CN113337698A - 齿轮坯的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种齿轮坯的制造方法。该制造方法包括锻造过程：将连铸坯加热至1100～1300℃后保温4～20h形成热坯，对热坯进行三向锻造和辗锻，得到辗锻坯；以及热处理过程：对辗锻坯进行预备热处理，预备热处理包括依次进行的加热、液体介质中冷却、等温处理的过程，得到齿轮坯，其中，液体介质的温度为70～100℃。经三向锻造得到均匀致密的锻件，再通过辗锻工艺，使得连铸坯在成形过程中具有优异的流线方向，尤其适用于盘类齿轮的加工。此外，对辗锻坯进行预备热处理中通过在液体介质中对辗锻坯进行冷却，有助于得到具有铁素体加珠光体、带状为1～2级组织结构的齿轮坯以及有助于提高组织均匀性，从而保证齿轮坯的整体质量。

Description

齿轮坯的制造方法
技术领域
本发明涉及齿轮的制造方法，具体而言，涉及一种齿轮坯的制造方法。
背景技术
齿轮是一种传递转矩和角运动的机械构件，是重载机车、风力发电机组及其他重型机械装备的最重要结构部件之一。随着设计的进步和传递能量及速度的增大，齿轮承受载荷越来越大，使得齿轮零件失效机理也变得十分复杂。另一方面，随着产品的升级换代，对齿轮也要求更高的可靠性和经济性。为此，重载齿轮需要承受较高的载荷，同时还要求长寿命服役和低成本控制。
目前，渗碳淬火用的重载齿轮，采用的模铸钢锭进行快速锻造制备成圆钢，然后进行齿坯制备和正回火处理。然而，由于模铸锻造的工艺特点，导致当前重载齿轮采用模铸锻造材生产成本偏高。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种齿轮坯的制造方法，以解决现有技术中齿轮采用模铸锻造材生产成本偏高的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种齿轮坯的制造方法，该制造方法包括锻造过程：将连铸坯加热至1100～1300℃后保温4～20h形成热坯，对热坯进行三向锻造和辗锻，得到辗锻坯；以及热处理过程：对辗锻坯进行预备热处理，预备热处理包括依次进行的加热、液体介质中冷却、等温处理的过程，得到齿轮坯，其中，液体介质的温度为70～100℃。
进一步地，上述三向锻造的总锻造比为6～12。
进一步地，上述三向锻造包括对热坯进行墩拔，然后依次进行X方向墩拔、Y方向墩拔和Z方向墩拔，优选X方向墩拔、Y方向墩拔和Z方向墩拔各自的锻造比为2～4。
进一步地，上述加热、液体介质中冷却的过程包括在920～960℃下对辗锻坯进行加热并保温处理3～10h，得加热后辗锻坯；将加热后辗锻坯置于液体介质中进行冷却，冷却的终点温度为550～720℃，优选液体介质的温度为80～100℃，进一步优选液体介质为水、无机盐水溶液或高分子聚合物水溶性淬火剂，优选液体介质中冷却的时间根据所选材料的CCT图和计算机仿真技术获得。
进一步地，上述锻造过程还包括对辗锻坯进行冲孔和扩孔处理的过程。
进一步地，进行上述冲孔时，控制冲孔重量满足≥A×H，其中，H为连铸坯下料长度、单位为mm；A为下料系数、单位为kg/mm，且A≥0.020，进一步优选A≥0.035。
进一步地，在进行上述预备热处理之前，制造方法还包括对辗锻坯进行去氢处理的过程。
进一步地，上述等温处理的过程包括将上述液体介质中冷却后得到的坯料进行炉内保温，随后进行空冷。
进一步地，上述等温处理的过程还包括将坯料在550～720℃保温0.5～10h后进行空冷。
进一步地，上述连铸坯为Φ380～Φ1000mm的连铸坯。
应用本发明的技术方案，锻造过程的保温形成热坯，有利于提高连铸坯的受热均匀性，从而使得到的热坯在三向锻造的过程中变形均匀，更有助于齿坯内部组织弥散均匀，最终使得辗锻坯的三向性能接近，晶粒度细小，提高了齿轮坯的晶粒度等级、组织均匀性，避免了因中心缺陷导致的齿轮综合性能下降的问题。经三向锻造得到均匀致密的锻件，再通过辗锻工艺，使得连铸坯在成形过程中具有优异的流线方向，尤其适用于盘类齿轮的加工。此外，对辗锻坯进行预备热处理中通过在温度为70～100℃的液体介质中对辗锻坯进行冷却，有助于得到具有铁素体加珠光体、带状为1～2级组织结构的齿轮坯以及有助于提高组织均匀性，从而保证齿轮坯的整体质量。
