CN111621623A - 一种薄壁环形类渗碳直淬零件的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄壁环形类渗碳直淬零件的热处理方法，其特征在于，步骤包括：a.锻造成型，将圆钢原料加热后经模锻、冲孔、辗扩后成型；b.余热淬火，将终锻后的红热锻坯快速转移至保温炉中冷却，将锻坯在840～930℃时进行出炉淬火；c.两段式高温回火，淬火后的两小时内，先将锻坯放入600～680℃的电阻炉中保温1～1.5h后出炉冷却至室温；再将锻坯放入730～750℃的电阻炉中保温1.5～2h后出炉冷却至室温；d.锻坯进行粗加工处理、精加工处理、渗碳处理、亚温淬火处理、低温回火处理。本发明利用两段式高温回火使锻坯不同部位的金相组织更趋于一致，为细致均匀的球粒状组织；缩短了生产周期，且生产出的环形薄壁类渗碳零件各部位组织更为均匀，渗碳淬火变形得到有效控制。

Description

一种薄壁环形类渗碳直淬零件的热处理方法
技术领域
本发明涉及低碳钢的热处理，具体地指一种薄壁环形类渗碳直淬零件的热处理方法。
背景技术
目前，变速箱薄壁环形类渗碳零件常采用压淬工艺来控制渗碳淬火后的热处理变形，但压淬设备投入成本高，生产效率低，严重降低渗碳炉的产能。因此，由压淬工艺改直淬工艺是提高产能的必经途径。通过技术优化方案设计，如调整渗碳工艺参数、优化淬火夹具和零件装载方式等途径，开发并实现直淬工艺。然而，某些薄壁环形类零件在采用直淬工艺后的热处理变形不合格率仍居高不下，可达5-12％，需要对其进行进一步的优化和控制。在影响渗碳直淬零件热处理变形的因素中，往往集中在渗碳淬火方面，容易忽视锻坯预先热处理对热处理变形的影响。
国内对需渗碳热处理的环形钢制零件的锻坯预处理采用等温正火或锻造余热等温正火工艺。通过控制等温正火工艺参数，使珠光体转变在等温温度下进行，有效地控制先共析铁素体、贝氏体、马氏体等不良组织产生。由于材料化学成分、冶金偏析、成型方式及等温正火工艺等因素的影响，特别是含镍含钼渗碳钢，锻坯各部位形成的金相组织很难均匀一致，局部甚至会出现少量的贝氏体和马氏体，使得零件在后续渗碳过程中热处理变形难以控制。
由于现有技术缺点为：1.薄壁环形类零件渗碳后采用直淬工艺，不合格率较高，需要对不合格件进行压淬工艺返修，成本增加。2.锻坯预处理采用等温正火或锻造余热等温正火工艺，锻件各部位组织没有达到均匀一致，随后的渗碳淬火过程中组织均匀性差，导致零件各部位有效硬化层深波动较大。因此，需要开发出一种薄壁环形类渗碳直淬零件的热处理方法，有效控制薄壁环形类零件渗碳直淬后的热处理变形。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种工艺简单、组织均匀、有效控制热处理变形的薄壁环形类渗碳直淬零件的热处理方法。
本发明的技术方案为：一种薄壁环形类渗碳直淬零件的热处理方法，其特征在于，步骤包括：
a.锻造成型
将圆钢原料加热后经模锻、冲孔、辗扩后成型为环形零件锻坯，终锻温度控制为980～1080℃；
b.余热淬火
利用锻造余热，将终锻后的红热锻坯快速转移至保温炉中冷却，将锻坯在840～930℃时进行出炉淬火；
c.两段式高温回火
淬火后的两小时内对锻坯进行两段式高温回火：先将锻坯放入600～680℃的电阻炉中保温1～1.5h后出炉冷却至室温；再将锻坯放入730～750℃的电阻炉中保温1.5～2h后出炉冷却至室温；
d.锻坯进行粗加工处理、精加工处理、渗碳处理、亚温淬火处理、低温回火处理。
优选的，步骤a中，圆钢原料加热至1150～1250℃后经模锻、冲孔、辗扩后成型为环形零件锻坯。
优选的，步骤b中，淬火介质为65℃的PAG水基淬火剂或淬火油。
