CN112899612B - 一种齿轮渗碳淬火工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿轮渗碳淬火工艺，包括：装炉，将多个零件以吊杆为圆心，沿周向均匀放置在胎具上；渗碳处理；对零件周向不同位置的变形量进行检测，并将变形量大的一侧调整至靠近吊杆的胎具内侧，且变形量小的一侧调整至远离吊杆的胎具外侧；淬火处理。该齿轮渗碳淬火工艺，利用了齿轮在渗碳加热和淬火冷却过程中热应力和组织应力相互作用的原理，且利用了加热和淬火冷却过程圆周方向冷却不一致的变形规律，通过渗碳后改变齿轮圆周方向装炉位置的工艺，使齿轮淬火后的外侧涨大量较大来弥补渗碳后齿轮内侧的收缩量，减少了齿轮渗碳淬火的变形量，进而减小磨削余量不均导致的齿轮质量问题。同时提高了齿轮的热处理装炉量，提高了生产效率。

Description

一种齿轮渗碳淬火工艺

技术领域

本发明涉及渗碳淬火技术领域，更具体地说，涉及一种盘状齿轮渗碳淬火工艺。

背景技术

低碳低合金渗碳钢齿轮经渗碳淬火加低温回火后，其表面可获得高硬度、高疲劳抗力及高的耐磨性，而同时心部又具有相当强韧性，因而具有较好综合机械性能，是目前提高齿轮疲劳抗力的主要手段。

目前的渗碳工艺曲线及淬火工艺曲线见图1和图2。在整个渗碳淬火过程中，由于热应力和组织应力的共同作用会使零件产生较大变形。盘状齿轮一般采用水平装炉方式(见图3和图4)。采用图3的装炉，由于盘状齿轮在炉中加热和冷却时，圆周方向冷速均匀，变形较小，但对于大中型渗碳炉装炉量低，生产效率低，制造成本高。为了提供生产效率一般采用如图4所示的装炉方式，采用该生产方式，虽然增加了装炉量，提高了生产效率，但存在变形较大，后期加工成本高，综合质量差等缺点。

针对齿轮的变形一般采用增大齿轮磨削余量和加大渗碳层深的方法来解决齿轮的变形问题，但增大渗碳层深会增加渗碳工序的制造成本，降低渗碳工序的制造效率，磨削余量增加也会大幅增加后续的磨齿成本。并且上述方法均未从根本上解决最终导致零件磨削后硬化层深和表面硬度不一致的问题，给齿轮使用寿命带来影响，严重的变形更会造成齿轮报废。

综上所述，如何有效地解决齿轮渗碳淬火产生变形等问题，是目前本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种齿轮渗碳淬火工艺，该齿轮渗碳淬火工艺可以有效地解决制作齿轮渗碳淬火产生变形的问题。

为了达到上述第目的，本发明提供如下技术方案：

一种齿轮渗碳淬火工艺，包括：

装炉，将多个零件以吊杆为圆心，沿周向均匀放置在胎具上；

渗碳处理；

对所述零件周向不同位置的变形量进行检测，并将变形量大的一侧调整至靠近所述吊杆的胎具内侧，且变形量小的一侧调整至远离所述吊杆的胎具外侧；

淬火处理。

优选地，上述齿轮渗碳淬火工艺中，所述对所述零件周向不同位置的变形量进行检测，并将变形量大的一侧调整至靠近所述吊杆的胎具内侧，且变形量小的一侧调整至远离所述吊杆的胎具外侧，具体包括：

