CN112210713B - 齿轮钢及其热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及金属热处理技术领域，具体公开了一种齿轮钢及其热处理工艺，齿轮钢按照重量百分比由以下组分组成：0.47~0.55%C、0.17~0.37%Si、0.9~1.1%Mn、0.04~0.08%Mo、1.8~2.2%Cr、0.07~0.15%Ni、0.1~0.3%V、0.4~0.5%W、0.09~0.15%Ti、0.08~0.12%Nb、0.27~0.45%Cu、0.08~0.22%Ce、P≤0.015%、S≤0.015%，余量为Fe和不可避免的杂质；热处理工艺包括预热、渗碳处理、高温回火处理、淬火处理、低温回火处理。本申请具有降低齿轮产生裂纹可能的同时减少变形可能的优点。

Description

齿轮钢及其热处理工艺
技术领域
本申请涉及金属热处理技术领域，更具体地说，它涉及一种齿轮钢及其热处理工艺。
背景技术
齿轮是传递动力、传递扭矩的一种关键部件，广泛用于工程机械。目前，齿轮需要增加其表面的含碳量以增加零件的结构强度及表面硬度。
相关技术参考申请公开号为CN109628726A的中国发明专利申请，其公开了一种齿轮的热处理工艺，包括以下步骤：(1)锻件；(2)酸洗；(3)预热处理；(4)将炉温升至600-610℃，保温3小时；(5)将炉温升至800-810℃，保温3小时；(6)渗碳处理；(7)淬火；(8)回火；(9)清洗。
针对上述中的相关技术，申请人认为存在以下缺陷：重载齿轮采用这种热处理工艺时，其表面残留奥氏体过高，表面硬度过低，在后续磨削加工过程中重载齿轮极易产生裂纹。
发明内容
为了解决重载齿轮加工过程中出现裂纹的问题，本申请提供一种齿轮钢及其热处理工艺，具有降低齿轮加工过程中产生裂纹可能性的优点。
第一方面，本申请提供的一种齿轮钢采用如下技术方案：
一种齿轮钢，按照重量百分比由以下组分组成：0.47～0.55％C、0.17～0.37％Si、0.9～1.1％Mn、0.04～0.08％Mo、1.8～2.2％Cr、0.07～0.15％Ni、0.1～0.3％V、0.4～0.5％W、0.09～0.15％Ti、0.08～0.12％Nb、0.27～0.45％Cu、0.08～0.22％Ce、P≤0.015％、S≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质。
通过采用上述技术方案，C是耐磨钢中最基本、最重要的元素，高碳含量可以提高钢的强度和硬度，进而提高钢的耐磨性。Si固溶在铁素体和奥氏体中提高它们的硬度和强度，使得钢的耐磨性增加。Mn强烈增加钢的淬透性，降低齿轮钢转变温度和钢的临界冷却速度。另外，Mn能够与S形成熔点较高的MnS，可防止因FeS而导致的热脆现象。W可以与C结合形成硬质WC而增加钢的耐磨性。由于钢中加入Mn，当Mn含量较高时，有使晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性，从而容易导致铸坯中出现偏析和裂纹，降低钢板的性能，W可以增加钢的回火稳定性和热强性，并可以起到一定的细化晶粒作用，减弱Mn带来的副作用。
Cu与Cr或Ni结合能够增加齿轮钢的耐腐蚀性，在使用过程中，减小因腐蚀造成的损坏，降低了齿轮齿部受力后产生裂纹的可能。
P和Ni或Mn结合容易在晶界中聚集偏析，
Ce与S形成的化合物可取代MnS，该化合物在热加工变形时，仍保留细小的球形或纺锤形，较均匀地分布在齿轮钢中，消除了原先存在的呈长条状MnS等夹杂，明显改善横向韧性和高温塑性，在高温锻压形成齿轮毛坯时减少裂纹产生。此外，Ce的夹杂物的热膨胀系数和钢近似，避免齿轮钢在热加工冷却时在夹杂物周围产生大的附加应力，减小加工过程中产生裂纹的可能。
因此，该齿轮钢获得良好的加工过程防裂纹的效果。
优选的，齿轮钢按照重量百分比由以下组分组成：0.51％C、0.27％Si、1.0％Mn、0.06％Mo、2.0％Cr、0.11％Ni、0.2％V、0.45％W、0.12％Ti、0.1％Nb、0.36％Cu、0.15％Ce、0.01％P、0.01％S，余量为Fe和不可避免的杂质。
通过采用上述技术方案，齿轮钢具有相对最优的机械性能，齿轮加工过程中产生裂纹的可能性大大降低。
第二方面，本申请提供的一种齿轮钢的热处理工艺采用如下技术方案：
一种齿轮钢的热处理工艺，包括以下步骤：