优选的，步骤d中渗碳处理为：将锻坯放入多用炉内，380～500℃下进行预氧化处理→850～900℃下进行强渗处理，控制环境碳势0.75～1.0％C→840～880℃下进行高温扩散，控制环境碳势0.65～0.75％C→830～850℃下进行低温扩散，控制环境碳势0.65～0.70％C，渗碳处理的层深要求为0.3～0.9mm。所述强渗处理、高温扩散、低温扩散的处理温度依次降低。
优选的，步骤d中，亚温淬火处理为：锻坯直接入油淬火，锻坯淬火温度为800～830℃，淬火油温为110～155℃。
优选的，步骤d中，低温回火处理为：锻坯140～180℃下回火1h。
在等温正火过程中，薄壁环形类锻坯由于锻造应力的存在，为局部晶粒的长大及不良组织的形成提供了驱动力，先共析铁素体的析出造成组织偏析，导致带状组织甚至贝氏体或马氏体组织的形成，金相组织的一致性不好。与等温正火工艺不同，本发明中的锻造余热淬火可将奥氏体化后的锻坯从高温迅速降到较低温度，钢中的合金元素来不及从晶格中析出，淬火后的成分及组织分布更加均匀。
本发明的有益效果为：
1.淬火后采用两段式高温回火工艺：第一阶段高温回火设定为600～680℃保温1～1.5h，使锻坯的马氏体组织全部转变为细致均匀的索氏体组织，可消除锻坯淬火残余应力，稳定组织，大幅降低硬度，为第二阶段的超高温回火做好组织准备；第二阶段超高温回火设定为730～750℃保温1.5～2h，使索氏体组织中的渗碳体趋于球化，可使锻坯的组织更加均匀细致，接近球化组织，进一步降低硬度，提高锻坯后续的切削加工性能。针对不同材料采用特定的回火温度和保温时间，可使环形薄壁类锻坯的硬度达到170～240HB。
2.薄壁环形类渗碳直淬零件在渗碳热处理后的亚温淬火过程中，由于是在略低于AC3的两相区温度进行淬火，故在淬火前零件的组织中会析出少量铁素体，铁素体呈弥散细针状分布，使得淬火后的马氏体硬相之间分布着铁素体软相，从而为奥氏体向马氏体转变的体积膨胀提供缓冲，减小组织应力给零件淬火变形带来的影响。本发明显著改善了零件渗碳淬火后各部位的组织均匀性，使热处理变形得到有效控制。
3.利用锻造余热进行淬火，节约了大量能源；锻坯不同部位的金相组织更趋于一致，为细致均匀的球粒状组织；缩短了生产周期，且生产出的环形薄壁类渗碳零件各部位组织更为均匀，渗碳淬火变形得到有效控制。
附图说明
图1是本发明工艺流程图；
图2是本发明应用的某变速箱20CrMnTiH滑动齿套实物零件照片；
图3是本发明应用后20CrMnTiH滑动齿套锻坯的金相照片(左右图的观察倍数分别为500×和1000×)；
图4是本发明应用的某变速箱20MnCr5H啮合锥环实物零件照片；
图5是本发明应用后20MnCr5H啮合锥环锻坯的金相照片(左右图的观察倍数分别为500×和1000×)。
图6是本发明应用的某变速箱20CrMoH滑动齿套实物零件照片；
图7是本发明应用后20CrMoH滑动齿套锻坯的金相照片(左右图的观察倍数分别为500×和1000×)；
具体实施方式
下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
某变速箱20CrMnTiH滑动齿套，实物零件照片如图2所示。渗碳后采用直接淬火工艺进行生产，渗碳工艺层深要求0.3～0.6mm。
本发明提供上述零件的热处理方法，如图1所示，具体工艺为：
a.锻造成型
将20CrMnTiH圆钢加热至1150℃，经模锻、冲孔、辗扩后成型为滑动齿套毛坯，终锻温度为980℃，完全奥氏体化；
b.余热淬火
利用锻造余热，将红热锻坯迅速转移至保温炉中，控制冷却速度和冷却时间(4～8℃/min的速度冷却保持15～30min)；将锻坯在860℃时进行出炉淬火，淬火介质为65℃的PAG水基淬火剂；