可见上述齿轮坯的三向锻造工艺一方面降低了生产成本，另一方面三向锻造工艺配合辗锻以及液体介质中冷却的预备热处理过程，得到的齿轮坯内部组织均匀、组织成分一致、性能稳定，同时保证了超声波探伤质量，使得齿坯齿部超探平底孔当量不大于0.8mm，其他部位超探平底孔当量不大于2.0mm。另外，还有效地提高了大规格连铸坯的使用范围，从而使得大型重载齿轮也能使用连铸坯。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例1制备的内齿圈形状的齿轮坯的截面图；
图2示出了按照本发明实施例1的热处理方法获得的齿轮坯的放大100倍的金相组织图片；
图3示出了根据本发明的实施例2制备的盘形齿轮形状的齿轮坯的截面图；
图4示出了实施例4的齿轮锻件在80℃的静止状态水浴和搅拌状态水浴中冷却时，冷却水的冷却曲线图，其中8-1和8-3为静止状态，8-2和8-4为搅拌状态，且8-1和8-2为温度随时间变化的曲线，8-3和8-4为冷却速度随时间变化的曲线；
图5示出了实施例5的齿轮锻件在100℃的静止状态水浴和搅拌状态水浴中冷却时，冷却水的冷却曲线图，其中10-1和10-3为静止状态，10-2和10-4为搅拌状态，且10-1和10-2为温度随时间变化的曲线，10-3和10-4为冷却速度随时间变化的曲线；
图6示出了按照对比例1的热处理方法获得的齿轮坯的放大100倍的金相组织图片；以及
图7示出了按照对比例2的空冷处理方法获得的齿轮坯的放大100倍的金相组织图片，其中白色为铁素体，黑色为珠光体，此外，上述附图包括以下附图标记：
1、内齿圈；2、盘形齿轮。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如背景技术所分析的，现有技术的齿轮采用模铸锻造材生产存在成本偏高的问题，为解决该技术问题，本发明提供了一种齿轮坯的制造方法。采用连铸坯可以有效的降低材料成本，但是，连铸坯在成分一致性、组织均匀性、性能稳定性等方面存在问题，为此，需要开发相应的技术并改进生产工艺，以满足连铸坯在重载齿轮上的应用需求和质量要求。
在本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种齿轮坯的制造方法，该制造方法包括锻造过程：将连铸坯加热至1100～1300℃后保温4～20h形成热坯，对热坯进行三向锻造和辗锻，得到辗锻坯；以及热处理过程：对辗锻坯进行预备热处理，预备热处理包括依次进行的加热、液体介质中冷却、等温处理的过程，得到齿轮坯，其中，液体介质的温度为70～100℃。
锻造过程的保温形成热坯，有利于提高连铸坯的受热均匀性，从而使得到的热坯在三向锻造的过程中变形均匀，更有助于齿坯内部组织弥散均匀，最终使得辗锻坯的三向性能接近，晶粒度细小，提高了齿轮坯的晶粒度等级、组织均匀性，避免了因中心缺陷导致的齿轮综合性能下降的问题。经三向锻造得到均匀致密的锻件，再通过辗锻工艺，使得连铸坯在成形过程中具有优异的流线方向，尤其适用于盘类齿轮的加工。此外，对辗锻坯进行预备热处理中通过在温度为70～100℃的液体介质中对辗锻坯进行冷却，有助于得到具有铁素体加珠光体、带状为1～2级组织结构的齿轮坯以及有助于提高组织均匀性，从而保证齿轮坯的整体质量。
可见上述齿轮坯的三向锻造工艺一方面降低了生产成本，另一方面三向锻造工艺配合辗锻以及液体介质中冷却的预备热处理过程，得到的齿轮坯内部组织均匀、组织成分一致、性能稳定，同时保证了超声波探伤质量，使得齿坯齿部超探平底孔当量不大于0.8mm，其他部位超探平底孔当量不大于2.0mm。另外，还有效地提高了大规格连铸坯的使用范围，从而使得大型重载齿轮也能使用连铸坯。
为了降低生产成本并提高产品质量与力学性能，优选上述三向锻造的总锻造比为6～12。
为了在三向锻造中尽可能的提高齿轮坯内部组织的弥散均匀性，优选上述三向锻造包括：对热坯进行墩拔，然后依次进行X方向墩拔、Y方向墩拔和Z方向墩拔，进一步地为了得到高致密、高等向性的齿轮坯，优选X方向墩拔、Y方向墩拔和Z方向墩拔各自的锻造比为2～4。
为了提高齿坯热处理过程中的冷却均匀性以及得到组织成分一致、性能稳定的齿轮坯，优选上述加热、液体介质中冷却的过程包括：在920～960℃下对辗锻坯进行加热并保温处理3～10h，得加热后辗锻坯；将加热后辗锻坯置于液体介质中进行冷却，冷却的终点温度为550～720℃。将上述加热后辗锻坯置于液体介质中进行冷却得到冷却后坯料，辗锻坯采用上述预备热处理方法保证了齿坯热处理过程中组织成分一致、性能稳定性以及冷却均匀性，使得在齿坯冷却时冷速均匀；减少了齿坯冷却过程中热应力，均匀了齿坯内外组织和硬度分布，改善了齿坯的切削性能，还扩大了等温处理工艺在大规格高淬透性重载齿轮坯的使用。
