CN114000094B - 一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料热处理技术领域，具体涉及一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺。该工艺包括，对插齿后的薄壁齿轮进行低温回火、空冷处理；对薄壁齿轮进行预氧化处理，温度为400‑500℃，时间为1‑2h；对薄壁齿轮进行渗碳处理：将薄壁齿轮分阶段升温至900‑930℃；在温度为900‑930℃，碳势为1.0‑1.2％下对升温后的薄壁齿轮进行时间为3‑5h的强渗处理；在温度为900‑930℃，碳势为0.7‑0.9％下进行时间为1‑2h的扩散处理；在碳势为0.7‑0.9％下降温至800‑850℃；在碳势为0.7‑0.9％、800‑850℃下均温处理；对薄壁齿轮进行分阶段油淬冷却处理；薄壁齿轮冷却结束后，依次进行沥油、清洗，低温回火，空冷，完成渗碳淬火。本发明既能控制薄壁齿轮渗碳淬火变形量，又能确保热处理性能及组织均不超差。
Description
技术领域
本发明属于金属材料热处理技术领域，具体涉及一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺。
背景技术
目前，齿轮件热处理渗碳淬火工艺技术较成熟，大部分齿轮渗碳淬火工艺不存在技术瓶颈，但对于薄壁齿轮，既要保证表面硬度、有效硬化层、心部硬度及渗层组织符合要求，又要控制淬火冷却变形；工艺难度大。现有的渗碳淬火工艺处理后的薄壁齿轮一般存在较大的椭圆变形和翘曲变形，且无法通过热前留量热后加工的方式解决变形问题，导致此类齿轮废品率高。现急需一种变形小的适用于薄壁齿轮的渗碳淬火及冷却工艺。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺，既能控制薄壁齿轮渗碳淬火变形量，又能确保热处理性能及组织均不超差。
为解决现有技术的不足，本发明提供的技术方案为：
一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺，包括，
S1：对插齿后的薄壁齿轮进行低温回火、空冷处理；
S2：对S1处理后的薄壁齿轮进行预氧化处理，温度为400-500℃，时间为1-2h；
S3：对S2处理后的薄壁齿轮进行渗碳处理，包括：
S31：将S2处理后的薄壁齿轮分阶段升温至900-930℃；
S32：在温度为900-930℃、碳势为1.0-1.2％下，对升温后的薄壁齿轮进行时间为3-5h的强渗处理；
S33：强渗处理后，在温度为900-930℃、碳势为0.7-0.9％下，进行时间为1-2h的扩散处理；
S34：扩散处理后，在碳势为0.7-0.9％下降温至800-850℃；
S35：在碳势为0.7-0.9％、800-850℃下均温处理30min；
S4：对S35处理后的薄壁齿轮进行分阶段油淬冷却处理；
S5：S4处理后，依次进行沥油、清洗，低温回火，空冷处理，完成渗碳淬火。
优选的，所述步骤S1中，低温回火的温度为160-200℃，时间为1-2h。
优选的，所述步骤S2中，对薄壁齿轮的预氧化时间为1.5h。
优选的，所述将S2处理后的薄壁齿轮分阶段升温至900-930℃，包括，
阶段一：将薄壁齿轮升温至750-800℃，均温20-60min；
阶段二：将薄壁齿轮升温至900-930℃，均温20-60min。
优选的，所述阶段一中，将薄壁齿轮升温至780℃，均温30min；
所述阶段二中，将薄壁齿轮升温至920℃，均温30min。
优选的，所述步骤S32中，所述强渗处理的温度为920℃，碳势为1.1％，时间为5h。
优选的，所述步骤S33中，所述扩散处理的温度为920℃，碳势为0.8％，时间为1.5h。
优选的，所述步骤S34中，在碳势为0.8％下将薄壁齿轮降温至800℃；
所述步骤S35中，在碳势为0.8％、温度为800℃下将薄壁齿轮均温处理30min。
优选的，所述对S35处理后的薄壁齿轮进行分阶段油淬冷却处理，包括，
将薄壁齿轮转移至静止的淬火油槽中冷却2-8min，所述淬火油槽内的油温为80℃-120℃，薄壁齿轮从渗碳设备转移至淬火油槽的转移时间为35-45s；
打开淬火油槽搅拌装置，搅拌速度为800-1000rpm，薄壁齿轮在淬火油槽中冷却至淬火结束。
