，使微合金元素充分溶入奥氏体中；
S2，以0.5～3.5℃/s的冷速冷却到800℃～900℃，保温不超过90min，使第二相颗粒充分细小弥散析出；
S3，以2～3.5℃/s的冷速快冷至560℃～650℃再保温60～90min，形成细小珠光体和铁素体的平衡状态组织，同时使得相间沉淀析出细小第二相颗粒；
S4，炉冷至室温；
渗碳淬火的渗碳保温时间为5h，渗碳保温温度为960℃，最终获得渗碳齿轮成品。
本发明进一步限定的技术方案为为：
进一步的，第二相颗粒为TiN、VC、NbC、Nb（C、N）、V（C、N）、AlN中的一种或多种组合。
进一步的，第二相颗粒粒径不一，最小可达纳米级。
进一步的，S1的保温时间根据渗碳钢材料的尺寸决定，直径小于φ50mm的材料保温时间为60min～90min，尺寸较大时适当延长保温时间，保温时间大于90min，确保材料完全奥氏体化及第二相颗粒的充分溶解。
一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮，所用20MnCr5齿轮钢化学成分百分比为，C：0.17～0.22；Si：≤0.25；Mn：1.1～1.5；Cr：1～1.3；V：≤0.05；Ti：≤0.03；N：0.009～0.018；Al：0.02～0.04。
一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮，所用18CrNiMo7-6齿轮钢化学成分为，C：0.17～0.21；Si：0.17～0.35；Mn：0.5～0.9；Cr：1.5～1.7；Mo：0.25～0.35；Ni：1.4～1.7；V：≤0.05；Ti：≤0.03；Nb：≤0.05；N：0.009～0.018；Al：0.02～0.04。
一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮，包括：锻造、析出相调整处理、机加工、渗碳淬火。所述的原材料是在φ50mm的20MnCr5、18CrNiMo7-6齿轮钢基础上加入V、Ti、Nb、N、Al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。通过锻造工艺对原材料进行锻造成型，在锻造结束后进行析出相调整处理，即在1100℃～1250℃下奥氏体化保温60min，使钢中的V、Ti、Nb、N、Al等微合金元素在奥氏体化保温时充分溶解；在1100℃～1250℃下奥氏体化保温结束后以0.5～3.5℃/s的冷速冷却到800℃～900℃，保温不超过90min，这段温度为第二相的析出阶段，保温是为了使TiN、VC、NbC、Nb（C、N）、V（C、N）、AlN等细小的第二相颗粒充分弥散析出，这些弥散且细小的第二相颗粒析出后能有效地阻碍后续渗碳时的晶粒长大；然后以2～3.5℃/s的冷速快冷至560℃～650℃再保温60～90min，此温度阶段为珠光体和铁素体转变区，在这阶段保温是为了使珠光体和铁素体充分转变，形成细小珠光体和铁素体的平衡状态组织，获得细小的珠光体和铁素体组织，同时使得相间沉淀析出TiC、VC、NbC等细小第二相颗粒，最后炉冷至室温。将齿轮机加工成型后进行渗碳淬火，渗碳保温时间为5h，渗碳保温温度为960℃，最后获得一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮。
选用加入V、Ti、Nb、N、Al微合金元素的齿轮钢作为原材料，原材料经过锻造后进行析出相调整处理。析出相调整处理加热奥氏体化的温度选择为900℃、1000℃、1100℃、1200℃，在保温60min后1℃/s的冷速冷却到880℃时保温40min，然后以3.5℃/s的冷速快冷至560℃再保温60min，后续炉冷至室温。在析出相调整处理后对材料进行960℃保温5h的渗碳，检测渗碳淬火后的晶粒大小。试验表明，析出相调整处理的加热奥氏体化温度在1100℃与1200℃较高的温度下时，渗碳淬火后晶粒比较细小，其等效直径为16～23um；析出相调整处理的加热奥氏体化温度在900℃与1000℃较低的温度下时，渗碳后晶粒粗大，其等效直径为30～35um；未经过析出相调整处理的渗碳后晶粒粗化至40～42um。本发明的析出相调整处理能有效控制第二相颗粒大量弥散析出并阻碍渗碳的时晶粒长大，细化渗碳后的晶粒。
附图说明
图1（a）试验（2）晶粒图；
图1（b）试验（4）晶粒图；
图1（c）试验（5）晶粒图。
具体实施方式
实施例1