为了提高冷却效果并控制冷却速度，优选液体介质的温度为80～100℃。进一步优选液体介质为水、无机盐水溶液或高分子聚合物水溶性淬火剂，如浓度为2～8％的NaCl水溶液或浓度为10～15％的PAG水溶液，其中采用水作为液体介质时可进一步降低成本。本申请的冷却时间可以根据试验摸索，为了进一步控制冷却效果，优选冷却时间根据所选材料的CCT图和计算机仿真技术获得，如可以通过查阅资料、试验以及应用JMatPro软件获得CCT图，再通过Thermal Prophet热处理仿真软件进行相关数值模拟，获得冷却时间等参数。
在本申请的一种实施例中，上述锻造过程还包括对辗锻坯进行冲孔和扩孔处理的过程。
本发明的制造方法通过冲孔与扩孔工艺的制定，可以提高连铸坯内部缺陷的消除，并使得圈类齿轮内圈部分同样致密和均匀，尤其适用于对内圈部分有非常高要求的内齿圈齿轮的加工。本申请参考本领域常规的冲孔与扩孔工艺。
在本申请的一种实施例中，进行上述冲孔时，控制冲孔重量满足≥A×H，其中，H为连铸坯下料长度、单位为mm；A为下料系数、单位为kg/mm，且A≥0.020，进一步优选A≥0.035。对连铸坯下料长度的控制来定量的控制冲孔重量，进而提高冲孔对形成的齿轮坯的质量的进行高效控制。
本申请的一种实施例中，在进行上述预备热处理之前，上述制造方法还包括对辗锻坯进行去氢处理的过程。
上述去氢处理的过程减少了辗锻坯的氢含量，使得齿坯氢含量降低，从而有利于降低齿轮坯中的氢引起的白点(发裂)缺陷。特别适用于制造对抗疲劳性能和综合力学性能有非常高要求的机械零件，如重载齿轮等。同时，更适用于具有高合金的渗碳齿轮钢，如20Cr2Ni4、20CrNi3Mo、20CrMnMo、18Cr2Ni2Mo、18CrNiMo7-6等。
为提高齿坯的切削性能和减少应力，优选上述等温处理的过程包括：将液体介质中冷却后得到的坯料进行炉内保温，随后进行空冷。
为了促使一部分碳化物析出，同时消除一部分因急速冷却造成的残留应力，提高齿坯的切削性能，优选上述等温处理的过程还包括将坯料在550～720℃保温0.5～10h后进行空冷。
为了适应本申请的锻造工艺并有助于高效的得到最终的目标产物，优选上述连铸坯为Φ380～Φ1000mm的连铸坯。
以下将结合具体实施例和对比例，对本申请的有益效果进行说明。
实施例1
制作如图1所示的内齿圈1，材料为18CrNiMo7-6。采用的技术方案如下：
(1)采用Φ450mm的连铸坯，根据锻件重量下料700mm长。
(2)锻造过程：将连铸坯在加热炉中加热到1250℃进行保温10小时，采用三向锻造工艺进行锻造，总锻造比9，其中，X方向墩拔、Y方向墩拔和Z方向墩拔各自的锻造比为3。然后进行辗锻工艺成形。进行冲孔和扩孔工艺，其中，冲孔重量为31kg。锻后进行去氢处理。
(3)预备热处理，将齿轮锻件加热到940℃，保温6小时。随后将锻件浸入冷却槽进行冷却，冷却的终点温度为600℃，根据计算机模拟技术，冷却1458秒后，在660℃加热炉内保温8h后再进行空冷。其中冷却槽的液体介质为85℃的水，所得齿轮坯的放大100倍的金相组织图如图2所示。
实施例2
制作如图3所示盘形齿轮2，材料为18CrNiMo7-6。采用的技术方案如下：
(1)采用Φ500mm的连铸坯，根据锻件重量下料950mm长。
(2)锻造过程：将连铸坯在加热炉中加热到1260℃进行保温12小时，采用三向锻造工艺进行锻造，总锻造比7，其中，X方向墩拔的锻造比为3，Y方向墩拔和Z方向墩拔各自的锻造比为2。然后进行辗锻工艺成形。进行冲孔和扩孔工艺，其中，冲孔重量为27kg。锻后进行去氢处理。
(3)预备热处理，将齿轮锻件加热到920℃，保温8小时。随后将锻件浸入冷却槽进行冷却，冷却的终点温度为580℃，根据计算机模拟技术，冷却2337秒后，在680℃加热炉内保温6h后再进行空冷。其中冷却槽的液体介质为75℃的水。
实施例3
制作类似图1所示内齿圈，材料为18CrNiMo7-6。采用的技术方案如下：
(1)采用Φ450mm的连铸坯，根据锻件重量下料710mm长。
