CN112126756A - 一种坯件的锻造及热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坯件的锻造及热处理工艺，包括以下步骤：s1、原料熔炼成型：将原材料熔炼、成型为圆柱形棒料；s2、锻造成型：将棒料通过3500t油压机成形，得到圆饼形锻料；s3、正火：将锻料装炉，在真空下以105℃/h的速率逐渐升温至883℃‑895℃，设置每1mm锻料厚度保温1.3min，然后将锻料分散空冷至室温，得到毛坯；s4、机械加工成型；s5、淬火；s6、回火。本发明的制备方法具有制得的产品硬度、抗变形性等机械性能以及硬度深度分布均匀，减小磨削量，节省资源的优点。

Description

一种坯件的锻造及热处理工艺

技术领域

本发明涉及齿轮加工的技术领域，更具体地说，它涉及一种坯件的锻造及热处理工艺。

背景技术

齿轮是汽轮机、发电机等大型设备中重要的机械传动零件，其质量高低直接影响着相关产品的性能水平。

申请公布号为CN108581398A的发明专利申请公开了一种高精度汽车用齿轮及其锻造方法，由以下重量百分比计的组分组成：碳0.16-0.2％、硅0.15-0.3％、锰0.75-1.0％、磷≦0.03％、硫≦0.02％、铬0.5-1.2％、铝0.01-0.03％、铜≦0.025％、砷≦0.2％、钛≦0.1％、锡≦0.01％，余量为铁；将原始坯料先进行多次循环加热冷却，接着表面打磨处理，再镦粗拔长至要求的规格；然后在坯料表面涂覆底漆和润滑油，在模具内成型，多余材料从溢流槽流出，最后经过热处理和后续处理，得到成品齿轮。该发明一次锻造成形，简化了成型工艺，缩短了生产周期，保证了齿轮的精度和强度，同时降低了成形载荷，延长模具的使用寿命对于上述相关技术，发明人认为存在有热处理后产品硬度、抗变形性等机械性能以及硬度深度分布不均，造成磨削时只能以最大的磨削深度为准，既增加了磨削工作量，又造成材料和加工能源浪费。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种坯件的锻造及热处理工艺，具有制得的产品硬度、抗变形性等机械性能以及硬度深度分布均匀，减小磨削量，节省资源的优点。

为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：一种坯件的锻造及热处理工艺，包括以下步骤：

s1、原料熔炼成型：将原材料熔炼、成型为圆柱形棒料；

s2、锻造成型：将棒料通过3500t油压机成形，得到圆饼形锻料；

s3、正火：将锻料装炉，在真空下以105℃/h的速率逐渐升温至883℃-895℃，设置每1mm锻料厚度保温1.3min，然后将锻料分散空冷至室温，得到毛坯；

s4、机械加工成型；

s5、淬火；

s6、回火。

通过采用上述技术方案，在锻造成型后增加正火步骤，可以提高毛坯的硬度并改善磨削加工性能，有利于后续机械加工成型操作。在真空下加热减小影响毛坯表面性能的可能性，进而减少整体磨削量，减少原料和能源用量，节约资源；此外还能获得索氏体组织，能够提高毛坯的机械性能分布的均匀性，进而减小工件局部受力变形的可能性，保证磨削深度一致，便于加工。

保温使得内外温度一致，进一步提高毛坯的机械性能和机械性能均匀性；还能够细化晶粒，起到防开裂和变形的作用。因此制得的齿轮各轮齿之间心部强度和齿轮其他部位相近，能够解决齿轮工作时发生变形甚至折断，进而不能保证主动齿轮和从动齿轮高度啮合，影响使用寿命的问题。

进一步地，所述坯件中各化学元素的成份重量百分比为：Mn、0.75-0.98％，Ni、0.61-0.83％，Mo、0.24-0.28％，P≤0.03％，C、0.23-0.27％，S≤0.01％，Si、0.22-0.31％，Cr、0.83-0.98％，W、0.80-1.00％，Ag、0.03-0.07％，余量为Fe及杂质。