优选的，所述步骤S5中，低温回火的温度为160-200℃，时间为2-4h。
本发明的有益效果：
本发明提供的薄壁齿轮的渗碳淬火工艺，通过渗碳前的低温回火消除插齿产生的零件内应力；同时通过分阶段升温至渗碳温度减小加热过程产生的热应力；通过降低淬火阶段的起始温度降低薄壁齿轮淬火变形，通过对薄壁齿轮进行分阶段油淬冷却降低薄壁齿轮表面与心部组织转变快慢差异产生的组织应力，大幅度降低了薄壁齿轮热处理过程中的椭圆变形和翘曲变形，使得薄壁齿轮符合图纸要求尺寸范围，产品热处理合格率超99％；同时经过剖切检验，薄壁齿轮表面硬度59-60HRC、有效硬化层1.0-1.2mm、心部硬度34-36HRC、碳化物等级1级、马氏体及残余奥氏体等级2级；均符合国标及图纸要求。
附图说明
图1为实施例一提供的薄壁齿轮渗碳阶段的工艺图；
图2为对比例一提供的薄壁齿轮渗碳阶段的工艺图；
图3为对比例二提供的薄壁齿轮渗碳阶段的工艺图。
具体实施方式
下面结合实施方式对本发明作进一步描述。以下实施方式仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺，包括以下步骤：
步骤一：对插齿后的薄壁齿轮在回火炉内进行低温回火，空冷至室温，以消除插齿产生的零件内应力，减少热处理累加变形。
其中，低温回火的温度为160-200℃，优选180℃；回火时间为1-2h，优选2h。
步骤二：在回火炉内对薄壁齿轮进行预氧化处理，温度为400-500℃，时间为1-2h。优选预氧化时间为1.5h。预氧化后不降温直接进行渗碳处理。
预氧化的目的是使薄壁齿轮表面活化，为渗碳淬火表面做组织准备，同时可作为下一步渗碳阶段的预热阶段。
步骤三：对薄壁齿轮进行渗碳处理，包括：
31)将预氧化处理后的薄壁齿轮分阶段升温至渗碳温度900-930℃：
阶段一：升温至750-800℃，均温20-60min。阶段一优选升温至780℃，均温30min。
阶段二：升温至900-930℃，均温20-60min。阶段二优选升温至920℃，均温30min。
采用两段阶梯升温能够减小加热过程产生的热应力，降低薄壁齿轮变形量。
32)强渗阶段：温度900-930℃，碳势为1.0-1.2％，时间3-5h。优选温度为920℃，碳势为1.1％，时间为5h。强渗阶段使渗层达到图纸要求渗层的90％。
33)扩散阶段：温度900-930℃，碳势为0.7-0.9％，保持1-2h。优选温度为920℃，碳势为0.8％，时间为1.5h。扩散阶段目的是调整渗层碳浓度，以获得一个合理的碳浓度梯度。
34)降温至800-850℃，降温过程中碳势为0.7-0.9％。优选降温至800℃，碳势为0.8％。
35)在800-850℃均温20-60min，碳势为0.7-0.9％。优选在800℃均温30min，碳势为0.8％。淬火温度偏下限可降低薄壁齿轮淬火变形。
在渗碳处理时，渗碳设备可选用MEs150/90/85型可控气氛密封箱式多用炉，通过调节碳源气氛的流量来控制碳势。对于碳源气氛，本发明并无特别限制，可以使用本领域技术人员熟知的丙烷、甲醇等，只要能够满足本发明中的碳势的要求即可，碳源气氛的使用也属于本领域技术人员公知的常识。
步骤四：对渗碳处理后的薄壁齿轮进行分阶段油淬冷却：
41)淬火油槽内的油温为80℃-120℃，薄壁齿轮从加热室转移至淬火油槽的转移时间为35-45s，薄壁齿轮在静止的淬火油槽中冷却2-8min。在高温区减缓降温可大幅降低薄壁齿轮表面与心部组织转变快慢差异产生的组织应力。
42)打开淬火油槽搅拌装置，搅拌速度为800-1000rpm，薄壁齿轮在淬火油槽中冷却至淬火结束。在低温区快速冷却可确保获得足量的淬火马氏体组织。
步骤五：薄壁齿轮油淬冷却结束后，沥油、清洗干净薄壁齿轮表面带的淬火油，在回火炉内低温回火，并空冷至室温。低温回火的温度为160-200℃，优选170℃；时间为2-4h，优选2h。经过低温回火，能够将不稳定的淬火马氏体组织转变为稳定的回火马氏体组织，同时消除淬火组织应力，稳定尺寸及组织。
实施例一
1)准备薄壁齿轮毛坯，要求如下
材料：20CrMnTi
表面硬度：156-207HB
晶粒度等级：≥6级
带状组织等级：≤2级
2)薄壁齿轮毛坯经过插齿后，用台车电阻炉进行180℃±5℃，2小时的低温回火处理，出炉后空冷至室温；
