CN112359187A - 一种柔轮材料及热处理工艺方法 - Google Patents

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Abstract

一种柔轮材料及热处理工艺方法，包括如下步骤：准备柔轮材料；依次对柔轮材料进行均匀化退火、多向锻造、双重正火、循环等温退火、快速循环淬火和去应力退火，完成对柔轮材料的热处理。通过均匀化退火得到均一组织；通过多向锻打，消除基材宏观与微观材料缺陷；通过双重正火消除锻打引起的碳化物偏析，细化晶粒；通过循环等温退火细化碳化物尺寸，实现碳化物球化，提高切削性与材质均匀性；通过快速循环淬火大幅细化晶粒尺寸，实现超晶组织，在不降低材料强度的基础上，大幅提高材料的韧性，满足柔轮抗冲击性与高疲劳性要求；通过去应力退火，消除内应力，提高柔轮加工尺寸的稳定性。

Description

一种柔轮材料及热处理工艺方法
技术领域
本发明涉及一种柔轮材料及热处理工艺方法，实现柔轮基材的高强度、高纯度、高韧性，满足高端领域对谐波减速器超长使用寿命需求。
背景技术
柔轮作为谐波减速器中最为薄弱也是最易发生疲劳破坏的零件，其材料及热处理技术是整个柔轮的核心关键技术。目前国内外柔轮普遍采用高品质合金钢材料(如40CrNiMoA、40Cr等材料)，这类材料存在防腐性与强韧性较差，究其原因在于基材中Ni元素含量较低致使防腐性能较差，缺少Nb、V与Ti等微细化合金元素致使基材难以实现超细晶组织(晶粒度高于12级)。在热处理工艺方面由于国内外厂商技术保密，鲜有公开的文献与专利，目前在柔轮热处理工艺方面，国内厂商普遍采用普通调质(淬火+高温回火)的工艺，该工艺方法使得基材的晶粒度仅能达到8-9级，难以达到12级，另外基材中碳化物存在偏析、颗粒大小不一致等问题，致使基材的抗疲劳性能大幅下降。寻求一种高纯度、高韧性、高强度基材热处理工艺方法成为制约高品质、长寿命柔轮的核心关键技术。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种柔轮材料及热处理工艺方法，实现柔轮基材的高强度、高纯度、高韧性，满足高端领域对谐波减速器超长使用寿命需求。
本发明的技术解决方案是：一种柔轮材料热处理工艺方法，包括如下步骤：
准备柔轮材料；
依次对柔轮材料进行均匀化退火、多向锻造、双重正火、循环等温退火、快速循环淬火和去应力退火，完成对柔轮材料的热处理。
进一步地，所述柔轮材料各化学成分的质量比例分别为，C：0.3～0.38％，Si：≤0.4％，Mn：0.6～0.8％，Ni：1.6～2.0％，Cr：1.3～1.7％，Mo：0.2～0.3％，P：≤0.015％，S：≤0.004％,：Nb：0.02～0.06％,V：0.06～0.10％,Ti：0.01～0.05％,W：0.06～0.10％，H2≤1ppm，O2≤20ppm，N2≤50ppm。
进一步地，所述均匀化退火包括如下步骤：
将柔轮材料加热至Ac3+(150-300)℃，保温时间不低于10h，随炉冷却至常温；消除柔轮材料的枝晶组织与直径大于0.02mm的第二相组织，实现柔轮材料的带状偏析比降低至0.5以下。
进一步地，所述多向锻造包括如下步骤：
任意定义直角坐标系，在直角坐标系X、Y和Z三个方向对柔轮材料循环锻打，每个方向锻压量不低于50％，应变率为0.001～10s-1，执行三次循环；三个循环后待锻件温度达到830-850℃，进行油冷。
进一步地，每次循环锻打前，对柔轮材料进行600-650℃预热并保温预设时长；然后将柔轮材料加热至始锻温度1200-1225℃，开始锻打；锻打一段时间后，停止加热，并继续锻打，直至温度降至950-1100℃。
进一步地，所述双重正火包括第一次正火和第二次正火；第一次正火的温度为Ac3+100-200℃；第二次正火的温度为Ac3+40-60℃。
进一步地，所述循环等温退火包括如下步骤：
将柔轮材料升温至Ac1+20℃并保温4h，然后以20℃/h降温至Ac1-20℃并保温2h，再以50℃/h升温至Ac1+20℃并保温4h，然后以15℃/h降温至Ac1-20℃并保温2h，再以12℃/h降温至650℃，其后随炉冷却至500℃，取出柔轮材料空冷至常温。
进一步地，所述快速循环淬火包括如下步骤：