通过采用上述技术方案，调节各元素重量百分比，配合制得的原料淬透性更好，提高表面硬度，减小轮齿被磨损变形的可能性，有利于主动齿轮和从动齿轮啮合，延长使用寿命。提高内部机械性能分布均匀性，既能减小磨削量，也能使得成品成型后轮齿之间的机械性能也相近，减小局部磨损和变形，延长使用寿命。此外，Ag元素能够在正品使用时起到抑菌和杀菌的作用，减小工件在使用过程中的耐菌性，减小被微生物及其分泌物侵蚀的可能性，进一步延长齿轮产品的使用寿命。

进一步地，所述锻造成型步骤包括两个火次：第一火次：锻造温度为980-1150℃；将棒料依次重复3次进行拔长和镦粗，终锻温度≥860℃，然后将棒料放入锻造加热炉中加热至1150℃，加热时间与棒料厚度正相关，每100mm厚度的棒料加热0.3-0.6h；第二火次：锻造温度为1100-1130℃，然后将棒料拔长后镦粗成型，终锻温度≥820℃，然后空冷至360-380℃，得到锻料。

通过采用上述技术方案，分两次火次更容易减小锻造变形，减少磨削量和开裂的可能性，使得锻件内部组织均匀，改善疏松及偏析现象，提高韧性，增加抗疲劳性，从而提高使用寿命。

进一步地，所述原料熔炼成型步骤中，所述原料熔炼成型步骤中，先将原材料初步混匀后，在真空中下加入电弧炉进行熔炼、混匀，然后进行真空脱气，最后通过模具成型为圆柱形棒料。

通过采用上述技术方案，真空加热能够减小影响棒料表面性能的可能性，从而提高棒料的淬透性，纯净度和晶粒细度，提高原料有效利用率，减少资源浪费。

进一步地，所述第二火次中的镦粗成型方法为通过模具自由镦粗并与模腔侧壁接触，冷却后再经过预成型将中间孔冲出并在轮辐处压出减压分流槽。

通过采用上述技术方案，预成型将中间孔冲出并在轮辐处压出减压分流槽能够减压、降低成型力，制得的煅料在台阶过渡位置强度更佳，并且轮缘、轮毂充型质量提高，提高整体机械性能，减小机械性能分布不均的可能性。

进一步地，所述淬火步骤中，以165℃/h的速率逐渐升温至805-825℃，设置每1mm后的保温时间为2.1min进行保温后，自然降温至600-610℃，然后通过冷却介质降温至420-430℃，再空冷至200-210℃后，最后通过冷却介质降温至常温。

通过采用上述技术方案，采用分级淬火能够减小冷却时组织应力和热应力，减小开裂变形的可能性，同时获得均匀细小的奥氏体，提高了力学性能。

进一步地，其特征在于，所述冷却介质以中性石蜡基油为基础油，加入3-5％的聚乙烯醇。

通过采用上述技术方案，中性石蜡基油适用于高淬透性的工件，淬火变形小，加入3-5％的聚乙烯醇调配，能够提高中性石蜡基油的冷却能力，并提高其使用温度，提高其适用范围，还能降低中性石蜡基油发生火灾的可能性。两者复配使用淬透力强，相对于普通机油，得到高且均匀的表面硬度和足够的淬硬深度，并进一步减小淬火变形和产生裂纹的可能性，并且工件淬硬均匀。

进一步地，所述回火步骤的回火温度为530-590℃，回火过程的保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.5-3min，然后流动水冷却至室温。

通过采用上述技术方案，能够降低脆性，减少内应力，提高力学性能，有利于稳定工件尺寸，能够适当降低高淬透性的工件磨削层硬度，便于精加工，流动水冷却速度快，能够减小高温脆性，冷却均匀，使得硬度分散均匀。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例

