CN112375882A - 一种提高柔性齿轮40CrNiMo钢强度的热处理工艺 - Google Patents

一种提高柔性齿轮40CrNiMo钢强度的热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高柔性齿轮40CrNiMo钢强度的热处理工艺，首先将40CrNiMo钢在1000±50℃固溶2h，油冷，使成分更加均匀；然后将40CrNiMo钢加热到870±20℃保温1h后迅速转移到280~300℃等温0.5~1h，空冷，形成了一部分马氏体；最后250℃回火2h以去除内应力；在等温保持阶段，马氏体和未转变奥氏体界面为贝氏体转变提供了更多的形核位点，提高了贝氏体转变动力学，促进了贝氏体的转变。本发明通过将40CrNiMo钢在稍低于马氏体开始转变温度下等温淬火，最终获得了马氏体+下贝氏体+残余奥氏体的复相组织，提高了柔性齿轮40CrNiMo钢的强度，同时改善了40CrNiMo钢的带状组织。

Description

一种提高柔性齿轮40CrNiMo钢强度的热处理工艺
技术领域
本发明涉及一种提高柔性齿轮40CrNiMo钢强度的热处理工艺，属于热处理等温淬火技术领域。
背景技术
钢铁材料作为现代社会的物质基础，以其优越的强韧性能、良好的加工性能以及低廉的制造成本已经成为工业生产和人民生活中不可或缺的原材料，如今钢铁材料已经渗透到人类社会生活的各个领域，其中40CrNiMo钢凭借其高淬透性以及高强度被广泛应用于齿轮、轴类零件、紧固件等等。一般地，常见的齿轮传动采用的是刚性机构，而谐波齿轮的传动主要是靠柔性齿轮的弹性变形来实现机械传动的，谐波齿轮传动机构主要由刚性齿轮、柔性齿轮和谐波发生器三部分零件构成。其工作原理是利用具有长短轴的谐波发生器首先发生转动，进而迫使柔性齿轮产生弹性变形，使得柔轮与带有内齿的刚轮互相作用来传递运动。然而柔轮在长时间的服役过程中，由于强塑性的不足，在交变应力的作用下会导致变形甚至疲劳断裂，所以通过热处理工艺使材料获得优异的力学性能显得尤为重要。
发明内容
本发明旨在提供一种提高柔性齿轮40CrNiMo钢强度的热处理工艺。
本发明将奥氏体化后的柔性齿轮40CrNiMo钢放入稍低于马氏体开始转变温度的熔融盐浴炉中等温一定时间，首先会形成一定体积分数的马氏体，这些马氏体的形成会向周围未转变的奥氏体中引入大量的位错；在等温保持阶段，马氏体和未转变奥氏体界面以及位错处为贝氏体提供了更多的形核位点，提高了贝氏体转变的动力学，而且先形成的马氏体会划分奥氏体，使得之后形成的贝氏体晶粒更加细小，起到细晶强化的作用；冷却到室温阶段，未转变的奥氏体会发生马氏体相变，形成马奥岛；所以等温淬火后组织包括马氏体+贝氏体+残余奥氏体。马氏体和贝氏体都属于硬质相，所以其具有高屈服强度、高硬度、高强度、高耐磨性等性能，而作为软相的残余奥氏体提高了材料的延伸率。
本发明考虑了轧制退火态的柔性齿轮40CrNiMo钢含有带状组织的问题，这主要是由于在钢的冶炼过程中，钢的枝晶生长方式总是使置换合金元素在枝晶间区域富集，并通过后续的热加工而排列，从而形成带状组织。通过高温固溶处理后，使得高温下合金元素分布的更加均匀，以及随后的快冷使合金元素来不及扩散，从而减缓带状组织。此外，由于较低的等温转变温度，过冷度增大，相变驱动力也更高，富溶质区和贫溶质区之间的差异不像较高温度下那样显著，因此，置换合金元素的非均匀分布对微观组织形成的影响是小的，所以等温处理（低于Ms）后组织分布更加均匀，带状偏析的程度减弱。
本发明提供了一种提高柔性齿轮40CrNiMo钢强度的热处理工艺，包括以下步骤：
步骤一：柔性齿轮40CrNiMo钢原材料为轧制退火态，首先将40CrNiMo钢进行固溶处理，油冷，使得成分更加均匀；
步骤二：将步骤一得到的40CrNiMo钢放在带有无水乙醇的烧杯中，将烧杯放在超声容器中进行超声清洗1~3min，去除表面的油污；
步骤三：将步骤二得到的40CrNiMo钢放在热处理炉中加热到奥氏体化温度，保持1.0h，然后迅速放进熔融盐浴炉中等温淬火，等温温度低于Ms点（马氏体开始转变温度为310℃左右），保持0.5~1.0h，空冷；最后磨去凝固在表面的淬火盐；
步骤四：将步骤三得到的40CrNiMo钢在热处理炉中回火，空冷，以消除内应力。
所述步骤一中将柔性齿轮40CrNiMo钢进行固溶处理，在1000±50oC固溶2h，油冷。
所述步骤三中40CrNiMo钢的等温淬火，盐浴由质量百分比为45%~75%的NaNO3和25%~55%的KNO3组成。
所述步骤三的奥氏体化温度为870±20oC，保温1h，等温温度为280~300oC，等温保持0.5~1.0h。
所述步骤四中40CrNiMo钢在250oC回火2h。
上述方案中，所述柔性齿轮40CrNiMo钢包含以下质量百分比的化学元素：
C：0.37-0.44%；Si：0.17-0.37%；Mn：0.5-0.8%；Cr：0.6-0.9%；Ni：1.25-1.65%；Mo：0.15-0.25%；S≤0.035%；P≤0.035%。
本发明的有益效果：
本发明中，柔性齿轮40CrNiMo钢固溶处理以及稍低于马氏体开始转变温度等温保持后获得了均匀细小的马氏体、贝氏体以及残余奥氏体，拥有较高的屈服强度和极限抗拉强度以及一定的延伸率，而且改善了柔性齿轮40CrNiMo钢在凝固过程中由于置换元素的偏析而形成的带状组织。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的柔性齿轮40CrNiMo钢的热处理工艺方法的流程示意图；