(2)锻造过程：将连铸坯在加热炉中加热到1100℃进行保温12小时，采用三向锻造工艺进行锻造，总锻造比6，其中，X方向墩拔、Y方向墩拔和Z方向墩拔各自的锻造比为2。然后进行辗锻工艺成形。进行冲孔和扩孔工艺，其中，冲孔重量为42kg。锻后进行去氢处理。
(3)预备热处理，将齿轮锻件加热到920℃，保温10小时。随后将锻件浸入冷却槽进行冷却，冷却的终点温度为560℃，根据计算机模拟技术，冷却1725秒后，在550℃加热炉内保温10h后再进行空冷。其中冷却槽的液体介质为70℃的水。
实施例4
制作如图3所示盘形齿轮，材料为18CrNiMo7-6。采用的技术方案如下：
(1)采用Φ600mm的连铸坯，根据锻件重量下料670mm长。
(2)锻造过程：将连铸坯在加热炉中加热到1300℃进行保温10小时，采用三向锻造工艺进行锻造，总锻造比6，其中，X方向墩拔、Y方向墩拔和Z方向墩拔各自的锻造比为2。然后进行辗锻工艺成形。进行冲孔和扩孔工艺，其中，冲孔重量为35kg。锻后进行去氢处理。
(3)预备热处理，将齿轮锻件加热到920℃，保温10小时。随后将锻件浸入冷却槽进行冷却，冷却的终点温度为650℃，根据计算机模拟技术，冷却2197秒后，在660℃加热炉内保温9h后再进行空冷。其中冷却槽的液体介质为80℃的水，测试得到齿轮锻件在80℃的静止状态水浴和搅拌状态水浴中冷却时，冷却水的冷却曲线图如图4所示，从图4中可以看出，在550～850℃的温度范围内，80℃水静止的冷却速度是13～17℃/s，搅拌状态的冷却速度为25～29℃/s。说明当齿轮锻件在550～850℃冷却时，利用液体介质接触良好和冷速一致的特点，从而在最大程度上保证了锻件的冷却均匀性。而且由于水温温度高、冷却时间短，进一步地保证了齿轮锻件截面的冷却均匀性问题。
实施例5
制作如图1所示的内齿圈，材料为18CrNiMo7-6。采用的技术方案如下：
(1)采用Φ450mm的连铸坯，根据锻件重量下料718mm长。
(2)锻造过程：将连铸坯在加热炉中加热到1200℃进行保温11小时，采用三向锻造工艺进行锻造，总锻造比12，其中，X方向墩拔、Y方向墩拔和Z方向墩拔各自的锻造比为4。然后进行辗锻工艺成形。进行冲孔和扩孔工艺，其中，冲孔重量为45kg。锻后进行去氢处理。
(3)预备热处理，将齿轮锻件加热到960℃，保温5小时。随后将锻件浸入冷却槽进行冷却，冷却的终点温度为700℃，根据计算机模拟技术，冷却1379秒后，在720℃加热炉内保温10h后再进行空冷。其中冷却槽的液体介质为100℃的水，测试得到齿轮锻件在100℃的静止状态水浴和搅拌状态水浴中冷却时，冷却水的冷却曲线图如图5所示，从图5中可以看出，在450～800℃的温度范围内，100℃水静止的冷却速度是5～8℃/s，搅拌状态的冷却速度为5～10℃/s，在该温度区间内，由于水的冷却速度是均匀的且冷却速度非常慢，有利于球墨铸铁件冷却均匀，从而提高了球墨铸铁件的硬度均匀性、组织均匀性和变形规律性。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1不进行冷却槽中水介质的冷却，而是采用以下冷却过程进行替换：
将锻件在空气冷却，冷却的终点温度为30℃。所得到的齿轮坯的放大100倍的金相组织图如图6所示，可知表面和距离表面1/3半径处组织为铁素体+珠光体，带状3～4级。
对比例2
对比例2与实施例1的区别在于，冷却槽的液体介质为30℃的水，根据计算机模拟技术，冷却17000秒所得齿轮坯的放大100倍的金相组织图如图7所示，可知表面处的显微组织为回火索氏体和贝氏体组织。距离表面1/3半径处组织：铁素体+珠光体，带状3～4级。表面组织和1/3处组织发生较大的差异。
按照实施例1至5、对比例1、对比例2各自连续生产10件，每件测试3个位置硬度点，并采用现场金相观察晶粒度和组织状态，以及超声波探伤。其中在锻件表面进行硬度测试，硬度检验按照GB/T 231.1的规定进行。在距离表面1/3半径处测量晶粒度，晶粒度按照GB/T6394的规定进行。在表面和距离表面1/3半径处测量显微组织，显微组织按照GB/T 13299的规定进行。超声波探伤按GB/T 11259的规定进行。测试结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002397526500000071
Figure BDA0002397526500000081