一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮制造方法，包括：锻造、析出相调整处理、机加工、渗碳淬火。原材料是在φ50mm的20MnCr5齿轮钢基础上加入V、Ti、N、Al微合金元素，其化学成分为，C：0.20；Si：0.18；Mn：1.2；Cr：1.3；V：0.04；Ti：0.02；N：0.01；Al：0.03。对原材料进行锻造成型，锻造温度为1150℃。析出相调整处理为在1140℃下保温60min，保温结束后以1℃/s的冷速冷却到880℃时保温40min，然后以3.5℃/s的冷速快冷至560℃再保温60min，后续炉冷至室温。最后对齿轮进行960℃保温5h的渗碳淬火处理。渗碳后晶粒的等效直径为22um左右，组织均匀且晶粒较细小。
实施例2
一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮制造方法，包括：锻造、析出相调整处理、机加工、渗碳淬火。原材料是在φ50mm的20MnCr5齿轮钢基础上加入V、Ti、N、Al微合金元素，其化学成分为，C：0.20；Si：0.18；Mn：1.2；Cr：1.3；V：0.04；Ti：0.02；N：0.01；Al：0.03。对原材料进行锻造成型，锻造温度为1150℃。析出相调整处理为在1160℃下保温60min，保温结束后以1℃/s的冷速冷却到880℃时保温40min，然后以3.5℃/s的冷速快冷至560℃再保温60min，后续炉冷至室温。最后对齿轮进行960℃保温5h的渗碳淬火处理。渗碳后晶粒的等效直径为19um左右，组织均匀且晶粒较细小。
实施例3
一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮制造方法，包括：锻造、析出相调整处理、机加工、渗碳淬火。原材料是在φ50mm的20MnCr5齿轮钢基础上加入V、Ti、Nb、N、Al微合金元素，其化学成分为，C：0.20；Si：0.18；Mn：1.2；Cr：1.3；V：0.04；Ti：0.02；N：0.01；Al：0.03。对原材料进行锻造成型，锻造温度为1150℃。析出相调整处理为在1200℃下保温60min，保温结束后以1℃/s的冷速冷却到880℃时保温40min，然后以3.5℃/s的冷速快冷至560℃再保温60min，后续炉冷至室温。最后对齿轮进行960℃保温5h的渗碳淬火处理。渗碳后晶粒的等效直径为17um左右，组织均匀且晶粒较细小。
实施例4
一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮制造方法，包括：锻造、析出相调整处理、机加工、渗碳淬火。原材料是在φ50mm的18CrNiMo7-6齿轮钢中含V、Ti、Nb、N、Al等微合金元素，其化学成分为，C：0.18；Si：0.2；Mn：0.6；Cr：1.6；Mo：0.3；Ni：1.5；V：0.04；Ti：0.02；Nb：0.03；N：0.01；Al：0.03。对原材料进行锻造成型，锻造温度为1150℃。析出相调整处理为在1140℃下保温60min，保温结束后以1℃/s的冷速冷却到880℃时保温40min，然后以3.5℃/s的冷速快冷至560℃再保温60min，后续炉冷至室温。最后对齿轮进行960℃保温5h的渗碳淬火处理。渗碳后晶粒的等效直径为22um左右，组织均匀且晶粒较细小。
实施例5
一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮制造方法，包括：锻造、析出相调整处理、机加工、渗碳淬火。原材料是在φ50mm的18CrNiMo7-6齿轮钢中含V、Ti、Nb、N、Al等微合金元素，其化学成分为，C：0.18；Si：0.2；Mn：0.6；Cr：1.6；Mo：0.3；Ni：1.5；V：0.04；Ti：0.02；Nb：0.03；N：0.01；Al：0.03。对原材料进行锻造成型，锻造温度为1150℃。析出相调整处理为在1160℃下保温60min，保温结束后以1℃/s的冷速冷却到880℃时保温40min，然后以3.5℃/s的冷速快冷至560℃再保温60min，后续炉冷至室温。最后对齿轮进行960℃保温5h的渗碳淬火处理。渗碳后晶粒的等效直径为19um左右，组织均匀且晶粒较细小。
实施例6
一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮制造方法，包括：锻造、析出相调整处理、机加工、渗碳淬火。原材料是在φ50mm的18CrNiMo7-6齿轮钢中含V、Ti、Nb、N、Al等微合金元素，其化学成分为，C：0.18；Si：0.2；Mn：0.6；Cr：1.6；Mo：0.3；Ni：1.5；V：0.04；Ti：0.02；Nb：0.03；N：0.01；Al：0.03。对原材料进行锻造成型，锻造温度为1150℃。析出相调整处理为在1200℃下保温60min，保温结束后以1℃/s的冷速冷却到880℃时保温40min，然后以3.5℃/s的冷速快冷至560℃再保温60min，后续炉冷至室温。最后对齿轮进行960℃保温5h的渗碳淬火处理。渗碳后晶粒的等效直径为17um左右，组织均匀且晶粒较细小。