实施例1

一种坯件的锻造及热处理工艺，包括以下步骤：

s1、原料熔炼成型：先将原材料通过搅拌器初步混匀后，加入电弧炉中进行熔炼、混匀，最后通过圆筒形的模具成型为圆柱形棒料，棒料中的各化学元素的成份重量百分比为：Mn、0.75％，Ni、0.61％，Mo、0.24％，P、0.03％，C、0.23％，S、0.01％，Si、0.22％，Cr、0.83％，W、0.80％，Ag、0.03％，余量为Fe及杂质；

s2、锻造成型：将棒料通过3500t油压机加工成形得到圆饼形锻料；

s3、正火：将锻料装炉，在真空下以105℃/h的速率逐渐升温至883℃，根据锻料的厚度设置保温时间为1.3min/mm，然后将锻料分散空冷至室温，得到毛坯；

s4、机械加工成型；

s5、淬火；

s6、回火。

实施例2

与实施例1的区别在于：原料熔炼成型步骤中，棒料中的各化学元素的成份重量百分比为：Mn、0.85％，Ni、0.75％，Mo、0.26％，P、0.02％，C、0.25％，S、0.01％，Si、0.27％，Cr、0.91％，W、0.90％，Ag、0.05％，余量为Fe及杂质；正火步骤中，将锻料装炉后，在真空下以105℃/h的速率逐渐升温至895℃，设置每1mm锻料厚度保温1.3min进行保温，然后将锻料分散空冷至室温，得到毛坯。

实施例3

与实施例1的区别在于：原料熔炼成型步骤中，棒料中的各化学元素的成份重量百分比为：Mn、0.98％，Ni、0.83％，Mo、0.28％，P、0.01％，C、0.27％，S、0.01％，Si、0.31％，Cr、0.98％，W、1.00％，Ag、0.07％，余量为Fe及杂质；锻造成型步骤中棒料首先经过第一火次加热至980℃，然后将棒料通过3500t油压机依次重复3次进行拔长和镦粗，终锻温度860℃，然后将棒料放入锻造加热炉中加热至1150℃，加热时间与棒料厚度正相关，每100mm厚度的棒料加热0.3h；再进行第二火次，锻造温度为1100℃，然后将棒料拔长后镦粗成型，终锻温度820℃，然后空冷至360℃，得到锻料。

实施例4

与实施例3的区别在于：锻造成型步骤中，棒料首先经过第一火次加热至1150℃，然后将棒料通过3500t油压机依次重复3次进行拔长和镦粗，终锻温度880℃，然后将棒料放入锻造加热炉中加热至1150℃，加热时间与棒料厚度正相关，每100mm厚度的棒料加热0.6h；再进行第二火次，锻造温度为1130℃，然后将棒料拔长后镦粗成型，终锻温度830℃，然后空冷至380℃，得到锻料。

实施例5

与实施例1的区别在于：原料熔炼成型步骤中，在电弧炉中真空环境下熔炼、混匀。

实施例6

与实施例4的区别在于：锻造成型步骤中，第二火次中的镦粗成型方法为通过模具自由镦粗并与模腔侧壁接触，冷却后再经过预成型将中间孔冲出并在轮辐处压出减压分流槽。

实施例7

与实施例1的区别在于：淬火步骤中，以165℃/h的速率逐渐升温至805℃，设置每1mm后的保温时间为2.1min进行保温后，自然降温至600℃，然后通过冷却介质降温至420℃，再空冷至200℃后，最后通过冷却介质降温至常温。

实施例8

与实施例7的区别在于：淬火步骤中，以165℃/h的速率逐渐升温至825℃，设置每1mm后的保温时间为2.1min进行保温后，自然降温至610℃，然后通过冷却介质降温至430℃，再空冷至210℃后，最后通过冷水降温至常温。