图2为实施例1中40CrNiMo钢的退火态金相显微组织；
图3为本发明实施例1步骤一柔性齿轮40CrNiMo钢固溶处理后的金相显微组织；
图4为本发明实施例1步骤三柔性齿轮40CrNiMo钢等温淬火后的金相显微组织；
图5为本发明实施例1步骤三柔性齿轮40CrNiMo钢等温淬火后的SEM图；
图6为本发明实施例4中柔性齿轮40CrNiMo钢退火态及热处理后的室温拉伸工程应力应变曲线。
具体实施方式
在本发明实施例中，轧制退火态的柔性齿轮40CrNiMo钢含有带状组织，主要是由于置换元素的偏析而导致的，本发明通过高温固溶以及稍低于马氏体开始转变温度等温保持改善了带状组织，使得热处理后的组织更加均匀。
通过较低温度的等温处理后，可获得均匀细小的马氏体+贝氏体+残余奥氏体的混合组织，使柔性齿轮40CrNiMo钢获得高强度、一定塑性的良好配合。
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
本实施例材料为轧制退火态的柔性齿轮40CrNiMo钢，其标准化学成分及本实施例所用试样的化学成分如下表1所示：
表1化学成分
Figure DEST_PATH_IMAGE002
具体的实施过程如下：
一种柔性齿轮40CrNiMo钢的热处理工艺方法，包括以下步骤：
步骤一：柔性齿轮40CrNiMo钢原材料为轧制退火态，首先将40CrNiMo钢1000oC固溶2h，油冷，使得成分更加均匀。
步骤二：将步骤一得到的40CrNiMo钢放在带有无水乙醇的烧杯中，将烧杯放在超声容器中进行超声清洗，去除表面的油污。
步骤三：将步骤二得到的40CrNiMo钢加热到870oC保温1h，然后迅速转移到280oC熔融盐浴炉中等温淬火，等温保持1h，空冷。最后磨去凝固在表面的淬火盐。
步骤四：将步骤三得到的40CrNiMo钢在250oC热处理炉中回火2h，空冷，以消除内应力。
性能检测结果：
图3为实施例1步骤一柔性齿轮40CrNiMo钢固溶处理后的金相显微组织，从图中可看出固溶处理后改善了带状组织但是并未消除；
图4为实施例1步骤三柔性齿轮40CrNiMo钢等温淬火后的金相显微组织，热处理后获得马氏体+下贝氏体+残余奥氏体的复相组织；
图5为实施例1步骤三柔性齿轮40CrNiMo钢等温淬火后的SEM图，进一步证实了马氏体/贝氏体复相组织的存在；从图中可以看到，晶粒被马氏体所划分，随后的贝氏体沿马氏体/奥氏体界面以及原奥氏体晶界形核长大。
实施例2：
一种柔性齿轮40CrNiMo钢的热处理工艺方法，包括以下步骤：
步骤一：柔性齿轮40CrNiMo钢原材料为轧制退火态，首先将40CrNiMo钢1000oC固溶2h，油冷，使得成分更加均匀。
步骤二：将步骤一得到的40CrNiMo钢放在带有无水乙醇的烧杯中，将烧杯放在超声容器中进行超声清洗，去除表面的油污。
步骤三：将步骤二得到的40CrNiMo钢加热到870oC保温1h，然后迅速转移到300oC熔融盐浴炉中等温淬火，等温保持0.5h，空冷。最后磨去凝固在表面的淬火盐。
步骤四：将步骤三得到的40CrNiMo钢在250oC热处理炉中回火2h，空冷，以消除内应力。
实施例3：
对轧制退火态和实施例1和实施例2中步骤四处理后的柔性齿轮40CrNiMo钢进行硬度测试，首先用线切割切取待测试样品，然后用热镶样机镶样，依次用100#、240#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#型号的砂纸打磨试样表面后用金刚石研磨膏进行抛光，保证试样平面足够平整。测试所使用的显微维氏硬度为MH-600型显微维氏硬度计，载荷为500gf，为保证实验结果的准确性，每个状态的试样选择六个不同的位置进行测量，保载时间为15s，最后读取显微镜上显示的维氏硬度值，每个状态的试样取六次测量的平均值作为最终值。如下表2所示：
表2退火态及热处理后的维氏硬度（HV）
Figure DEST_PATH_IMAGE004
由表2可知，本发明方法处理后柔性齿轮40CrNiMo钢的维氏硬度比退火态的增加了一倍，主要是因为经过此种方法热处理之后，获得了马氏体+贝氏体+残余奥氏体的混合组织，马氏体和贝氏体比退火态的珠光体硬。
实施例4：
将轧制退火态和实施例1和实施例2中步骤四处理后的试样用线切割切取拉伸试样，标距段长度14mm，宽度3mm，厚度1mm。为保证数据的准确性，每种状态用线切割切取三个拉伸试样，依次用100#、240#、600#、800#、1000#、1200#、1500#、2000#型号的砂纸打磨后进行拉伸实验。使用INSTRON5969型力学试验机进行室温静态拉伸实验，应变速率为1×s-1，为得到精确地屈服强度，拉伸实验时选择使用引伸计，其长度为12.5mm，拉伸机的拉伸速度为0.75mm/min。最后拉伸后的数据用origin软件进行绘图。从工程应力应变曲线上可以看出，热处理后试样的强度大大增加，延伸率降低，其值汇总在表3中：
表3退火态及热处理后的拉伸性能
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。