S1：预热：将齿轮钢制作的齿轮在加热炉中预热处理，预热温度为350～400℃，保温20～30min；
S2：渗碳处理：渗碳时温度为910～920℃，碳势CP为1.40～1.45，保温4～6h；然后取出空冷至750～800℃，再放入100～120℃的淬火油中冷却20～30min，取出后空冷至室温；
S3：高温回火处理：将齿轮清洗干净后回火，回火温度为550～580℃，保温1.5～2h，空冷到室温；
S4：淬火处理：将齿轮加热到920～930℃，保温40～60min，然后水冷至室温；
S5：低温回火：将齿轮加热到200～220℃，保温40～60min，空冷至室温。
通过采用上述技术方案，回火过程中，Si能推迟碳化物的形核和长大，并有力地阻碍ε-碳化物转变为渗碳体。Cr、Mo、W、Ti也能推迟铁碳过饱和固溶体的分解。Mn和Ni促进这种分解。
Cr、Si、W、Mo能够进入渗碳体结构内，吧渗碳体颗粒粗化温度从350～400℃提高到500～550℃，从而抑制回火软化过程，同时阻碍铁素体的晶粒长大。
高温回火时，Mo与P交互作用，阻碍P在晶界偏聚，减轻高温回火脆性，减小齿轮在加工或使用中产生裂纹的可能。
优选的，热处理工艺包括以下步骤：
S1：预热：将齿轮钢制作的齿轮在加热炉中预热处理，预热温度为375℃，保温25min；
S2：渗碳处理：渗碳时温度为915℃，碳势CP为1.43，保温5h；然后取出空冷至775℃，再放入110℃的淬火油中冷却25min，取出后空冷至室温；
S3：高温回火处理：将齿轮清洗干净后回火，回火温度为565℃，保温1.75h，空冷到室温；
S4：淬火处理：将齿轮加热到925℃，保温50min，然后水冷至室温；
S5：低温回火：将齿轮加热到210℃，保温50min，空冷至室温。
通过采用上述技术方案，热处理后的齿轮具有良好的强度、硬度和耐磨性，且产生裂纹的可能性大大降低。
优选的，步骤S2中渗碳处理后进行扩散处理，炉温维持在900～910℃，保温2～3h，炉内碳势CP为1.25～1.27。
通过采用上述技术方案，齿轮表面有2mm深的渗碳层，大大增加齿轮表面的耐磨性。
优选的，步骤S2中渗碳的气压为60～70KPa，渗碳气氛为丙烷和乙醇的混合物，丙烷与乙醇体积比为2:1。
优选的，步骤2中渗碳处理时先升温至700～720℃保温30～45min，然后再继续升温至910～920℃进行渗碳。
通过采用上述技术方案，齿轮在渗碳前的临近温度先保温，使得各项组织均匀，然后渗碳时使得渗碳结果更为均匀。
优选的，渗碳处理升温过程的升温速率为60～70℃/min。
通过采用上述技术方案，渗碳速率不至于使齿轮产生较大的温差导致内应力增加，降低了渗碳过程中产生裂纹的可能。
综上所述，本发明具有以下有益效果：齿轮钢具有良好的强度、硬度和热处理过程中尺寸变化小，能够用于制造高精度齿轮，加工过程中具有良好的防裂纹产生效果。
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1
本申请实施例公开一种齿轮钢，按重量百分比由以下组分组成：
0.51％C、0.27％Si、1.0％Mn、0.06％Mo、2.0％Cr、0.11％Ni、0.2％V、0.45％W、0.12％Ti、0.1％Nb、0.36％Cu、0.15％Ce、0.01％P、0.01％S，余量为Fe和不可避免的杂质。
该种齿轮钢的热处理工艺如下：
S1：预热：将齿轮钢制作的齿轮在加热炉中预热处理，预热温度为375℃，保温25min；
S2：渗碳处理：渗碳时温度为915℃，碳势CP为1.43，保温5h；然后取出空冷至775℃，再放入115℃的淬火油中冷却25min，取出后空冷至室温；
S3：高温回火处理：将齿轮清洗干净后回火，回火温度为565℃，保温1.75h，空冷到室温；
S4：淬火处理：将齿轮加热到925℃，保温50min，然后水冷至室温；
S5：低温回火：将齿轮加热到210℃，保温50min，空冷至室温。
实施例2
本申请实施例公开一种齿轮钢，按重量百分比由以下组分组成：
0.47％C、0.17％Si、0.9％Mn、0.04％Mo、1.8％Cr、0.07％Ni、0.1％V、0.4％W、0.09％Ti、0.08％Nb、0.27％Cu、0.08％Ce、0.005％P、0.005％S，余量为Fe和不可避免的杂质。
该种齿轮钢的热处理工艺如下：
S1：预热：将齿轮钢制作的齿轮在加热炉中预热处理，预热温度为350℃，保温20min；