实施例9

与实施例1的区别在于：冷却介质以中性石蜡基油为基础油，加入3％的聚乙烯醇。

实施例10

与实施例9的区别在于：加入5％的聚乙烯醇到中性石蜡基油中。

实施例11

与实施例1的区别在于：回火步骤的回火温度为590℃，回火过程的保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.5min，然后流动水冷却至室温。

实施例12

与实施例11的区别在于：回火步骤的回火温度为530℃，回火过程的保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温3.0min，然后流动水冷却至室温。

对比例

对比例1

与实施例1的区别在于：原料采用欧标42GrMo4v钢，即各化学元素的成份重量百分比为：Mn、0.60-0.80％，Ni≤0.30％，Mo、0.15-0.30％，P≤0.025％，C、0.41-0.45％，S≤0.025％，Si、0.17-0.37％，Al0.01-0.04％，O≤20PPM，H≤2.0PPM，Cr、0.90-1.20％，W、0.80-1.00％，Cu≤0.20％，余量为Fe及杂质。

对比例2

与实施例1的区别在于：淬火前无正火步骤。

检测数据

以上实施例1-实施例12的机械性能如表1所示：

表1实施例1-实施例12的机械性能

以上对比例1-对比例2的机械性能如表2所示：

表2对比例1-对比例2的机械性能

由以上数据可以看出：

1、由实施例1-实施例3数据和对比例1相比可以看出，由于降低了P、S等有害元素，调节了各元素重量百分比，制得的原料淬透性更好，能够提高锻件获得淬硬层深度的能力，从而提高表面硬度，减小轮齿被磨损变形的可能性，有利于主动齿轮和从动齿轮啮合，延长使用寿命。其次，得到的晶粒细小，提高内部机械性能分布均匀性，既能减小磨削量，也能使得成品成型后轮齿之间的机械性能也相近，减小局部磨损和变形，延长使用寿命。W和Mo可有效抑制脆性产生，减小轮齿断裂的可能性。

2、由实施例1-实施例2的数据和对比例2对比可以看出，正火温度以105℃/h的速率逐渐升温至883-895℃时，都可以起到细化晶粒、消除网状碳化物和二次渗碳体的作用，从而提高毛坯的硬度并改善磨削加工性能。真空下加热既能减小锻料发生氧化、脱碳的可能性，从而减小影响毛坯表面性能的可能性，进而减少整体磨削量。获得的铁素体与渗碳体的机械混合物-索氏体组织，其晶粒比珠光体组织更细，且内部碳化物呈球状均匀分散，能够提高毛坯的机械性能分布的均匀性，进而减小工件局部受力变形的可能性，保证磨削深度一致。

3、有实施例4和实施例1对比可以看出，第一火次主要是对锻造变形起到过渡作用，释放锻造应力，更容易减小锻造变形，减少磨削量和开裂的可能性。通过第二火次加大锻造比，使得网状碳化物完全破碎，消除铸态组织，使得锻件内部组织均匀，改善疏松及偏析现象。有效减少棒料中的高温铁素体组织，使得在后续的正火步骤中更多的得到索氏体组织，使锻件晶粒度细化，提高韧性，增加抗疲劳性，从而提高使用寿命。

4、由实施例5和实施例1对比可以看出，真空加热能够减小原料暴露在空气中发生氧化、脱碳，从而减小影响棒料表面性能的可能性。

5、由实施例6和实施例4相比可以看出，由于材料缓慢挤入模腔过程中，逐渐进入不同的三向压应力状态，变形金属的流动收到模腔侧壁影响，使得材料在高度方向的变形速度不均匀，中间快、上下慢，由于成型受力时成型力过大，容易出现轮毂、轮辐和轮缘台阶处充型不满、打塔的现象。而预成型将中间孔冲出并在轮辐处压出减压分流槽能够起到一定的减压作用，降低成型力，制得的煅料在台阶过渡位置强度更佳，并且轮缘、轮毂充型质量提高，提高整体机械性能，减小机械性能分布不均的可能性。

