CN113549866B - 风力发电机组齿轮箱滚道行星轮渗碳淬火工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风力发电机组齿轮箱滚道行星轮渗碳淬火工艺，包括如下步骤：对工件进行高碳势渗碳；其中渗碳温度为940±10℃，强渗碳势为1.2～1.3％，扩散碳势为0.9～1.1％；对经过第一步中高碳势渗碳处理的工件进行先固溶处理然后高温时效或先缓冷处理后球化退火。该工艺能够使淬火和低温回火后的工件渗碳层表面金相组织为回火马氏体+残余奥氏体+弥散细小的合金碳化物，工件的表面碳浓度为0.85％以上，渗层表面硬度能够达到HRC60.0以上，其中渗层表面59.0HRC的淬硬层可达到整个渗层有效硬化层深的50％以上，因此在行星轮齿部和内孔表面磨削后，仍然能够具有较高的接触疲劳强度和良好的综合机械性能。

Description

风力发电机组齿轮箱滚道行星轮渗碳淬火工艺
技术领域
本发明属于金属材料热处理技术领域，具体涉及一种风力发电机组齿轮箱滚道行星轮渗碳淬火工艺。
背景技术
风力发电机组齿轮箱作为风力发电机组的关键部件，维护更换成本高，直接影响到风力发电机组的使用寿命。由于风力发电机组的兆瓦数越来越大，齿轮箱的重量和体积限制了风力发电机组兆瓦数的增加，齿轮箱轻量化设计成为了趋势，因此风力发电机组的行星轮采用滚道行星轮，内孔表面设计为轴承滚道是目前大兆瓦风力发电机组变速箱的主流设计。风力发电机组齿轮箱的滚道行星轮，除了齿部啮合传动需要较高的接触疲劳强度和良好的综合机械性能，内孔表面作为轴承滚道，承受轴承滚柱高载荷高速度运行，对接触疲劳强度要求更高。
滚道行星轮内孔由于渗碳淬火的变形，内孔表面的加工余量去除达到单边0.7～1.0mm左右，现有技术在如此大的余量去除下难以保证滚道行星轮内孔表面的高硬度和较大的接触疲劳强度，而采用高碳浓度渗碳淬火工艺方法来改善这一情况时，又容易形成大的网状、角状、块状碳化物，结果如说明书附图图1所示，该类碳化物容易形成应力集中、弱化晶界，造成工件的渗层表面脆性大而早期失效，为了解决上述问题，本发明提供了以下技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电机组齿轮箱滚道行星轮渗碳淬火工艺，解决以下技术问题：
(1)如何在大余量去除情况下保证滚道行星轮内孔表面的高硬度和较大的接触疲劳强度；
(2)如何在高碳浓度渗碳淬火工艺方法中避免形成大的网状、角状、块状碳化物，降低工件的渗层表面脆性，提升工件的有效使用寿命。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
风力发电机组齿轮箱滚道行星轮渗碳淬火工艺，包括如下步骤：
第一步，对工件进行高碳势渗碳；
其中渗碳温度为940±10℃，强渗碳势为1.2～1.3％，扩散碳势为0.9～1.1％；
第二步，对经过第一步中高碳势渗碳处理的工件进行先固溶处理然后高温时效或
先缓冷处理后球化退火。
作为本发明的进一步方案，先固溶处理然后高温时效的具体步骤为
S1、在完成第一步中的渗碳后炉冷到900±10℃，然后出炉油冷；
S2、采用650±10℃高温时效；
S3、淬火和低温回火。
作为本发明的进一步方案，步骤S1油冷后工件渗层金相组织包括过冷奥氏体、淬火马氏体与细小合金碳化物，其特征在于，其中过冷奥氏体的面积百分比达到50％以上。
作为本发明的进一步方案，该工艺适用于齿根圆到内孔的壁厚≥70mm，齿轮模数≥16mm而渗碳淬火后齿厚方向的磨削余量单边≤0.4mm，内孔磨削余量单边≤0.8mm的工件。
作为本发明的进一步方案，先缓冷处理后球化退火的具体步骤为：
SS1、在完成第一步中的渗碳后，炉冷到850±10℃，然后出炉到缓冷室冷却到300℃以下；
SS2、采用等温球化退火或周期球化退火；
SS3、淬火和低温回火。
作为本发明的进一步方案，缓冷室内为氮气气氛，缓冷室内设置有循环风机，缓冷室的室壁设置有冷却循环水水冷套。
作为本发明的进一步方案，等温球化退火或周期球化退火的高温加热保温温度均为Ac1+20～30℃，球化等温温度均为Ar1-20～30℃。
作为本发明的进一步方案，等温球化退火或周期球化退火的高温加热保温温度均为760±10℃，球化等温温度为650±10℃。