检测所述零件周向不同位置的公法线尺寸，并将公法线尺寸大的一侧调整至靠近所述吊杆的胎具内侧，且公法线尺寸小的一侧调整至远离所述吊杆的胎具外侧。

优选地，上述齿轮渗碳淬火工艺中，所述检测所述零件周向不同位置的公法线尺寸，具体包括：

检测所述零件的圆心与所述吊杆中心连线方向相对的两端，及与所述连线垂直方向上相对的两端位置处的公法线尺寸。

优选地，上述齿轮渗碳淬火工艺中，所述渗碳处理，具体包括：

渗碳升温；

渗碳升温至850～1050℃进行渗碳；

渗碳降温，且降温至820～600℃出炉空冷。

优选地，上述齿轮渗碳淬火工艺中，所述渗碳升温具体包括：

采用600±80℃、700±50℃、800±50℃阶段分阶段均温2～4h。

优选地，上述齿轮渗碳淬火工艺中，所述渗碳降温具体包括：

在850±30℃和/或750±30℃均温。

优选地，上述齿轮渗碳淬火工艺中，所述淬火处理，具体包括：

淬火升温；

淬火升温至780～880℃进行淬火加热处理；

淬火冷却。

优选地，上述齿轮渗碳淬火工艺中，所述淬火升温具体包括：

在600±100℃分段升温均温。

优选地，上述齿轮渗碳淬火工艺中，所述淬火冷却过程中，开启介质槽搅拌，并上下窜动和转动所述零件。

优选地，上述齿轮渗碳淬火工艺中，所述淬火处理后，还包括：

进行150～250℃的低温回火去应力处理。

应用本发明提供的齿轮渗碳淬火工艺，首先进行装炉，即将多个零件以吊杆为圆心，沿周向均匀放置在胎具上；而后进行渗碳处理；渗碳处理完成后进行重新装炉，即对零件周向不同位置的变形量进行检测，并将变形量大的一侧调整至靠近吊杆的胎具内侧，且变形量小的一侧调整至远离吊杆的胎具外侧；再进行淬火处理。该工艺充分利用了齿轮在渗碳加热和淬火冷却过程中热应力和组织应力相互作用的原理，利用了加热和淬火冷却过程圆周方向冷却不一致的变形规律，通过渗碳后改变齿轮圆周方向装炉位置的工艺方法，利用齿轮淬火后的外侧涨大量较大来弥补渗碳后齿轮内侧的收缩量，减少了齿轮渗碳淬火的变形量，进而减小了磨削余量不均导致的齿轮质量问题。同时提高了齿轮的热处理装炉量，提高了生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的渗碳工艺曲线图；

图2为现有技术中的淬火工艺曲线图；

图3为现有技术中一种渗碳淬火装炉示意图；

图4为现有技术中另一种渗碳淬火装炉示意图；

图5为本发明一个具体实施例的齿轮渗碳淬火工艺的流程示意图；

图6为本发明一种渗碳工艺曲线图；

图7为本发明一种淬火工艺曲线图；

图8为渗碳过程装炉示意图；

图9为淬火过程装炉示意图。

附图中标记如下：

齿轮1，胎具2，吊杆3；A、B、C、D表示齿轮不同位置。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种齿轮渗碳淬火工艺，以减小齿轮渗碳淬火变形。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图5，图5为本发明一个具体实施例的齿轮渗碳淬火工艺的流程示意图。

在一个具体实施例中，本发明提供的齿轮渗碳淬火工艺包括以下步骤：

S1：装炉，将多个零件以吊杆为圆心，沿周向均匀放置在胎具上。

本申请中提到的零件，指需要渗碳处理的齿轮1，具体为盘状齿轮1。渗碳淬火准备完成后，具体将齿轮1清洗干净后，对除需要渗碳处理的齿部外进行保护处理，即对非渗碳面进行涂料保护。而后将各需要渗碳处理的零件装炉。为了提高处理效率，采用多个零件装炉的方式，各零件以吊杆3为圆心，沿周向均匀放置在胎具2上。具体装炉方式可参考现有技术中图4所示装炉。每炉的具体零件数则可以根据零件尺寸及炉型等设置，此处不做具体限定。具体的，各零件间的间距大于100mm。

S2：渗碳处理。

装炉完成后，进行渗碳处理。具体渗碳处理的工艺参数等可参考现有技术，此处不再赘述。

S3：对零件周向不同位置的变形量进行检测，并将变形量大的一侧调整至靠近吊杆3的胎具2内侧，且变形量小的一侧调整至远离吊杆3的胎具2外侧。

将多个零件均匀的分布在工装底盘上，可以提高装炉量，从而提高生产效率，降低制造成本，但由于在加热和冷却过程相邻齿轮1间的热影响，造成齿轮1各部位冷却收缩和组织转变的不一致，最终导致齿轮1在圆周方向椭圆和锥度变形加大，以及上下齿端马鞍形变形的趋势加大，增加了后续的磨削制造成本，并且造成了齿轮1不同部位可能出现渗碳层深和硬度不均匀，导致齿轮1质量下降，会对最终使用质量造成隐患。