c.两段式高温回火
在淬火后的1h内对锻坯进行两段式高温回火：①将锻坯放入680℃的电阻炉中保温1.5h后出炉冷却至室温；②将第一阶段保温后的锻坯加热至750℃进行第二阶段2h的保温；随后将锻坯取出空冷至室温，经两段式高温回火后，滑动齿套锻坯的金相组织为细致均匀的球粒状组织(见图3)，硬度为190-195HB；
d.锻坯进行粗加工处理、精加工处理、渗碳处理、亚温淬火处理、低温回火处理；
锻坯经粗、精车加工及内花键拉削等工序加工至滑动齿套尺寸精度要求；之后采用多用炉进行渗碳处理：450℃预氧化→强渗(900℃，碳势1.0％C)→高温扩散(880℃，碳势0.75％C)→低温扩散(840℃，碳势0.70％C)；紧接着进行亚温淬火：渗碳后直接整体式入油淬火，淬火温度为830℃，淬火油温为155℃；将淬火、清洗后的滑动齿套进行170℃×1h的低温回火。
本实施例中，滑动齿套锻坯采用“860℃锻造余热淬火+(680℃×1.5h+750℃×2h)两段式高温回火”，图3所示，金相组织更为细致均匀，无带状组织或其他异常组织出现；锻坯的硬度为190～195HB，切削加工性能良好；与锻坯等温正火相比，采用该发明工艺生产的滑动齿套渗碳直淬后因热处理变形导致的不合格率由原来的5.5％降至1％以下，有效地改善了产品质量，节约了生产成本。
实施例2
某变速箱20MnCr5H啮合锥环，实物零件照片如图4所示。渗碳后采用直接淬火工艺进行生产，渗碳工艺层深要求0.5～0.9mm。
本发明提供上述零件的热处理方法，如图1所示，具体工艺为：
a.锻造成型
将20MnCr5H圆钢加热至1200℃，经模锻、冲孔、辗扩后成型为啮合锥环锻坯，终锻温度为1050℃；
b.余热淬火
利用锻造余热，将锻坯转移至保温炉中冷却，控制冷速和冷却时间(4～8℃/min速度冷却保持15～30min)；930℃出炉淬火，淬火介质为65℃的淬火油；
c.两段式高温回火
在淬火后的0.5h内对锻坯进行超高温区两段式回火：①将锻坯转移至650℃的电阻炉中保温1h后出炉冷却至室温；②将第一阶段回火后的锻坯加热至730℃进行第二阶段1.8h的保温；随后将锻坯取出空冷至室温，经检测，啮合锥环锻坯的金相组织为细致均匀的球粒状组织(见图5)，硬度为178-183HB；
d.锻坯进行粗加工处理、精加工处理、渗碳处理、亚温淬火处理、低温回火处理
锻坯经粗、精车加工及内花键拉削等工序加工至啮合锥环尺寸精度要求；之后采用爱协林连续渗碳炉进行渗碳处理：380℃预氧化→强渗(850℃，碳势0.85％C)→高温扩散(840℃，碳势0.65％C)→低温扩散(830℃，碳势0.65％C)；紧接着进行亚温淬火：渗碳后啮合锥环直接整体式入油淬火，淬火温度为820℃，淬火油温为140℃；将淬火、清洗后的滑动齿套进行180℃×1h的低温回火。将回火后的锻件进行粗、精车加工及内花键拉削等加工至啮合锥环成品件尺寸精度技术要求。
啮合锥环锻坯采用“930℃锻造余热淬火+(650℃×1h+730℃×1.8h)两段式高温回火”，如图5所示，金相组织为细致均匀的球粒状组织，硬度为178～183HB，切削加工性能良好；与锻坯等温正火相比，采用该发明工艺生产的啮合锥环因渗碳直淬后热处理变形导致的不合格率由原来的10.75％降至0.43％，大大改善了产品质量，节约了生产成本。
实施例3
某变速箱20CrMoH滑动齿套，实物零件照片如图6所示。渗碳后采用直接淬火工艺进行生产，渗碳工艺层深要求0.3～0.9mm。
本发明提供上述零件的热处理方法，如图1所示，具体工艺为：
a.锻造成型
将20CrMoH圆钢加热至1250℃，经模锻、冲孔、辗扩后成型为滑动齿套毛坯，终锻温度为1080℃，完全奥氏体化；