作为本发明的进一步方案，周期球化退火工艺不少于两个周期。
作为本发明的进一步方案，该工艺适用于齿根圆到内孔的壁厚＜70mm，齿轮模数＜16mm而渗碳淬火后齿厚方向的磨削余量单边＞0.4mm，内孔磨削余量单边＞0.8mm的工件。
本发明的有益效果：
本发明工艺首先对工件进行高碳势渗碳，渗碳后采用先固溶处理然后高温时效或者先缓冷然后球化退火的处理方式，从而使淬火和低温回火后的工件渗碳层表面金相组织为回火马氏体+残余奥氏体+弥散细小的合金碳化物，工件的表面碳浓度为0.85％以上，渗层表面硬度能够达到HRC60.0以上，其中渗层表面59.0HRC的淬硬层可达到整个渗层有效硬化层深的50％以上，因此在行星轮齿部和内孔表面磨削后，仍然能够具有较高的接触疲劳强度和良好的综合机械性能。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是高碳浓度渗碳淬火工艺方法中形成的大的网状、角状、块状碳化物的放大图；
图2为采用固溶处理+高温时效的渗碳淬火工艺的示意图；
图3为采用先固溶处理然后高温时效处理的工件的金相图，其中白点为细小弥散的合金碳化物；
图4为采用等温球化退火的渗碳淬火工艺的示意图；
图5为采用周期球化退火的渗碳淬火工艺的示意图；
图6为采用周期球化退火的渗碳淬火工艺制备的工件金相图，其中白点为细小弥散的合金碳化物。
具体实施方式
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
风力发电机组齿轮箱滚道行星轮渗碳淬火工艺，包括如下步骤：
第一步，对工件进行高碳势渗碳；
其中渗碳温度为940±10℃，强渗碳势为1.2～1.3％，扩散碳势为0.9～1.1％，渗碳时间根据工件的有效硬化层深技术要求确定，如此保证工件渗层淬火后有游离的碳化物生成；
第二步，对第一步中经过高碳势渗碳处理的工件采用先固溶处理然后高温时效的处理方式或
先缓冷处理后球化退火的处理方式；
如图2所示，其中先固溶处理然后高温时效的处理方式具体为：
S1、在完成第一步中的渗碳后炉冷到900±10℃，然后出炉油冷至100℃以下；
在本发明的一个实施例中，为减小热变形，可采用硝盐盐浴冷却，冷却温度适当提高到200℃左右；
油冷后工件渗层金相组织为过冷奥氏体+淬火马氏体+少量细小合金碳化物；
其中过冷奥氏体含量达到50％以上，大部分合金碳化物固溶在过冷奥氏体中；
S2、采用650±10℃高温时效，保温时间根据工件有效截面计算；
具体的，保温时间约为：(2h-4h)/100mm；
该步骤从渗层过冷奥氏体中析出细小、弥散、均匀的合金碳化物，同时渗层淬火马氏体也析出细小、弥散、均匀的三次合金碳化物，
S3、淬火和低温回火处理后空冷得到成品；
其中淬火为在820-830℃温度下等温淬火；
淬火后的工件油冷至100℃以下；
低温回火为在170-180℃的温度下保温处理预设时间；
该步骤处理后工件渗碳层表面金相组织形成回火马氏体+残余奥氏体+弥散细小的合金碳化物，该组织有较高的接触疲劳强度和良好的综合机械性能。
如图3所示，采用上述工艺的工件组织为回火隐针马氏体+残余奥氏体+弥散细小的合金碳化物，表面碳浓度为0.98％，表面硬度为62.1HRC，有效层深为3.20mm，在层深为1.60mm处硬度值为697HV(换算为59.4HRC)，满足了渗层表面59.0HRC的淬硬层可达到整个渗层有效硬化层深的50％以上；
该工艺适合热处理有效截面较大而热处理畸变较小的工件；
具体的，在一个实施例中用于处理齿根圆到内孔的壁厚≥70mm，齿轮模数≥16mm而渗碳淬火后齿厚方向的磨削余量单边≤0.4mm，内孔磨削余量单边≤0.8mm的工件；
如图4、图5所示，先缓冷处理后球化退火的处理方式具体为：
SS1、渗碳后炉冷到850±10℃后出炉到缓冷室冷却到300℃以下；
该过程工件渗层金相组织由奥氏体转变为珠光体+大量网状、角状合金碳化物+少量贝氏体、马氏体组织；
缓冷室有氮气保护防止脱碳氧化，有循环风机保证冷却均匀，室壁有冷却循环水水冷套散热可加快冷速。
可以通过微调循环风机风量、冷却循环水的水量、氮气流量，小范围调整工件缓冷速度，冷却速度可调整为比空冷略大或略小，适当地控制缓冷过程中析出的合金碳化物的大小、形状、数量；
SS2、采用等温球化退火或周期球化退火；