经研究，在高温加热过程中，由于主要是通过辐射进行传热，加热元件的热辐射作用不能如图3加热一样，比较均匀的辐射到整个零件的同一圆柱面上。其加热过程为，在同一个零件上，面向坩埚的圆弧段先加热(D点方向)，然后靠热传导的作用，背向坩埚的圆弧段最后加热(B点方向)，A、C点方向，一方面靠侧面的辐射元件加热，另一方面靠侧面零件加热起来后进行辐射传热，因此零件的受热顺序为B点最先受热、然后A、C点受热到温，最后热量传递到D点部位使D点最后到温。通过以上分析可知，由于受热的不等时性会产生热应力引起的变形，同时由于到温的不等时性又会引起组织转变的不等时性，从而加重组织转变引起的变形。在后续的降温过程中，同一齿轮1圆柱面不同部位间的温差与加热过程相反，又会进一步加重变形。反映在单件齿轮1的变形趋势为D点方向靠近坩埚加热较快，由于D点加热后膨胀且强度低易变形，同时A、B、C点未加热起来，强度高不易变形，因此，D点方向变形较大。另一方面，在渗碳完的空冷过程中，齿轮1在A、B、C点由于零件间间距较小，冷却较慢，D点冷却较快，收缩产生较大的应力，而此时B点温度最高，并且组织处于奥氏体状态，容易变形，因此B点的变形增大，并且由于B点冷却速度慢，转变后等到更多的铁素体组织，体积缩小，导致D点方向齿轮1收缩量小于A、B、C点方向，增大了不均匀变形的趋势。在随后的淬火过程，同样由于冷速的不同，D点方向淬火油的流动性好，冷速较快，导致D点的胀大量大于A、B、C点方向。

综上，经过渗碳和淬火过程加热和冷却变形的叠加，导致齿轮1在渗碳淬火后的B点方向胀大量远远差于其他方向，最终导致齿轮1在整个圆周方向的不均匀变形增加，在齿宽方向的马鞍形变形加大，而且齿轮1直径越大，齿宽越宽，变形越严重，导致磨齿后时有公法线超差报废，或者在圆周不同部位，渗碳硬化层和表面硬度的不均匀，使产品在使用过程中存在质量隐患。

因此，本申请不同于现有渗碳淬火流程，在渗碳处理完成后进行重新装炉。对零件周向不同位置的变形量进行检测，并将变形量大的一侧转动至靠近吊杆3的胎具2内侧，且变形量小的一侧转动至远离吊杆3的胎具2外侧。具体为渗碳处理完成后，将各零件旋转90～180°后重新装炉。利用淬火过程外侧淬火油的流动性更好，淬火过程马氏体转变较多的原理，使齿轮1在淬火后外侧的涨大量大于内侧，弥补渗碳后齿轮1在圆周方向的变形量。如图8和图9所示，图8为渗碳过程装炉示意图；图9为淬火过程装炉示意图。将渗碳后变形量大的一侧，如B点一侧装在内侧，而渗碳后变形量小的一侧，如D点一侧则相应的装在外侧。具体检测位置的数量可根据需要设置，如检测四点位置等，不同检测位置优选沿零件周向均匀分布。

S4：淬火处理。

重新装炉后进行淬火处理，具体淬火处理的工艺参数等可参考现有技术，此处不再赘述。

应用本发明提供的齿轮渗碳淬火工艺，充分利用了齿轮1在渗碳加热和淬火冷却过程中热应力和组织应力相互作用的原理，利用了加热和淬火冷却过程圆周方向冷却不一致的变形规律，通过渗碳后改变齿轮1圆周方向装炉位置的工艺方法，利用齿轮1淬火后的外侧涨大量较大来弥补渗碳后齿轮1内侧的收缩量，减少了齿轮1渗碳淬火的变形量，进而减小了磨削余量不均导致的齿轮1质量问题。同时提高了齿轮1的热处理装炉量，提高了生产效率。

