CN115011779A - 一种高速重载汽车氮化内齿圈及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种高速重载汽车氮化内齿圈及其生产工艺，其包括：将中碳合金钢锻造成环坯，中碳合金钢包括按照质量百分比计的：C：0.4‑0.42％、Si：0.15‑0.4％、Mn：0.3‑0.5％、Cr：1.5‑2.0％、Mo：0.2‑0.3％、V：0.2‑0.35％、S：≤0.035％、P：≤0.035％，其余为Fe和一些不可避免的杂质；将环坯依次进行热处理、精加工、喷丸和氮化处理，得到内齿圈；其中氮化处理包括两段式渗氮处理，两段式渗氮处理包括：渗氮阶段：将炉温升至500‑520℃，升温速率为60‑70℃/h，在该温度保温15‑25h，该阶段控制氨气分解率为15‑20％；扩散阶段：升温至530‑540℃，升温速率为100‑150℃/h，然后保温20‑30h，该阶段氨气分解率控制为55‑75％。本发明工艺制备的内齿圈齿面表面硬度可达950‑1100HV，氮化层深0.8‑1.2mm，白亮层10‑15um，脆性级别1‑2级，疏松级别1‑2级，脉状等级1‑2级。

Description

一种高速重载汽车氮化内齿圈及其生产工艺
技术领域
本申请涉及汽车制造领域，特别涉及一种高速重载汽车氮化内齿圈及其生产工艺。
背景技术
高速重载汽车变速箱内齿圈是变速箱内部中的一个重要部件，其直径大，壁厚薄，齿圈加工精度要求较高，且要求基体具有较高的韧性，齿面具有较高的耐磨性和耐蚀性。
目前相关技术中，高速重载汽车内齿圈主要采用渗碳热处理进行强化，材料多为渗碳钢；也有采用氮化处理生产风机内齿圈和车桥内齿圈等转速较慢、载荷较轻的内齿圈。
但是，采用渗碳热处理工艺加热温度高达930℃，内齿圈变形较大，需通过后续的压淬工序控制变形，设备能耗大，生产效率低，生产成本较高；现有氮化工艺技术多针对转速较慢、载荷较轻的内齿圈，目前常见的低速、轻载和中载内齿圈的氮化层深为0.6mm及以下，因氮化齿圈相比渗碳齿圈层深较浅，弯曲疲劳强度相对较低，无法满足高转速高扭矩工作条件，且氮化齿圈表面的白亮层为一层硬脆相，其在齿轮啮合过程中存在剥落开裂的风险。
发明内容
本申请实施例提供一种高速重载汽车氮化内齿圈及其生产工艺，以解决相关技术中氮化齿圈层深较浅，疲劳强度低，表面存在硬脆相白亮层，从而无法应用于高速重载类型汽车的问题。
第一方面，提供了一种高速重载汽车氮化内齿圈生产工艺，其包括：
将中碳合金钢锻造成环坯，中碳合金钢包括按照质量百分比计的：C：0.4-0.42％、Si：0.15-0.4％、Mn：0.3-0.5％、Cr：1.5-2.0％、Mo：0.2-0.3％、V：0.2-0.35％、S：≤0.035％、P：≤0.035％，其余为Fe和一些不可避免的杂质；
将环坯依次进行热处理、精加工、喷丸和氮化处理，得到内齿圈；
其中，氮化处理包括两段式渗氮处理，两段式渗氮处理包括：
渗氮阶段：将炉温升至500-520℃，升温速率为60-70℃/h，在该温度保温15-25h，该阶段控制氨气分解率为15-20％；
扩散阶段：升温至530-540℃，升温速率为100-150℃/h，然后保温20-30h，该阶段氨气分解率控制为55-75％。
一些实施例中，两段式渗氮处理还包括：当炉内温度升至400℃以后，滴入稀土渗剂至两段式渗氮处理结束，稀土渗剂的滴入量为0.8-1.0L/h。
一些实施例中，稀土催渗剂包括La(OCH3)3和乙醇，其中，La(OCH3)3和乙醇的配比为100ml乙醇中溶入80-120mg La(OCH3)3。
一些实施例中，在两段式渗氮处理之前，氮化处理还包括预氧化，预氧化包括：以150-250℃/h的升温速率，将炉温升至350-400℃，并保温1-2h。
一些实施例中，在两段式渗氮处理之后，氮化处理还包括降温过程，降温过程包括：以50-70℃/h的降温速率，将炉温降至400℃，然后再以20-30℃/h的降温速率降温至150℃；炉温降至150℃后，环坯出炉空冷。
