CN113862445A - 一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法，涉及热加工方法技术领域，解决现有外环制造工序复杂、渗碳层深度不均匀、质量一致性差的技术问题，适用于材料为17Cr2Ni2MoVNb钢、直径为150‑200mm、壁厚为8‑10mm外环的锻造和热处理，包括以下步骤：构建真应力‑应变曲线和热加工图→锻造→正火+高温回火→粗加工→调质处理→粗加工齿形等→气/液复合渗碳+高温回火→淬火+低温回火；本发明将外环渗碳淬火后的椭圆度控制在≤0.15mm，晶粒度≥8.5级，随炉试样旋转弯曲疲劳强度≥1000MPa；使零件在获得高性能的同时仅存在很小的热处理变形，具有良好的工业应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及热加工方法技术领域，更具体的是涉及一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法技术领域。
背景技术
外环是某液力变矩器的核心零件，同时兼顾着性能和减重的要求，且齿部要求渗碳淬火；20Cr2Ni4A钢因经渗碳及高温回火后具有良好的综合机械性能，被广泛应用于制造各种外环；但因其淬透性高且晶粒较大，所制造的外环往往出现热处理变形严重、疲劳寿命波动范围大等问题；以某φ186mm、高78mm的20Cr2Ni4A钢外环为例，该零件要达到1.4mm渗碳层深，需在930℃左右的高温下保温492min；由于高温加热时间长，零件的晶粒度和疲劳强度均不理想，其晶粒度在6级左右，试样旋转弯曲疲劳强度在750MPa左右；此外，若采用自由状态渗碳淬火，该类零件椭圆度在0.3mm左右；为保证零件精度，必须增加渗碳层深度并预留较多的磨削余量，随之带来外环制造工序复杂、渗碳层深度不均匀、质量一致性差等问题，进而导致外环零件的疲劳性能下降。
为控制外环的渗碳淬火变形并提高性能，在制造φ150-200mm外环时，我们使用了比20Cr2Ni4A钢具有更高的疲劳强度，更细的晶粒，热处理变形更小的17Cr2Ni2MoVNb钢；17Cr2Ni2MoVNb钢通过微合金化手段进行组织精细化控制，使渗碳变形显著降低、疲劳性能大幅度提高；此外，17Cr2Ni2MoVNb钢的冶金质量稳定性更易于控制，因此适合于外环零件的精确制造和性能提升；在此基础上，匹配适宜的锻造和热处理工艺，设计有利于减少变形的热处理工装，获得外环高性能小畸变的热加工方法。
发明内容
本发明的目的在于：为了解决上述技术问题，本发明提供一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法。
本发明采用的技术方案如下：一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法，步骤包括：构建真应力-应变曲线和热加工图→锻造→正火+高温回火→粗加工→调质处理→粗加工齿形等→气/液复合渗碳+高温回火→淬火+低温回火；所述构建真应力-应变曲线和热加工图是通过实验测定并构建17Cr2Ni2MoVNb钢的真应力-应变曲线和热加工图，根据真应力-应变曲线和热加工图确定钢材最适宜的锻造温度和应变速率，得出钢材的最佳锻造参数为：变形温度1050℃～ 1150℃，应变速率为0.01s-1～0.75s-1；本发明通过匹配最适宜的锻造温度和保温时间、改造设备控制管路实现气/液复合渗碳提升渗碳速度、设计吸热较小结构合理的装炉料板控制热处理变形等措施，大幅度提高外环性能并减小畸变。
所述渗碳及高温回火的渗碳装炉方式是将已粗加工出齿形的坯料单层平放于花瓣状CFC碳纤维料板上。
所述花瓣状CFC碳纤维料板的花瓣片方向和外环涨缩方向一致。
将易普森可控气氛多用炉CARB-O-PROF系统用于控制氨气的管路改为手动，增加甲醇+有机物催渗剂液体管路并连通原氨气的自动控制点，实现丙烷+ 甲醇+有机物催渗剂的气/液复合渗碳，在原丙烷超级渗碳的基础上使渗碳速度提升30％。
所述有机物催渗剂和甲醇混合比例为1:10。
所述渗碳及高温回火的渗碳过程采用阶梯升温，装有17Cr2Ni2MoVNb钢坯料的料框进炉加热时，先800℃×30min保温再880℃×30min保温，然后进行渗碳。
所述渗碳及高温回火的渗碳处理过程在强渗期通入甲醇+有机物催渗剂以提高渗碳速度，甲醇和催渗剂的流量为0.4mL/min，强渗阶段碳势设定为 1.16％，强渗期时间比例设置为88％；扩散期停止通入有机物催渗剂，碳势设定为0.80％，扩散期时间比例设置为98％。
所述淬火及低温回火采用易普森可控气氛多用炉，加热参数为820℃× 60min，淬火介质为等温分级淬火油，油温设定140℃，淬火后进行低温回火及水喷砂处理。
所述钢料为17Cr2Ni2MoVNb钢。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.通过真应力-应变曲线和热加工图确定17Cr2Ni2MoVNb钢最佳的的热变形温度和变形速率，确保锻造阶段晶粒破碎充分并避免混晶；通过提高渗碳速度减少930℃阶段的保温时间，减少晶粒长大时间；最终使得外环的晶粒度达到8.5级，相比采用传统工艺达到的晶粒度7.5级，提高了1级。