3)薄壁齿轮完成精车、钻孔加工至热前状态后，用多用炉生产线上回火炉进行400℃±5℃，90min预氧化处理，预氧化结束后带温进入多用炉生产线加热炉内；
4)薄壁齿轮进入多用炉生产线加热炉加热室后按图1所示工艺进行渗碳处理：
41)升温1小时，温度升至780℃±5℃，不控碳势，均温30min；
42)升温1小时，温度升至920℃±5℃，不控碳势，均温30min；
43)920℃±5℃保温，碳势控制1.1％±0.05％，进行5小时强渗；
44)920℃±5℃保温，碳势控制0.8％±0.05％，进行1.5小时扩散；
45)降温2小时，降温至800℃±5℃，进行淬火保持，均温30min，降温及均温时碳势控制0.8％±0.05％；
5)薄壁齿轮由加热室转移至淬火室进行油冷淬火(油温：110℃)，淬火转移时间40s：
淬火段1：淬火油槽搅拌停止；淬火油静止冷却3min；
淬火段2：淬火油槽搅拌开启；淬火油搅拌速度800rpm，冷却30min；
6)出炉清洗结束后，用多用炉生产线上回火炉进行170℃±5℃，2小时低温回火，出炉后空冷至室温。
结束后对薄壁齿轮进行金相检测，数据见表1，采用本发明提供的渗碳工艺处理的薄壁齿轮满足国标要求。
表1薄壁齿轮的金相检测数据
薄壁齿轮热处理前后尺寸变化见表2，热处理后尺寸无超差，符合内花键公差要求。
表2薄壁齿轮热处理前后尺寸变形对比
对比例一
1)准备薄壁齿轮毛坯，要求如下
材料：20CrMnTi
表面硬度：156-207HB
晶粒度等级：≥6级
带状组织等级：≤2级
2)薄壁齿轮完成精车、钻孔加工至热前状态后，用多用炉生产线上回火炉进行400℃±5℃，90min预氧化处理，预氧化结束后带温进入多用炉生产线加热炉内；
3)薄壁齿轮进入多用炉生产线加热炉加热室后按图2所示工艺进行渗碳处理：
31)升温1.5小时，温度升至920℃±5℃，不控碳势，均温30min；
32)920℃±5℃保温，碳势控制1.1％±0.05％，进行5小时强渗；
33)920℃±5℃保温，碳势控制0.8％±0.05％，进行1.5小时扩散；
34)降温1.5小时，降温至840℃±5℃，进行淬火保持，均温30min，降温及均温时碳势控制0.8％±0.05％；
4)薄壁齿轮由加热室转移至淬火室进行油冷淬火(油温110℃)：
淬火段1：淬火油槽搅拌开启；搅拌速度1000rpm，冷却10min；
淬火段2：淬火油槽搅拌开启；淬火油搅拌速度800rpm，冷却20min；
5)出炉清洗结束后，用多用炉生产线上回火炉进行170℃±5℃，2小时低温回火，出炉后空冷至室温。
结束后对薄壁齿轮进行金相检测，数据见表3，采用本对比例提供的渗碳工艺处理的薄壁齿轮满足国标要求。
表3薄壁齿轮金相检测数据
薄壁齿轮热处理前后尺寸变化见表4，结果表明薄壁齿轮热处理后尺寸超差严重，报废。
表4薄壁齿轮热处理前后尺寸变形对比
对比例二
1)准备薄壁齿轮毛坯，要求如下
材料：20CrMnTi
表面硬度：156-207HB
晶粒度等级：≥6级
带状组织等级：≤2级
2)薄壁齿轮毛坯经过插齿后，用台车电阻炉进行180℃±5℃，2小时的低温回火处理，出炉后空冷至室温；
3)薄壁齿轮完成精车、钻孔加工至热前状态后，用多用炉生产线上回火炉进行400℃±5℃，90min预氧化处理，预氧化结束后带温进入多用炉生产线加热炉内；
4)薄壁齿轮进入多用炉生产线加热炉加热室后按图3所示工艺进行渗碳处理：
41)升温1.5小时，温度升至900℃±5℃，不控碳势，均温30min；
42)900℃±5℃保温，碳势控制1.1％±0.05％，进行5小时强渗；
43)900℃±5℃保温，碳势控制0.8％±0.05％，进行2小时扩散；
44)降温1.5小时，降温至800℃±5℃，进行淬火保持，均温30min，降温及均温时碳势控制0.8％±0.05％；
5)薄壁齿轮由加热室转移至淬火室进行油冷淬火：
淬火段1：淬火油槽搅拌开启；搅拌速度1200rpm，冷却10min；
淬火段2：淬火油槽搅拌开启；淬火油搅拌速度800rpm，冷却20min；
6)出炉清洗结束后，用多用炉生产线上回火炉进行170℃±5℃，2小时低温回火，出炉后空冷至室温。
结束后对薄壁齿轮进行金相检测，数据见表3，采用本对比例提供的渗碳工艺处理的薄壁齿轮满足国标要求。
表5薄壁齿轮金相检测数据