b.余热淬火
利用锻造余热，将红热锻坯迅速转移至保温炉中，控制冷却速度和冷却时间(4～8℃/min的速度冷却保持15～30min)；将锻坯在840℃时进行出炉淬火，淬火介质为65℃的淬火油；
c.两段式高温回火
在淬火后的2h内对锻坯进行两段式高温回火：①将锻坯放入600℃的电阻炉中保温1.3h后出炉冷却至室温；②将第一阶段保温后的锻坯加热至740℃进行第二阶段1.5h的保温；随后将锻坯取出空冷至室温，经两段式高温回火后，滑动齿套锻坯的金相组织为细致均匀的球粒状组织(见图7)，硬度为184-189HB；
d.锻坯进行粗加工处理、精加工处理、渗碳处理、亚温淬火处理、低温回火处理
锻坯经粗、精车加工及内花键拉削等工序加工至滑动齿套尺寸精度要求；之后采用爱协林连续渗碳炉进行渗碳处理：500℃预氧化→强渗(880℃，碳势0.75％C)→高温扩散(860℃，碳势0.65％C)→低温扩散(830℃，碳势0.65％C)；紧接着进行亚温淬火：渗碳后直接整体式入油淬火，淬火温度为800℃，淬火油温为110℃；将淬火、清洗后的滑动齿套进行140℃×1h的低温回火。
本实施例中，滑动齿套锻坯采用“840℃锻造余热淬火+(600℃×1.3h+740℃×1.5h)两段式高温回火”，如图7所示，金相组织更为细致均匀，无带状组织或其他异常组织出现；锻坯的硬度为184～189HB，切削加工性能良好；与锻坯等温正火相比，采用该发明工艺生产的滑动齿套渗碳直淬后因热处理变形导致的不合格率由原来的12％降至1.5％以下，有效地改善了产品质量，节约了生产成本。

Claims (6)

1.一种薄壁环形类渗碳直淬零件的热处理方法，其特征在于，步骤包括：
a.锻造成型
将圆钢原料加热后经模锻、冲孔、辗扩后成型为环形零件锻坯，终锻温度控制为980～1080℃；
b.余热淬火
利用锻造余热，将终锻后的红热锻坯快速转移至保温炉中冷却，将锻坯在840～930℃时进行出炉淬火；
c.两段式高温回火
淬火后的两小时内对锻坯进行两段式高温回火：先将锻坯放入600～680℃的电阻炉中保温1～1.5h后出炉冷却至室温；再将锻坯放入730～750℃的电阻炉中保温1.5～2h后出炉冷却至室温；
d.粗加工、精加工、渗碳处理、亚温淬火处理、低温回火处理。
2.如权利要求1所述的薄壁环形类渗碳直淬零件的热处理方法，其特征在于，步骤a中，圆钢原料加热至1150～1250℃后经模锻、冲孔、辗扩后成型为环形零件锻坯。
3.如权利要求1所述的薄壁环形类渗碳直淬零件的热处理方法，其特征在于，步骤b中，将终锻后的红热锻坯快速转移至保温炉中以4～8℃/min的速度冷却，将锻坯在840～930℃时进行出炉淬火，淬火介质为65℃的PAG水基淬火剂或淬火油。
4.如权利要求1所述的薄壁环形类渗碳直淬零件的热处理方法，其特征在于，步骤d中渗碳处理为：将锻坯放入炉内，380～500℃下进行预氧化处理→850～900℃下进行强渗处理，控制环境碳势0.75～1.0％C→840～880℃下进行高温扩散，控制环境碳势0.65～0.75％C→830～850℃下进行低温扩散，控制环境碳势0.65～0.70％C；渗碳处理的层深要求为0.3～0.9mm。
5.如权利要求1所述的薄壁环形类渗碳直淬零件的热处理方法，其特征在于，步骤d中，亚温淬火处理为：锻坯直接入油淬火，锻坯淬火温度为800～830℃，淬火油温为110～155℃。
6.如权利要求1所述的薄壁环形类渗碳直淬零件的热处理方法，其特征在于，步骤d中，低温回火处理为：锻坯140～180℃下回火1h。
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