2.渗碳装炉所用的CFC碳纤维料板吸热很小，在升降温过程中，外环坯料上、下端面受热几乎同步，不会因受热不均导致热应力变形。
3.CFC碳纤维料板呈圆环放射状花瓣结构，外环坯料在相应位置对中时，花瓣尺寸可覆盖外环的内外径，确保外环受热和冷却的涨缩过程中各方向所受摩擦阻力基本一致。
4.渗碳前后通过阶梯升温减少坯料在加热过程中产生的热应力，避免加热过程中坯料各部位温度悬殊较大，减少坯料升温过程中产生的变形。
5.通过改造设备实现气/液复合渗碳，在渗碳过程中强渗期通入有机物渗剂以提高渗碳效率，使强渗期阶段的渗碳速度提升30％，达到1.4mm渗碳层，强渗期和扩散期总时间由原超级渗碳的492min缩短为气/液复合催渗的334min；扩散期关闭催渗剂不影响渗碳速度，可节约催渗剂成本。
6.淬火时采用140℃等温分级淬火油可适当调节冷速，在确保冷却应力较小的同时保证17Cr2Ni2MoVNb钢外环的淬透性。
7.采用此方法获得的外环椭圆度≤0.15mm，无需进行压床淬火即可满足机加要求，生产成本低且效率高。
8.采用此热加工方法处理的17Cr2Ni2MoVNb钢摩擦系数明显低于传统热加工方法处理的20Cr2Ni4A钢，其耐磨性能优于20Cr2Ni4A钢。
采用此热加工方法处理的17Cr2Ni2MoVNb钢试样旋转弯曲疲劳强度≥ 1000MPa，较20Cr2Ni4A钢疲劳强度提升≥30％。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为17Cr2Ni2MoVNb钢在0.01s-1和1s-1应变速率下的真应力-应变曲线；
图2为本发明中构建的17Cr2Ni2MoVNb钢热加工图；
图3为本发明外环的热处理工艺流程图；
图4为本发明制备的外环零件及尺寸示意图；
图5为本发明设计的料板及外环装炉示意图；
图6为17Cr2Ni2MoVNb钢零件按传统工艺和本发明工艺处理后的晶粒形貌图；
图7为本发明热加工方法处理17Cr2Ni2MoVNb钢和传统热加工方法处理的20Cr2Ni4A钢摩擦系数对比图；
图8为发明热加工方法处理的17Cr2Ni2MoVNb钢试样旋转弯曲疲劳强度。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-8所示，一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法，步骤包括：构建真应力-应变曲线和热加工图→锻造→正火+高温回火→粗加工→调质处理→粗加工齿形等→气/液复合渗碳+高温回火→淬火+低温回火；具体步骤如下：
S1：根据实验测定真应力-应变曲线，构建热加工图，确定锻造变形温度为 1050℃～1150℃，应变速率为0.01s-1～0.75s-1；
S2:锻造：将钢料加热后进行锻造；
S3：正火及高温回火：将锻造后的钢料依次进行正火及高温回火；
S4：粗加工；
S5：调质处理；
S6：粗加工成齿形坯料；
S7：渗碳及高温回火，所述渗碳为气/液复合渗碳，所述渗碳过程依次包括强渗期、扩数期；
S8：淬火及低温回火。
所述构建真应力-应变曲线和热加工图是通过实验测定并构建 17Cr2Ni2MoVNb钢的真应力-应变曲线和热加工图，根据真应力-应变曲线和热加工图确定17Cr2Ni2MoVNb钢最适宜的锻造温度和应变速率，得出 17Cr2Ni2MoVNb钢的最佳锻造参数为：变形温度1050℃～1150℃，应变速率为 0.01s-1～0.75s-1；本发明通过匹配最适宜的锻造温度和保温时间、改造设备控制管路实现气/液复合渗碳提升渗碳速度、设计吸热较小结构合理的装炉料板控制热处理变形等措施，将外环椭圆度控制在≤0.15mm，晶粒度≥8.5级，随炉试样旋转弯曲疲劳强度≥1000MPa；大幅度提高外环性能并减小畸变。
所述渗碳及高温回火的渗碳装炉方式是将已粗加工出齿形的坯料单层平放于花瓣状CFC碳纤维料板上；所述花瓣状CFC碳纤维料板的花瓣片方向和外环涨缩方向一致；将易普森可控气氛多用炉CARB-O-PROF系统用于控制氨气的管路改为手动，增加甲醇+有机物催渗剂液体管路并连通原氨气的自动控制点，实现丙烷+甲醇+有机物催渗剂的气/液复合渗碳，在原丙烷超级渗碳的基础上使渗碳速度提升30％；所述有机物催渗剂和甲醇混合比例为1:10；渗碳过程采用阶梯升温，装有17Cr2Ni2MoVNb钢坯料的料框进炉加热时，先800℃×30min 保温再880℃×30min保温，然后进行渗碳；渗碳处理过程在强渗期通入甲醇+ 有机物催渗剂以提高渗碳速度，甲醇和催渗剂的流量为0.4mL/min，此阶段碳势设定为1.16％，强渗期时间比例设置为88％；扩散期关闭催渗剂，碳势设定为0.80％，扩散期时间比例设置为98％。
所述淬火及低温回火采用易普森可控气氛多用炉，加热参数为820℃× 60min，淬火介质为等温分级淬火油，油温设定140℃，淬火后进行低温回火及水喷砂处理，然后转精加工，得到外环成品。
实施例1