进一步地，上述步骤S3具体包括：

检测零件周向不同位置的公法线尺寸，并将公法线尺寸大的一侧调整至靠近吊杆3的胎具2内侧，且公法线尺寸小的一侧调整至远离吊杆3的胎具2外侧。

也就是通过公法线的测量来反映齿轮1渗碳后的变形量大小。此处公法线尺寸大与公法线尺寸小指不同位置公法线的相对大小，公法线尺寸大的一侧即渗碳变形量相对大的一侧，一般为渗碳过程中装炉靠近吊杆3的一侧也即内侧，如图8中B点一侧。公法线尺寸小的一侧即渗碳变形量相对小的一侧，一般为渗碳过程用中装炉远离吊杆3的一侧即外侧，如图8中D点一侧。具体公法线的测量方法请参考现有技术，此处不再赘述。根据需要，也可以通过其他参数的测量来检测零件渗碳后的周向不同位置的变形量大小。

具体的，上述步骤中，检测零件周向不同位置的公法线尺寸，具体包括：检测零件的圆心与吊杆3中心连线方向相对的两端，及与连线垂直方向上相对的两端位置处的公法线尺寸。也就是检测各零件对应渗碳装炉状态下的各自的圆心与吊杆3中心连线方向上相对的两端，也就是如图8所示的B点和D点位置，以及与该连线垂直的方向上相对的两端，也就是如图8所示的A点和C点位置，通过对上述四点处公法线尺寸的测量，来反应零件的渗碳变形量，进而为后续淬火装炉提供依据。且基于上述关于渗碳过程变形情况的分析，采用上述四点位置作为测量点既能够真实反应变形量情况，且检测位置点数量较少，便于提高生产效率。

在上述各实施例中，渗碳处理，具体包括：

S21：渗碳升温；

S22：渗碳升温至850～1050℃进行渗碳；

S23：渗碳降温，且降温至820～600℃出炉空冷。

装炉完成后，首先进行渗碳升温处理，当零件升温至850～1050℃进行渗碳，渗碳可以采用强渗+扩散的形式以及其他工艺形式，达到对零件的层深、碳浓度、碳化物等组织和性能控制要求。渗碳完后，在炉内降温，然后降至820～600℃出炉空冷。

具体的，上述步骤S21渗碳升温具体包括：采用600±80℃、700±50℃、800±50℃阶段分阶段均温2～4h。在炉内采用分段升温的工艺方法，增加齿轮1在炉内升温过程温度的均匀性，减少热应力对齿轮1变形的影响。同时通过在AC1和AC3附近的均温减小了组织转变带来的组织应力而导致的变形。具体通过600±80℃、700±50℃、800±50℃等阶段分阶段均温2～4h，降低渗碳加热过程中的热应力，以及奥氏体转变过程中的组织应力。具体渗碳工艺曲线如图6所示。

对于渗碳处理，上述步骤S23渗碳降温具体包括：在850±30℃和/或750±30℃均温。渗碳完后，在炉内采用分段降温的工艺方法，增加齿轮1在炉内降温过程温度的均匀性，减少热应力对齿轮1变形的影响，减小齿轮1出炉空冷时的温度梯度。具体为渗碳完后随炉降温并在850±30℃或750±30℃均温，或者在850±30℃及750±30℃分别均温，然后降至820～600℃出炉空冷，渗碳工艺曲线具体如图6所示。

通过在渗碳升温及降温过程中采用分段均温的工艺方法，减少了零件在升温及降温过程的温差，从而减少零件在炉内的变形量，即减少了加热和冷却过程中的变形。

在上述各实施例的基础上，步骤S4淬火处理，具体包括：

S41：淬火升温；

S42：淬火升温至780～880℃进行淬火加热处理；

S43：淬火冷却。

也就是渗碳完成并重新装炉后，首先进行淬火升温，将吊具及零件吊入渗碳淬火炉内进行淬火加热，并采用780～880℃作为淬火温度，即升温至780～880℃进行淬火保温，淬火加热结束后，进行淬火冷却处理。具体的，淬火冷却过程中开启介质槽搅拌，并上下窜动和转动零件，进而保证冷却均匀，进一步减小变形。