该步骤中网状、角状合金碳化物转变为细小、弥散、均匀的合金碳化物；
等温球化退火或周期球化退火高温加热保温温度为760±10℃(约为Ac1+20～30℃)，球化等温温度推荐为650±10℃(约为Ar1-20～30℃)，具体保温时间根据工件有效截面计算设定；
工件的高温加热保温为两相区温度，组织重组为奥氏体+细小弥散合金碳化物，其中细小合金碳化物可以作为后续球化退火的碳化物形核质点，球化等温过程中，组织转变为珠光体+细小弥散合金碳化物；
在本申请中，具体选择等温球化退火工艺还是周期球化退火工艺，要根据前期渗碳过程中碳化物的大小、数量、形貌来确定，周期球化退火工艺不少于两个周期，球化效果更佳。
SS3、淬火和低温回火处理后空冷得到成品；
其中淬火为工件在820-830℃温度下保温至预设时间；
淬火后的工件出炉油冷至100℃以下；
低温回火为在170-180℃的温度下保温至预设时间；
经该步骤处理后工件渗碳层表面金相组织形成回火马氏体+残余奥氏体+弥散细小的合金碳化物。
如图6所示，采用上述周期球化退火的渗碳淬火工艺的工件金相组织为回火隐针马氏体+残余奥氏体+弥散细小的合金碳化物，表面碳浓度为1.02％，表面硬度为62.5HRC，有效层深为4.3mm，在层深为2.15mm处硬度值为695HV(换算为59.3HRC)，满足了渗层表面59.0HRC的淬硬层可达到整个渗层有效硬化层深的50％以上。
该工艺适合热处理有效截面较小而热处理畸变较大的工件；
具体的，在一个实施例中用于处理齿根圆到内孔的壁厚＜70mm，齿轮模数＜16mm而渗碳淬火后齿厚方向的磨削余量单边＞0.4mm，内孔磨削余量单边＞0.8mm的工件；
在本发明的一个实施例中，上述处理工艺针对的工件材料为18CrNiMo7-6的渗碳齿轮钢。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.风力发电机组齿轮箱滚道行星轮渗碳淬火工艺，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，对工件进行高碳势渗碳；
其中渗碳温度为940±10℃，强渗碳势为1.2～1.3％，扩散碳势为0.9～1.1％；
第二步，对经过第一步中高碳势渗碳处理的工件进行先固溶处理然后高温时效或先缓冷处理后球化退火；
先固溶处理然后高温时效的具体步骤为：
S1、在完成第一步中的渗碳后炉冷到900±10℃，然后出炉油冷；
S2、采用650±10℃高温时效；
S3、淬火和低温回火；
该工艺适用于齿根圆到内孔的壁厚≥70mm，齿轮模数≥16mm而渗碳淬火后齿厚方向的磨削余量单边≤0.4mm，内孔磨削余量单边≤0.8mm的工件；
先缓冷处理后球化退火的具体步骤为：
SS1、在完成第一步中的渗碳后，炉冷到850±10℃，然后出炉到缓冷室冷却到300℃以下；
SS2、采用等温球化退火或周期球化退火；
SS3、淬火和低温回火；
该工艺适用于齿根圆到内孔的壁厚＜70mm，齿轮模数＜16mm而渗碳淬火后齿厚方向的磨削余量单边＞0.4mm，内孔磨削余量单边＞0.8mm的工件；
上述处理工艺针对的工件材料为18CrNiMo7-6的渗碳齿轮钢。
2.根据权利要求1所述的风力发电机组齿轮箱滚道行星轮渗碳淬火工艺，其特征在于，步骤S1油冷后工件渗层金相组织包括过冷奥氏体、淬火马氏体与细小合金碳化物，其中过冷奥氏体的面积百分比达到50％以上。
3.根据权利要求1所述的风力发电机组齿轮箱滚道行星轮渗碳淬火工艺，其特征在于，缓冷室内为氮气气氛，缓冷室内设置有循环风机，缓冷室的室壁设置有冷却循环水水冷套。
4.根据权利要求1所述的风力发电机组齿轮箱滚道行星轮渗碳淬火工艺，其特征在于，等温球化退火或周期球化退火的高温加热保温温度均为Ac1+20～30℃，球化等温温度均为Ar1-20～30℃。
5.根据权利要求1所述的风力发电机组齿轮箱滚道行星轮渗碳淬火工艺，其特征在于，等温球化退火或周期球化退火的高温加热保温温度均为760±10℃，球化等温温度为650±10℃。
6.根据权利要求4所述的风力发电机组齿轮箱滚道行星轮渗碳淬火工艺，其特征在于，周期球化退火工艺不少于两个周期。
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