如图3所示为外环的热处理工艺流程图，一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法，具体包括如下步骤：
步骤一，采用17Cr2Ni2MoVNb钢、直径φ90mm的圆棒进行锻造，获得圆环毛坯，再进行正火+高温回火、粗加工、调质、半精加工、渗碳+高温回火、淬火+低温回火；锻造方式为自由锻，锻造比约4，始锻温度1150℃，终端温度 1050℃，应变速率为0.01s-1～0.75s-1，锻造完后灰冷；正火参数：930℃×90min、分散空冷，高温回火参数：650℃×150min、空冷；接着将毛坯粗车；调质参数 880℃×60min、油冷，550℃×150min、水冷，目的为均匀组织，细化晶粒，消除机加应力；然后进行半精车加工，粗加工齿和花键，得到外环半成品；
步骤二，渗碳处理，在易普森可控气氛多用炉中采用阶梯升温方式加热，先800℃×30min保温，再880℃×30min保温，此阶段碳势控制在0.4± 0.025％；然后升温至930℃，在此过程中的900℃设置1min程序停留点，此时在易普森CARB-O-PROF系统中将控制液体(甲醇+催渗剂)的管道打开，设定流量为0.4ml/min，设定碳势为1.16％；930℃强渗期时间比例控制为88％，设定碳势为1.16％；930℃扩散期时间比例控制为98％，设定碳势为0.80％，并在此时关闭液体管道；然后随炉降温至800℃，随炉降温期间碳势设定为0.80％，到温后将零件转移至冷却室；冷却至室温后再进行640℃×240min的高温回火，以消除大部分残余奥氏体并降低硬度。
步骤三，淬火处理，将外环半成品在易普森可控气氛多用炉中加热至820℃保温60min，然后淬火，淬火介质为等温分级淬火油，温油设定140℃；淬火后进行180℃×240min的低温回火处理，低温回火后进行水喷砂，然后转精加工，得到外环成品。
Claims (9)
1.一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据实验测定真应力-应变曲线，构建热加工图，确定锻造变形温度为1050℃～1150℃，应变速率为0.01s-1～0.75s-1；
S2:锻造：将钢料加热后进行锻造；
S3：正火及高温回火：将锻造后的钢料依次进行正火及高温回火；
S4：粗加工；
S5：调质处理；
S6：粗加工成齿形坯料；
S7：渗碳及高温回火，所述渗碳为气/液复合渗碳，所述渗碳过程依次包括强渗期、扩数期；
S8：淬火及低温回火。
2.根据权利要求1所述的一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法，其特征在于，所述渗碳及高温回火步骤中，将已粗加工出齿形的外环坯料单层平放于花瓣状CFC碳纤维料板上进行渗碳及高温回火。
3.根据权利要求2所述的一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法，其特征在于，所述花瓣状CFC碳纤维料板的花瓣片方向和外环涨缩方向一致。
4.根据权利要求1所述的一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法，其特征在于，采用丙烷+甲醇+有机物催渗剂的气/液复合渗碳的方法，易普森可控气氛多用炉中用于控制氨气的管路为手动，同时，将甲醇及有机物催渗剂液体管路连通原氨气的自动控制点，实现甲醇及有机物催渗剂自动控制，且在原丙烷超级渗碳的基础上使渗碳速度提升30％。
5.根据权利要求4所述的一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法，其特征在于，所述有机物催渗剂和甲醇混合比例为1:10。
6.根据权利要求4所述的一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法，其特征在于，所述渗碳及高温回火的渗碳处理过程在强渗期通入甲醇+有机物催渗剂以提高渗碳速度，甲醇和催渗剂的流量为0.4mL/min，强渗阶段碳势设定为1.16％，强渗期时间比例设置为88％；扩散期停止通入所述有机物催渗剂，碳势设定为0.80％，扩散期时间比例设置为98％。
7.根据权利要求1所述的一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法，其特征在于，所述渗碳及高温回火的渗碳过程中，采用阶梯升温方法，将外环坯料装入料框后进炉加热时，先在800℃保温30min，再在880℃下保温30min，然后进行渗碳。
8.根据权利要求1所述的一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法，其特征在于，所述淬火及低温回火采用易普森可控气氛多用炉，加热参数为820℃×60min，淬火介质为等温分级淬火油，油温设定140℃，淬火后进行低温回火及水喷砂处理。
9.根据权利要求1所述的一种高性能小畸变渗碳外环的热加工方法，其特征在于，所述钢料为17Cr2Ni2MoVNb钢。
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