一些实施例中，热处理包括正火处理，正火处理包括：在870-890℃的正火温度下对环坯进行加热，并保温1.5-2h后空冷。
一些实施例中，在正火处理之后，热处理还包括退火处理，退火处理包括：在860-880℃的退火温度下对环坯进行退火，保温3h后以15-20℃/h的降温速率冷却至200℃，之后出炉空冷，退火后环坯的硬度控制在140-160HB。
一些实施例中，在退火处理之后，热处理还包括调质处理，调质处理包括：将环坯加热至860-880℃，保温1.5-2h后采用淬火油进行压淬；淬火后在600-630℃的温度下回火，并保温1.5-2.5h，调质后环坯的硬度控制在320HB-360HB。
一些实施例中，喷丸时，采用的钢丸直径1-2mm，喷丸频率25-30KHZ，喷丸时间20-25min。
第二方面，提供了一种采用如上所述生产工艺获得的高速重载汽车氮化内齿圈。
本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：本发明生产工艺制备的内齿圈齿面表面硬度可高达950-1100HV，氮化层深0.8-1.2mm，硬度梯度比较平缓，距离表面0.3mm位置的硬度≥550HV，白亮层为10-15um，脆性级别1-2级，疏松级别为1-2级，脉状等级为1-2级：
1.氮化内齿圈的选材为专用中碳合金钢，其内部里面含有一定的Mn、Cr、Mo、V合金元素，可以提高环坯调质时的淬透性，消除基体中的铁素体并保证内齿圈内外硬度的均匀性，此外Cr、Mo、V可以提高内齿圈表面的氮化硬度，同时以上合金含量的控制可以提高氮化层深，且使内齿圈环坯退火后的硬度控制在140HB-160HB，满足冷挤压对环坯硬度的要求；
2.采用两段式渗氮处理，第一阶段为渗氮阶段采用低温高氮势，第二阶段为扩散阶段采用高温低氮势，采用该氮化工艺可以获得硬化梯度比较平缓的硬度曲线，且把内齿圈表面的白亮层控制在15um以下，降低白亮层剥落和开裂的风险；
3.氮化处理过程中对表面进行预氧化处理，可以有效除去内齿圈表面的污渍，同时促进氮原子的渗入，进一步提高层深深度；
4.两段式渗氮处理过程采用稀土催渗，可以大大活化内齿圈表面，且大大加快渗氮速度，进一步提高氮化层深；
5.内齿圈氮化前采用超声喷丸处理可以在零件表面制备出厚度18-20um的纳米晶层，进而提高渗氮速度，也可以提高表面硬度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的氮化层硬度曲线。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种高速重载汽车氮化内齿圈及其生产工艺，其能解决目前相关技术中氮化齿圈相比渗碳齿圈层深较浅，弯曲疲劳强度相对较低，无法满足高转速高扭矩工作条件的问题；且目前技术氮化齿圈表面的白亮层为一层硬脆相，其在齿轮啮合过程中存在剥落开裂的风险，本申请实施例可获得硬化梯度比较平缓的硬度曲线，且把零件表面的白亮层控制在15um以下，降低白亮层剥落和开裂的风险。
实施例1：
一种氮化内齿圈，外径263mm，内径240mm，高度68mm，模数3.6mm。其具体技术方案和工艺步骤如下：
1)选材：采用一种专用中碳合金钢，其中材料的主要合金元素质量百分比如下：C：0.4％、Si：0.4％、Mn：0.3％、Cr：1.5％、Mo：0.2％、V：0.2％、S：≤0.035％、P：≤0.035％，其余为Fe和一些不可避免的杂质元素；
2)锻造：将上述中碳合金钢进行锻造，碾环至环坯，带状级别1-2级；
3)正火处理：对环坯进行正火处理，正火处理加热温度870℃，保温2h后空冷；
4)退火处理：对环坯进行退火处理，退火处理在880℃的温度下保温3h，然后缓慢冷却至200℃，降温速度为15℃/h，之后出炉空冷，退火处理后的环坯硬度控制在140HB；
5)冷挤压：对退火处理后的环坯进行冷挤压成形；
6)调质：对粗加工后的环坯进行调质处理，调质处理工艺如下：将环坯加热至860℃，保温2h，然后将环坯移动至压模部位进行压淬，淬火介质为快速淬火油，之后对淬火后的环坯在620℃的温度下进行回火，保温时间1.5h，调质处理后的环坯硬度为320-330HB，环坯组织为全回火索氏体；