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
锻造过程的保温形成热坯，有利于提高连铸坯的受热均匀性，从而使得到的热坯在三向锻造的过程中变形均匀，更有助于齿坯内部组织弥散均匀，最终使得辗锻坯的三向性能接近，晶粒度细小，提高了齿轮坯的晶粒度等级、组织均匀性，避免了因中心缺陷导致的齿轮综合性能下降的问题。经三向锻造得到均匀致密的锻件，再通过辗锻工艺，使得连铸坯在成形过程中具有优异的流线方向，尤其适用于盘类齿轮的加工。此外，对辗锻坯进行预备热处理中通过在温度为70～100℃的液体介质中对辗锻坯进行冷却，有助于得到具有铁素体加珠光体、带状为1～2级组织结构的齿轮坯以及有助于提高组织均匀性，从而保证齿轮坯的整体质量。
可见上述齿轮坯的三向锻造工艺一方面降低了生产成本，另一方面三向锻造工艺配合辗锻以及液体介质中冷却的预备热处理过程，得到的齿轮坯内部组织均匀、组织成分一致、性能稳定，同时保证了超声波探伤质量，使得齿坯齿部超探平底孔当量不大于0.8mm，其他部位超探平底孔当量不大于2.0mm。另外，还有效地提高了大规格连铸坯的使用范围，从而使得大型重载齿轮也能使用连铸坯。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种齿轮坯的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
锻造过程：将连铸坯加热至1100～1300℃后保温4～20h形成热坯，对所述热坯进行三向锻造和辗锻，得到辗锻坯；以及
热处理过程：对所述辗锻坯进行预备热处理，所述预备热处理包括依次进行的加热、液体介质中冷却、等温处理的过程，得到所述齿轮坯，其中，所述液体介质的温度为70～100℃。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述三向锻造的总锻造比为6～12。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述三向锻造包括：对所述热坯进行墩拔，然后依次进行X方向墩拔、Y方向墩拔和Z方向墩拔，优选所述X方向墩拔、所述Y方向墩拔和所述Z方向墩拔各自的锻造比为2～4。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述加热、液体介质中冷却的过程包括：
在920～960℃下对所述辗锻坯进行加热并保温处理3～10h，得加热后辗锻坯；
将所述加热后辗锻坯置于所述液体介质中进行冷却，所述冷却的终点温度为550～720℃，优选所述液体介质的温度为80～100℃，进一步优选所述液体介质为水、无机盐水溶液或高分子聚合物水溶性淬火剂，优选所述液体介质中冷却的时间根据所选材料的CCT图和计算机仿真技术获得。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述锻造过程还包括对所述辗锻坯进行冲孔和扩孔处理的过程。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，进行所述冲孔时，控制冲孔重量满足≥A×H，其中，H为连铸坯下料长度、单位为mm；A为下料系数、单位为kg/mm，且A≥0.020，进一步优选A≥0.035。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在进行所述预备热处理之前，所述制造方法还包括对所述辗锻坯进行去氢处理的过程。
8.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述等温处理的过程包括：
将所述液体介质中冷却后得到的坯料进行炉内保温，随后进行空冷。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述等温处理的过程还包括：
将所述坯料在550～720℃保温0.5～10h后进行空冷。
10.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述连铸坯为Φ380～Φ100 0mm的连铸坯。
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