选用加入V、Ti、Nb、N、Al微合金元素的齿轮钢作为原材料，原材料经过锻造后进行析出相调整处理。试验表明：试验（1）析出相调整处理加热奥氏体化的温度为900℃，在保温60min后1℃/s的冷速冷却到880℃时保温40min，然后以3.5℃/s的冷速快冷至560℃再保温60min，后续炉冷至室温。然后进行960℃保温5h的渗碳，检测渗碳后晶粒的等效直径为33～35um。试验（2）析出相调整处理加热奥氏体化的温度为1000℃，在保温60min后1℃/s的冷速冷却到880℃时保温40min，然后以3.5℃/s的冷速快冷至560℃再保温60min，后续炉冷至室温。然后进行960℃保温5h的渗碳，检测渗碳后晶粒的等效直径为30～33um，晶粒图片见图1（a）。试验（3）析出相调整处理加热奥氏体化的温度为1100℃，在保温60min后1℃/s的冷速冷却到880℃时保温40min，然后以3.5℃/s的冷速快冷至560℃再保温60min，后续炉冷至室温。然后进行960℃保温5h的渗碳，检测渗碳后晶粒的等效直径为20～23um。试验（4）析出相调整处理加热奥氏体化的温度为1200℃，在保温60min后1℃/s的冷速冷却到880℃时保温40min，然后以3.5℃/s的冷速快冷至560℃再保温60min，后续炉冷至室温。然后进行960℃保温5h的渗碳，检测渗碳后晶粒的等效直径为16～20um，晶粒图片见图1（b）。试验（5）对未经过析出相调整处理的材料进行960℃保温5h的渗碳，检测渗碳后晶粒的等效直径为40～42um，晶粒图片见图1（c）。因此，本发明的析出相调整处理能有效控制第二相颗粒大量弥散析出并阻碍渗碳的时晶粒长大，细化渗碳后的晶粒。

Claims (5)

1.一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮的制造方法，工艺流程包括：锻造、机加工、渗碳淬火，其特征在于，在锻造工序和机加工工序之间设有析出相调整工序，所述析出相调整工序具体为：
S1，齿轮加热到1100℃～1250℃下奥氏体化，保温时间60min～90min，使微合金元素充分溶入奥氏体中；
S2，以0.5～3.5℃/s的冷速冷却到800℃～900℃，保温不超过90min，使第二相颗粒充分细小弥散析出；
S3，以2～3.5℃/s的冷速快冷至560℃～650℃再保温60～90min，形成细小珠光体和铁素体的平衡状态组织，同时使得相间沉淀析出细小第二相颗粒；
S4，炉冷至室温；
渗碳淬火的渗碳保温时间为5h，渗碳保温温度为960℃，最终获得渗碳齿轮成品；
第二相颗粒为TiN、VC、NbC、Nb（C、N）、V（C、N）、AlN中的一种或多种组合。
2.根据权利要求1所述的一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮的制造方法，其特征在于，第二相颗粒粒径不一，最小可达纳米级。
3.根据权利要求1所述的一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮的制造方法，其特征在于，S1的保温时间根据渗碳钢材料的尺寸决定，直径小于φ50mm的材料保温时间为60min～90min，尺寸较大时适当延长保温时间，保温时间大于90min，确保材料完全奥氏体化及第二相颗粒的充分溶解。
4.根据权利要求1所述的一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮的制造方法，其特征在于，渗碳齿轮所用20MnCr5齿轮钢化学成分百分比为，C：0.17～0.22；Si：≤0.25；Mn：1.1～1.5；Cr：1～1.3；V：≤0.05；Ti：≤0.03；N：0.009～0.018；Al：0.02～0.04，余量为Fe和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的一种组织均匀及晶粒细化的渗碳齿轮的制造方法，其特征在于，所用18CrNiMo7-6齿轮钢化学成分为，C：0.17～0.21；Si：0.17～0.35；Mn：0.5～0.9；Cr：1.5～1.7；Mo：0.25～0.35；Ni：1.4～1.7；V：≤0.05；Ti：≤0.03；Nb：≤0.05；N：0.009～0.018；Al：0.02～0.04，余量为Fe和不可避免的杂质。
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