7)精加工：对调质处理后的环坯进行精加工成形；
8)喷丸：对精加工后的内齿圈进行超声喷丸，钢丸直径为1mm，喷丸频率为25KHz，喷丸时间为20min；
9)氮化处理：对喷丸之后的的内齿圈进行气体氮化处理；
10)包装：对氮化处理后的内齿圈进行防锈包装。
步骤9中氮化处理包含以下步骤：
1)清洗：采用专用清洗设备将环坯表面的油污清洗干净，之后装炉；
2)预氧化：环坯装炉后，对炉子进行升温，升温速率为150℃/h，升温至350℃，保温1h，对环坯进行预氧化处理，以除去环坯表面的污渍；
3)两段式渗氮处理：预氧化完成后，将炉温升至500℃，升温速率为60℃/h，在该温度保温25h，该阶段控制氨气分解率为15％；之后升温至530℃，升温速率为100℃/h，然后保温20h，该阶段氨气分解率控制为75％；两段式渗氮处理过程中当炉内温度升至400℃以后，滴入稀土渗剂至氮化结束，渗剂的滴入量为0.8L/h，渗剂包括La(OCH3)3和乙醇，其中，La(OCH3)3和乙醇的配比为100ml乙醇中溶入80mg La(OCH3)3。
4)降温过程：两段式渗氮处理结束后，开始降温，降温速率为50℃/h，降温至400℃，接着再以20℃/h的速率降温至150℃；
5)出炉：炉温降至150℃后，环坯出炉空冷。
采用该氮化工艺处理的内齿圈齿面表面硬度高达950HV，氮化层深0.8mm，硬度梯度比较平缓，距离表面0.3mm位置的硬度为550HV，白亮层为10um，脆性级别为1-2级，疏松级别为1-2级，脉状等级为1-2级，且变形满足技术要求。
实施例2：
一种汽车氮化内齿圈，外径255mm，内径230mm，高度60mm，模数4.0mm。其具体技术方案和工艺步骤如下：
1)选材：本专利采用一种专用中碳合金钢，其中材料的主要合金元素质量百分比如下：C：0.42％、Si：0.15％、Mn：0.5％、Cr：2.0％、Mo：0.3％、V：0.35％、S：≤0.035％、P：≤0.035％，其余为Fe和一些不可避免的杂质元素；
2)锻造：将上述中碳合金钢进行锻造，碾环至环坯，带状级别1-2级；
3)正火处理：对环坯进行正火处理，正火处理加热温度890℃，保温1.5h后空冷；
4)退火处理：对环坯进行退火处理，退火处理在880℃的温度下保温3h，然后缓慢冷却至200℃，降温速度为20℃/h，之后出炉空冷，退火处理后的环坯硬度控制在160HB；
5)冷挤压：对退火处理后的环坯进行冷挤压成形；
6)调质处理：对粗加工后的环坯进行调质处理，调质处理工艺如下：将环坯加热至880℃，保温1.5h，然后将环坯移动至压模部位进行压淬，淬火介质为快速淬火油，之后对淬火后的环坯在630℃的温度下进行回火，保温时间1.5h，调质处理后的环坯硬度控制在340-360HB；
7)精加工：对调质处理后的环坯进行精加工成形；
8)喷丸：对精加工后的内齿圈进行超声喷丸，为了保证齿圈的表面粗糙度，钢丸直径为2mm，喷丸频率为30KHz，喷丸时间为25min；
9)氮化处理：对喷丸之后的的内齿圈进行气体氮化处理；
10)包装：对氮化处理后的内齿圈进行防锈包装。
步骤9中氮化处理包含以下步骤：
1)清洗：采用专用清洗设备将环坯表面的油污清洗干净，之后装炉；
2)预氧化：环坯装炉后，对炉子进行升温，升温速率为250℃/h，升温至400℃，保温2h，对环坯进行预氧化处理，以除去环坯表面的污渍；
3)两段式渗氮处理：预氧化完成后，将炉温升至520℃，升温速率为70℃/h，在该温度保温15h，该阶段控制氨气分解率为20％；之后升温至540℃，升温速率为150℃/h，然后保温30h，该阶段氨气分解率控制为75％；两段式渗氮处理过程中当炉内温度升至400℃以后，滴入稀土渗剂至氮化结束，渗剂的滴入量为1.0L/h，渗剂包括La(OCH3)3和乙醇，其中，La(OCH3)3和乙醇配比为100ml乙醇中溶入120mg La(OCH3)3。
4)降温过程：两段式渗氮处理结束后，开始降温，降温速率为70℃/h，降温至400℃，接着再以30℃/h的速率降温至150℃；