Claims (6)

1.一种提高柔性齿轮40CrNiMo钢强度的热处理工艺，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：柔性齿轮40CrNiMo钢原材料为轧制退火态，首先将40CrNiMo钢进行固溶处理，油冷，使得成分更加均匀；
步骤二：将步骤一得到的40CrNiMo钢放在带有无水乙醇的烧杯中，将烧杯放在超声容器中进行超声清洗1~3min，去除表面的油污；
步骤三：将步骤二得到的40CrNiMo钢放在热处理炉中加热到奥氏体化温度，保持2.0h，然后迅速放进熔融盐浴炉中等温淬火，等温温度低于马氏体开始转变温度Ms，保持0.5~1.0h，空冷；最后磨去凝固在表面的淬火盐；
步骤四：将步骤三得到的40CrNiMo钢在热处理炉中回火，空冷，以消除内应力。
2.根据权利要求1所述的提高柔性齿轮40CrNiMo钢强度的热处理工艺，其特征在于：所述步骤一中将柔性齿轮40CrNiMo钢进行固溶处理，在1000±50oC固溶2.0h，油冷。
3.根据权利要求1所述的提高柔性齿轮40CrNiMo钢强度的热处理工艺，其特征在于：所述步骤三中40CrNiMo钢的等温淬火，盐浴由质量分数为45%~75%的NaNO3和25%~55%的KNO3组成。
4.根据权利要求1所述的提高柔性齿轮40CrNiMo钢强度的热处理工艺，其特征在于：所述步骤三的奥氏体化温度为870±20oC，保温1h，等温温度为280~300oC，等温保持时间为0.5~1.0h。
5.根据权利要求1所述的提高柔性齿轮40CrNiMo钢强度的热处理工艺，其特征在于：所述步骤四中40CrNiMo钢在250oC回火2h。
6.根据权利要求1所述的提高柔性齿轮40CrNiMo钢强度的热处理工艺，其特征在于：所述柔性齿轮40CrNiMo钢包含以下质量百分比的化学元素：
C：0.37-0.44%；Si：0.17-0.37%；Mn：0.5-0.8%；Cr：0.6-0.9%；Ni：1.25-1.65%；Mo：0.15-0.25%；S≤0.035%；P≤0.035%。
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