S2：渗碳处理：渗碳时温度为910℃，碳势CP为1.4，保温6h；然后取出空冷至750℃，再放入110℃的淬火油中冷却20min，取出后空冷至室温；
S3：高温回火处理：将齿轮清洗干净后回火，回火温度为550℃，保温1.5h，空冷到室温；
S4：淬火处理：将齿轮加热到920℃，保温40min，然后水冷至室温；
S5：低温回火：将齿轮加热到200℃，保温40min，空冷至室温。
实施例3
本申请实施例公开一种齿轮钢，按重量百分比由以下组分组成：
0.55％C、0.37％Si、1.1％Mn、0.08％Mo、2.2％Cr、0.15％Ni、0.3％V、0.5％W、0.15％Ti、0.12％Nb、0.45％Cu、0.22％Ce、0.015％P、0.015％S，余量为Fe和不可避免的杂质。
该种齿轮钢的热处理工艺如下：
S1：预热：将齿轮钢制作的齿轮在加热炉中预热处理，预热温度为400℃，保温30min；
S2：渗碳处理：渗碳时温度为920℃，碳势CP为1.46，保温4h；然后取出空冷至800℃，再放入120℃的淬火油中冷却30min，取出后空冷至室温；
S3：高温回火处理：将齿轮清洗干净后回火，回火温度为580℃，保温2h，空冷到室温；
S4：淬火处理：将齿轮加热到930℃，保温60min，然后水冷至室温；
S5：低温回火：将齿轮加热到220℃，保温60min，空冷至室温。
实施例4
与实施例1不同之处在于，齿轮钢中Cr为1.8％，Ni为0.07％，Cu为0.27％。
实施例5
与实施例2不同之处在于，齿轮钢中Mn为1.1％，Mo为0.08％，Ni为0.11％。
实施例6
与实施例3不同之处在于，齿轮钢中Ce含量为0.08％。
对比例1
与实施例1不同之处在于，齿轮钢中不含Ce。
对比例2
与实施例1不同之处在于，齿轮钢中不含Mo。
对比例3
与实施例1不同之处在于，齿轮钢中不含Ce和Mo。
对比例4
与实施例1不同之处在于，齿轮钢中不含Cr。
对比例5
与实施例1不同之处在于，齿轮钢中Cr为2.5％，Ni为0.07％，P为0.005％。
对比例6
与实施例1不同之处在于，热处理工艺步骤S3中回火温度为500℃。
对比例7
与实施例1不同之处在于，热处理工艺步骤S3中回火温度为430℃。
对比例8
与实施例1不同之处在于，热处理工艺包括以下步骤：
S1：预热：将齿轮钢制作的齿轮在加热炉中预热处理，预热温度为375℃，保温25min；
S2：淬火处理：将齿轮加热到925℃，保温50min，然后水冷至室温；
S3：高温回火处理：将齿轮清洗干净后回火，回火温度为565℃，保温1.75h，空冷到室温；
S4：渗碳处理：渗碳时温度为915℃，碳势CP为1.43，保温5h；然后取出空冷至775℃，再放入115℃的淬火油中冷却25min，取出后空冷至室温；
S5：低温回火：将齿轮加热到210℃，保温50min，空冷至室温。
对比例9
与实施例1不同之处在于，热处理工艺包括以下步骤：
S1：预热：将齿轮钢制作的齿轮在加热炉中预热处理，预热温度为375℃，保温25min；
S2：淬火处理：将齿轮加热到925℃，保温50min，然后水冷至室温；
S3：高温回火处理：将齿轮清洗干净后回火，回火温度为565℃，保温1.75h，空冷到室温。
对比例10
与实施例1不同之处在于，热处理工艺包括以下步骤：
S1：预热：将齿轮钢制作的齿轮在加热炉中预热处理，预热温度为375℃，保温25min；
S2：渗碳处理：渗碳时温度为915℃，碳势CP为1.43，保温5h；然后取出空冷至775℃，再放入115℃的淬火油中冷却25min，取出后空冷至室温；
S3：低温回火：将齿轮加热到210℃，保温50min，空冷至室温。
对实施例1-6以及对比例1-10中的齿轮在进行实体取样前，进行热处理前后尺寸变化测量记录，以研究变形情况，“+”表示热处理后尺寸增大，“-”表示热处理后尺寸减小，具体见表1。
表1齿轮尺寸变形量表
Figure BDA0002634583510000061
Figure BDA0002634583510000071
从实施例1-5和对比例1-10数据分析可以得出，Ce、Mo、Cr元素对于齿轮钢的尺寸变化有影响，缺少尤其是Cr元素超过2.2％时，齿轮的变形量突然增大。
将试样按照国标进行机械性能检测，得到的数据见表2。
表2齿轮机械性能检测表
Figure BDA0002634583510000072
Figure BDA0002634583510000081