6、由实施例7-实施例8数据可以看出，采用分级淬火能够减小冷却时组织应力和热应力，减小开裂变形的可能性。能够弥补由于提高了Mn和Cr含量，在提高淬透性的同时，也增大了淬火开裂的可能性的问题。同时以上淬火参数范围还有利于获得均匀细小的奥氏体，提高力学性能。

7、由实施例9-实施例10的数据可以看出，中性石蜡基油相对于普通的冷水冷却介质闪点高、黏度低、油烟少、抗氧化性和热稳定性好，而且使用寿命长，因此适用于高淬透性的工件，淬火变形小。加入聚乙烯醇调配，能够进一步提高中性石蜡基油的冷却能力，并提高其使用温度，提高其适用范围，随着聚乙烯醇含量在一定范围增加时，促进作用增加。两者复配使用在高温区冷却快、低温区冷却速度慢，淬透力强，相对于普通机油，得到高且均匀的表面硬度和足够的淬硬深度，并进一步减小淬火变形和产生裂纹的可能性，并且工件淬硬均匀。

8、由实施例11-实施例12的数据可知，在实施例11-实施例12的参数范围内回火能够降低脆性，减少内应力，提高力学性能，有利于稳定工件尺寸，能够适当降低高淬透性的工件磨削层硬度，便于精加工，流动水冷却速度快，能够减小高温脆性，冷却均匀，使得硬度分散均匀。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种坯件的锻造及热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：

s1、原料熔炼成型：将原料熔炼、成型为棒料；

s2、锻造成型：将棒料通过3500t油压机成形得到圆饼形锻料；

s3、正火：将锻料装炉，在真空下以105℃/h的速率逐渐升温至883-895℃，设置每1mm锻料厚度保温1.3min，然后将锻料分散空冷至室温，得到毛坯；

s4、机械加工成型；

s5、淬火；

s6、回火。

2.根据权利要求1所述的一种坯件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述坯件中各化学元素的成份重量百分比为：Mn、0.75-0.98%，Ni、0.61-0.83%，Mo、0.24-0.28%，P≤0.03%，C、0.23-0.27%，S≤0.01%，Si、0.22-0.31%，Cr、0.83-0.98%，W、0.80-1.00%，Ag、0.03-0.07%，余量为Fe及杂质。

3.根据权利要求1所述的一种坯件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述锻造成型步骤包括两个火次：第一火次：锻造温度为980-1150℃；将棒料依次重复3次进行拔长和镦粗，终锻温度≥860℃，然后将棒料放入加热炉中加热至1150℃，加热时间与棒料厚度正相关，每100mm厚度的棒料加热0.3-0.6h；第二火次：锻造温度为1100-1130℃，然后将棒料拔长后镦粗成型，终锻温度≥820℃，然后空冷至360-380℃，得到锻料。

4.根据权利要求3所述的一种坯件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述原料熔炼成型步骤中，先将原材料初步混匀后，在真空中下加入电弧炉进行熔炼、混匀，然后进行真空脱气，最后通过模具成型为圆柱形棒料。

5.根据权利要求4所述的一种坯件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述第二火次中的镦粗成型方法为通过模具自由镦粗并与模腔侧壁接触，冷却后再经过预成型将中间孔冲出并在轮辐处压出减压分流槽。

6.根据权利要求3所述的一种坯件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述淬火步骤中，以165℃/h的速率逐渐升温至805-825℃，设置每1mm后的保温时间为2.1min进行保温后，自然降温至600-610℃，然后通过冷却介质降温至420-430℃，再空冷至200-210℃后，最后通过冷却介质降温至常温。

7.根据权利要求6所述的一种坯件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述淬火步骤中，介质以中性石钠基油为基础油，加入3-5%的聚乙烯醇。

8.根据权利要求1所述的一种坯件的锻造及热处理工艺，其特征在于，所述回火步骤的回火温度为230-290℃，回火过程的保温时间与锻件厚度正相关，每1mm厚度的锻件保温2.5-3min，然后流动水冷却至室温。