进一步地，步骤S41淬火升温具体包括：在600±100℃分段升温均温。也就是淬火升温过程也采用分段升温均温，以减小加热应力。具体在600±100℃进行均温，减少加热应力，从而进一步减小变形量。淬火工艺曲线具体如图7所示。

在上述各实施例中，淬火处理后，还包括：进行150～250℃的低温回火去应力处理。而后根据需要可检测零件的硬度、性能、金相组织等，并进行变形量的检测，满足后续加工找正要求。

综上，本发明从齿轮渗碳淬火过程产生较大变形的原因出发，找到升温及降温过程齿轮圆周方向由于装炉间距的不一致导致加热和冷却的不一致是产生椭圆变形的主要原因，通过改进渗碳工艺和装炉方式，解决了盘状处理变形过大的问题。并在保持渗碳工序较高生产效率的基础上，大大减小了变形量，满足了生产需要。

其次，本发明充分利用了齿轮在渗碳加热和淬火冷却过程中热应力和组织应力相互作用的原理，创造性的利用了加热和淬火冷却过程圆周方向冷却不一致的变形规律，通过渗碳后改变齿轮圆周方向装炉位置的工艺方法，利用齿轮淬火后的外侧涨大量较大来弥补渗碳后齿轮内侧的收缩量，减少了齿轮渗碳淬火的变形量，减小了磨削余量不均导致的齿轮质量问题。同时提高了齿轮的热处理装炉量，提高了生产效率。

采用该工艺方法渗碳后的变形能够降低10％，渗碳后的胀大量降低60％左右，淬火后的变形能够降低30％左右，淬火后的胀大量与渗碳前比总体降低30％左右。可见，采用本发明提供的齿轮渗碳淬火工艺能够有效减少变形和总体的尺寸变动量，能够带来显著的质量提升和制造成本降低。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种齿轮渗碳淬火工艺，其特征在于，包括：

装炉，将多个零件以吊杆为圆心，沿周向均匀放置在胎具上；

渗碳处理；

对所述零件周向不同位置的变形量进行检测，并将变形量大的一侧调整至靠近所述吊杆的胎具内侧，且变形量小的一侧调整至远离所述吊杆的胎具外侧；

淬火处理；

所述对所述零件周向不同位置的变形量进行检测，并将变形量大的一侧调整至靠近所述吊杆的胎具内侧，且变形量小的一侧调整至远离所述吊杆的胎具外侧，具体包括：

检测所述零件周向不同位置的公法线尺寸，并将公法线尺寸大的一侧调整至靠近所述吊杆的胎具内侧，且公法线尺寸小的一侧调整至远离所述吊杆的胎具外侧；

所述检测所述零件周向不同位置的公法线尺寸，具体包括：

检测所述零件的圆心与所述吊杆中心连线方向相对的两端，及与所述连线垂直方向上相对的两端位置处的公法线尺寸。

2.根据权利要求1所述的齿轮渗碳淬火工艺，其特征在于，所述渗碳处理，具体包括：

渗碳升温；

渗碳升温至850～1050℃进行渗碳；

渗碳降温，且降温至820～600℃出炉空冷。

3.根据权利要求2所述的齿轮渗碳淬火工艺，其特征在于，所述渗碳升温具体包括：

采用600±80℃、700±50℃、800±50℃阶段分阶段均温2～4h。

4.根据权利要求2所述的齿轮渗碳淬火工艺，其特征在于，所述渗碳降温具体包括：

在850±30℃和/或750±30℃均温。

5.根据权利要求1所述的齿轮渗碳淬火工艺，其特征在于，所述淬火处理，具体包括：

淬火升温；

淬火升温至780～880℃进行淬火加热处理；

淬火冷却。

6.根据权利要求5所述的齿轮渗碳淬火工艺，其特征在于，所述淬火升温具体包括：

在600±100℃分段升温均温。

7.根据权利要求5所述的齿轮渗碳淬火工艺，其特征在于，所述淬火冷却过程中，开启介质槽搅拌，并上下窜动和转动所述零件。

8.根据权利要求1所述的齿轮渗碳淬火工艺，其特征在于，所述淬火处理后，还包括：

进行150～250℃的低温回火去应力处理。

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