薄壁齿轮热处理前后尺寸变化见表6，结果表明薄壁齿轮热处理后尺寸超差严重，报废。
表6薄壁齿轮热处理前后尺寸变形对比
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺，其特征在于，包括，
S1：对插齿后的薄壁齿轮进行低温回火、空冷处理；
S2：对S1处理后的薄壁齿轮进行预氧化处理，温度为400-500℃，时间为1-2h；
S3：对S2处理后的薄壁齿轮进行渗碳处理，包括：
S31：将S2处理后的薄壁齿轮分阶段升温至900-930℃；
S32：在温度为900-930℃、碳势为1.0-1.2％下，对升温后的薄壁齿轮进行时间为3-5h的强渗处理；
S33：强渗处理后，在温度为900-930℃、碳势为0.7-0.9％下，进行时间为1-2h的扩散处理；
S34：扩散处理后，在碳势为0.7-0.9％下降温至800-850℃；
S35：在碳势为0.7-0.9％、800-850℃下均温处理；
S4：对S35处理后的薄壁齿轮进行分阶段油淬冷却处理；
S5：S4处理后，依次进行沥油、清洗，低温回火，空冷处理，完成渗碳淬火。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺，其特征在于，所述步骤S1中，低温回火的温度为160-200℃，时间为1-2h。
3.根据权利要求1所述的一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺，其特征在于，所述步骤S2中，对薄壁齿轮的预氧化时间为1.5h。
4.根据权利要求1所述的一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺，其特征在于，所述将S2处理后的薄壁齿轮分阶段升温至900-930℃，包括，
阶段一：将薄壁齿轮升温至750-800℃，均温20-60min；
阶段二：将薄壁齿轮升温至900-930℃，均温20-60min。
5.根据权利要求4所述的一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺，其特征在于，
所述阶段一中，将薄壁齿轮升温至780℃，均温30min；
所述阶段二中，将薄壁齿轮升温至920℃，均温30min。
6.根据权利要求1所述的一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺，其特征在于，所述步骤S32中，所述强渗处理的温度为920℃，碳势为1.1％，时间为5h。
7.根据权利要求1所述的一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺，其特征在于，所述步骤S33中，所述扩散处理的温度为920℃，碳势为0.8％，时间为1.5h。
8.根据权利要求1所述的一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺，其特征在于，
所述步骤S34中，在碳势为0.8％下将薄壁齿轮降温至800℃；
所述步骤S35中，在碳势为0.8％、温度为800℃下将薄壁齿轮均温处理30min。
9.根据权利要求1所述的一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺，其特征在于，所述对S35处理后的薄壁齿轮进行分阶段油淬冷却处理，包括，
将薄壁齿轮转移至静止的淬火油槽中冷却2-8min，所述淬火油槽内的油温为80℃-120℃，薄壁齿轮从渗碳设备转移至淬火油槽的转移时间为35-45s；
打开淬火油槽搅拌装置，搅拌速度为800-1000rpm，薄壁齿轮在淬火油槽中冷却至淬火结束。
10.根据权利要求1所述的一种薄壁齿轮的渗碳淬火工艺，其特征在于，所述步骤S5中，低温回火的温度为160-200℃，时间为2-4h。
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2021
- 2021-11-03 CN CN202111292236.3A patent/CN114000094B/zh active Active
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