将柔轮材料以100℃/s速度加热至淬火温度Ac3+50℃并保温，使柔轮材料内外温度均衡一致；
然后采用冷速超过200℃/s盐水使柔轮材料冷却至Ms温度上下10℃，继续转热油中冷却；
执行加热、冷却循环3～5次，每次淬火温度下降5℃；
然后以100℃/h速度加热至回火温度450～600℃并保温3h，然后空冷至常温。
进一步地，所述去应力退火包括如下步骤：
将柔轮材料加热至比回火温度低20-30℃并保温3-5h，取出空冷至常温，完成热处理。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)本发明柔轮材料成分，通过适当提高Ni元素含量使得基材的防腐蚀性能得到大幅提高，通过添加Nb、V与Ti等微细化合金元素，使得热处理得到超细化晶粒成为可能，通过规定H2O2N2等含量避免材料存在氢脆等问题。
2)本发明柔轮热处理工艺流程与详细工艺要求，通过均匀化退火得到均一组织；通过多向锻打，消除基材宏观与微观材料缺陷；通过双重正火消除锻打引起的碳化物偏析，细化晶粒；通过循环等温退火细化碳化物尺寸，实现碳化物球化，提高切削性与材质均匀性；通过快速循环淬火大幅细化晶粒尺寸，实现超晶组织，在不降低材料强度的基础上，大幅提高材料的韧性，满足柔轮抗冲击性与高疲劳性要求；通过去应力退火，消除内应力，提高柔轮加工尺寸的稳定性。
附图说明
图1为本发明柔轮热处理工艺流程图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种柔轮材料及热处理工艺方法做进一步详细的说明。
在本申请实施例所提供的方案中，具体实现方式可以包括(如图1所示)：
一、准备柔轮材料；
所述柔轮材料各化学成分的质量比例分别为，C：0.3～0.38％，Si：≤0.4％，Mn：0.6～0.8％，Ni：1.6～2.0％，Cr：1.3～1.7％，Mo：0.2～0.3％，P：≤0.015％，S：≤0.004％,：Nb：0.02～0.06％,V：0.06～0.10％,Ti：0.01～0.05％,W：0.06～0.10％，H2≤1ppm，O2≤20ppm，N2≤50ppm。
高强度、高纯度柔轮材料成分见表1，该材料相变点：Ac1 715-730℃，Ac3 770-800℃，Ms 320-350℃,Mf 100-120℃，抗拉强度：900-1200MPa。材料非金属夹杂：D类球状氧化物夹杂等级不高于0.5级(细系)，没有A、B、C类等非金属夹杂。
表1柔轮材料成分表
材料成分 含量
C 0.3-0.38％
Si ≤0.4％
Mn 0.6-0.8％
Ni 1.6-2.0％
Cr 1.3-1.7％
Mo 0.2-0.3％
P ≤0.015％
S ≤0.004％
Nb 0.02-0.06％
V 0.06-0.10％
Ti 0.01-0.05％
W 0.06-0.10％
H<sub>2</sub> ≤1ppm
O<sub>2</sub> ≤20ppm
N<sub>2</sub> ≤50ppm
二、依次对柔轮材料进行均匀化退火、多向锻造、双重正火、循环等温退火、快速循环淬火和去应力退火，完成对柔轮材料的热处理。
在一种可能实现的方式中，所述均匀化退火包括如下步骤：
将柔轮材料加热至Ac3+(150-300)℃，保温时间不低于10h，随炉冷却至常温；消除柔轮材料的枝晶组织与直径大于0.02mm的第二相组织，实现柔轮材料的带状偏析比降低至0.5以下。
在一种可能实现的方式中，所述多向锻造包括如下步骤：
任意定义直角坐标系，在直角坐标系X、Y和Z三个方向对柔轮材料循环锻打，每个方向锻压量不低于50％，应变率为0.001～10s-1，执行三次循环；三个循环后待锻件温度达到830-850℃，进行油冷。
进一步，每次循环锻打前，对柔轮材料进行600-650℃预热并保温预设时长；然后将柔轮材料加热至始锻温度1200-1225℃，开始锻打；锻打一段时间后，停止加热，并继续锻打，直至温度降至950-1100℃
在一种可能实现的方式中，所述双重正火包括第一次正火和第二次正火；第一次正火的温度为Ac3+100-200℃；第二次正火的温度为Ac3+40-60℃。
在一种可能实现的方式中，所述循环等温退火包括如下步骤：