根据表2中数据可以看出，该种热处理工艺能够提高齿轮钢的机械强度和表面硬度，提高齿轮的耐磨性，减小啮合过程中因外力导致的裂纹发生可能性。抗冲击性能高，提高齿轮钢加工过程中的外力冲击能力。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种齿轮钢，其特征在于，按照重量百分比由以下组分组成：0.47~0.55%C、0.17~0.37%Si、0.9~1.1%Mn、0.04~0.08%Mo、1.8~2.2%Cr、0.07~0.15%Ni、0.1~0.3%V、0.4~0.5%W、0.09~0.15%Ti、0.08~0.12%Nb、0.27~0.45%Cu、0.08~0.22%Ce、P≤0.015%、S≤0.015%，余量为Fe和不可避免的杂质；
经由热处理工艺制作，包括以下步骤：
S1：预热：将齿轮钢制作的齿轮在加热炉中预热处理，预热温度为350~400℃，保温20~30min；
S2：渗碳处理：渗碳时温度为910~920℃，碳势CP为1.40~1.45，保温4~6h；然后取出空冷至750~800℃，再放入100~120℃的淬火油中冷却20~30min，取出后空冷至室温；
S3：高温回火处理：将齿轮清洗干净后回火，回火温度为550~580℃，保温1.5~2h，空冷到室温；
S4：淬火处理：将齿轮加热到920~930℃，保温40~60min，然后水冷至室温；
S5：低温回火：将齿轮加热到200~220℃，保温40~60min，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的齿轮钢，其特征在于，按照重量百分比由以下组分组成：0.51%C、0.27%Si、1.0%Mn、0.06%Mo、2.0%Cr、0.11%Ni、0.2%V、0.45%W、0.12%Ti、0.1%Nb、0.36%Cu、0.15%Ce、0.01%P、0.01%S，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求1或2所述的齿轮钢的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：预热：将齿轮钢制作的齿轮在加热炉中预热处理，预热温度为350~400℃，保温20~30min；
S2：渗碳处理：渗碳时温度为910~920℃，碳势CP为1.40~1.45，保温4~6h；然后取出空冷至750~800℃，再放入100~120℃的淬火油中冷却20~30min，取出后空冷至室温；
S3：高温回火处理：将齿轮清洗干净后回火，回火温度为550~580℃，保温1.5~2h，空冷到室温；
S4：淬火处理：将齿轮加热到920~930℃，保温40~60min，然后水冷至室温；
S5：低温回火：将齿轮加热到200~220℃，保温40~60min，空冷至室温。
4.根据权利要求3所述的齿轮钢的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：预热：将齿轮钢制作的齿轮在加热炉中预热处理，预热温度为375℃，保温25min；
S2：渗碳处理：渗碳时温度为915℃，碳势CP为1.43，保温5h；然后取出空冷至775℃，再放入110℃的淬火油中冷却25min，取出后空冷至室温；
S3：高温回火处理：将齿轮清洗干净后回火，回火温度为565℃，保温1.75h，空冷到室温；
S4：淬火处理：将齿轮加热到925℃，保温50min，然后水冷至室温；
S5：低温回火：将齿轮加热到210℃，保温50min，空冷至室温。
5.根据权利要求3所述的齿轮钢的热处理工艺，其特征在于，步骤S2中渗碳处理后进行扩散处理，炉温维持在900~910℃，保温2~3h，炉内碳势CP为1.25~1.27。
6.根据权利要求3或4所述的齿轮钢的热处理工艺，其特征在于，步骤S2中渗碳的气压为60~70KPa，渗碳气氛为丙烷和乙醇的混合物，丙烷与乙醇体积比为2:1。
7.根据权利要求3所述的齿轮钢的热处理工艺，其特征在于，步骤2中渗碳处理时先升温至700~720℃保温30~45min，然后再继续升温至910~920℃进行渗碳。
8.根据权利要求7所述的齿轮钢的热处理工艺，其特征在于，渗碳处理升温过程的升温速率为60~70℃/min。
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