将柔轮材料升温至Ac1+20℃并保温4h，然后以20℃/h降温至Ac1-20℃并保温2h，再以50℃/h升温至Ac1+20℃并保温4h，然后以15℃/h降温至Ac1-20℃并保温2h，再以12℃/h降温至650℃，其后随炉冷却至500℃，取出柔轮材料空冷至常温。
在一种可能实现的方式中，所述快速循环淬火包括如下步骤：
将柔轮材料以100℃/s速度加热至淬火温度Ac3+50℃并保温，使柔轮材料内外温度均衡一致；
然后采用冷速超过200℃/s盐水使柔轮材料冷却至Ms温度上下10℃，继续转热油中冷却；
执行加热、冷却循环3～5次，每次淬火温度下降5℃；
然后以100℃/h速度加热至回火温度450～600℃并保温3h，然后空冷至常温。
在一种可能实现的方式中，所述去应力退火包括如下步骤：
将柔轮材料加热至比回火温度低20-30℃并保温3-5h，取出空冷至常温，完成热处理。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种柔轮材料热处理工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
准备柔轮材料；
依次对柔轮材料进行均匀化退火、多向锻造、双重正火、循环等温退火、快速循环淬火和去应力退火，完成对柔轮材料的热处理。
2.根据权利要求1所述的一种柔轮材料及热处理工艺方法，其特征在于：所述柔轮材料各化学成分的质量比例分别为，C：0.3～0.38％，Si：≤0.4％，Mn：0.6～0.8％，Ni：1.6～2.0％，Cr：1.3～1.7％，Mo：0.2～0.3％，P：≤0.015％，S：≤0.004％,：Nb：0.02～0.06％,V：0.06～0.10％,Ti：0.01～0.05％,W：0.06～0.10％，H2≤1ppm，O2≤20ppm，N2≤50ppm。
3.根据权利要求1所述的一种柔轮材料及热处理工艺方法，其特征在于，所述均匀化退火包括如下步骤：
将柔轮材料加热至Ac3+(150-300)℃，保温时间不低于10h，随炉冷却至常温；消除柔轮材料的枝晶组织与直径大于0.02mm的第二相组织，实现柔轮材料的带状偏析比降低至0.5以下。
4.根据权利要求1所述的一种柔轮材料及热处理工艺方法，其特征在于，所述多向锻造包括如下步骤：
任意定义直角坐标系，在直角坐标系X、Y和Z三个方向对柔轮材料循环锻打，每个方向锻压量不低于50％，应变率为0.001～10s-1，执行三次循环；三个循环后待锻件温度达到830-850℃，进行油冷。
5.根据权利要求4所述的一种柔轮材料及热处理工艺方法，其特征在于：每次循环锻打前，对柔轮材料进行600-650℃预热并保温预设时长；然后将柔轮材料加热至始锻温度1200-1225℃，开始锻打；锻打一段时间后，停止加热，并继续锻打，直至温度降至950-1100℃。
6.根据权利要求1所述的一种柔轮材料及热处理工艺方法，其特征在于，所述双重正火包括第一次正火和第二次正火；第一次正火的温度为Ac3+100-200℃；第二次正火的温度为Ac3+40-60℃。
7.根据权利要求1所述的一种柔轮材料及热处理工艺方法，其特征在于，所述循环等温退火包括如下步骤：
将柔轮材料升温至Ac1+20℃并保温4h，然后以20℃/h降温至Ac1-20℃并保温2h，再以50℃/h升温至Ac1+20℃并保温4h，然后以15℃/h降温至Ac1-20℃并保温2h，再以12℃/h降温至650℃，其后随炉冷却至500℃，取出柔轮材料空冷至常温。
8.根据权利要求1所述的一种柔轮材料及热处理工艺方法，其特征在于，所述快速循环淬火包括如下步骤：
将柔轮材料以100℃/s速度加热至淬火温度Ac3+50℃并保温，使柔轮材料内外温度均衡一致；
然后采用冷速超过200℃/s盐水使柔轮材料冷却至Ms温度上下10℃，继续转热油中冷却；
执行加热、冷却循环3～5次，每次淬火温度下降5℃；
然后以100℃/h速度加热至回火温度450～600℃并保温3h，然后空冷至常温。
9.根据权利要求8所述的一种柔轮材料及热处理工艺方法，其特征在于，所述去应力退火包括如下步骤：
将柔轮材料加热至比回火温度低20-30℃并保温3-5h，取出空冷至常温，完成热处理。
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