5)出炉：炉温降至150℃后，环坯出炉空冷。
采用该氮化工艺处理的内齿圈齿面表面硬度高达1100HV，氮化层深1.2mm，硬度梯度比较平缓，距离表面0.3mm位置的硬度为575HV，白亮层为15um，脆性级别为1-2级，疏松级别为1-2级，脉状等级为1-2级，且变形满足技术要求，图1为该内齿圈的硬度曲线。
实施例3：
一种汽车氮化内齿圈，外径255mm，内径220mm，高度60mm，模数3.8mm。其具体技术方案和工艺步骤如下：
本发明介绍了一种高速重载变速箱氮化内齿圈，具体技术方案和工艺步骤如下：
1)选材：本专利采用一种专用中碳合金钢，其中材料的主要合金元素质量百分比如下：C：0.41％、Si：0.3％、Mn：0.4％、Cr：1.8％、Mo：0.25％、V：0.28％、S：≤0.035％、P：≤0.035％，其余为Fe和一些不可避免的杂质元素；
2)锻造：将上述中碳合金钢进行锻造，碾环至环坯，带状级别1-2级；
3)正火处理：对环坯进行正火处理，正火处理加热温度880℃，保温1.8h后空冷；
4)退火处理：对环坯进行退火处理，退火处理在870℃的温度下保温3h，然后缓慢冷却至200℃，降温速度为18℃/h，之后出炉空冷，退火处理后的环坯硬度控制在150HB；
5)冷挤压：对退火处理后的环坯进行冷挤压成形；
6)调质处理：对粗加工后的环坯进行调质处理，调质处理工艺如下：将环坯加热至870℃，保温1.7h，然后将环坯移动至压模部位进行压淬，淬火介质为快速淬火油，之后对淬火后的环坯在620℃的温度下进行回火，保温时间2h，调质处理后的环坯硬度控制在330-350HB；
7)精加工：对调质处理后的环坯进行精加工成形；
8)喷丸：对精加工后的内齿圈进行超声喷丸，为了保证齿圈的表面粗糙度，钢丸直径为1mm，喷丸频率为28KHz，喷丸时间为23min；
9)氮化处理：对喷丸之后的的内齿圈进行气体氮化处理；
10)包装：对氮化处理后的内齿圈进行防锈包装。
步骤9中氮化处理包含以下步骤：
1)清洗：采用专用清洗设备将环坯表面的油污清洗干净，之后装炉；
2)预氧化：环坯装炉后，对炉子进行升温，升温速率为200℃/h，升温至380℃，保温1.5h，对环坯进行预氧化处理，以除去环坯表面的污渍；
3)两段式渗氮处理：预氧化完成后，将炉温升至510℃，升温速率为65℃/h，在该温度保温20h，该阶段控制氨气分解率为17％；之后升温至535℃，升温速率为130℃/h，然后保温25h，该阶段氨气分解率控制为60％；两段式渗氮处理过程中当炉内温度升至400℃以后，滴入稀土渗剂至氮化结束，渗剂的滴入量为0.9L/h，渗剂包括La(OCH3)3和乙醇，其中，La(OCH3)3和乙醇配比为100ml乙醇中溶入95mg La(OCH3)3。
4)降温过程：两段式渗氮处理结束后，开始降温，降温速率为60℃/h，降温至400℃，接着再以25℃/h的速率降温至150℃；
5)出炉：炉温降至150℃后，环坯出炉空冷。
采用该氮化工艺处理的内齿圈齿面表面硬度高达1000HV，氮化层深1.0mm，硬度梯度比较平缓，距离表面0.3mm位置的硬度为560HV，白亮层为13um，脆性级别为1-2级，疏松级别为1-2级，脉状等级为1-2级，且变形满足技术要求。
实施例4：
一种氮化内齿圈，外径250mm，内径210mm，高度55mm，模数3.6mm。其具体技术方案和工艺步骤如下：
1)选材：采用一种专用中碳合金钢，其中材料的主要合金元素质量百分比如下：C：0.4％、Si：0.4％、Mn：0.3％、Cr：1.5％、Mo：0.2％、V：0.2％、S：≤0.035％、P：≤0.035％，其余为Fe和一些不可避免的杂质元素；
2)锻造：将上述中碳合金钢进行锻造，碾环至环坯，带状级别1-2级；
3)正火处理：对环坯进行正火处理，正火处理加热温度875℃，保温1.6h后空冷；
4)退火处理：对环坯进行退火处理，退火处理在870℃的温度下保温3h，然后缓慢冷却至200℃，降温速度为17℃/h，之后出炉空冷，退火处理后的环坯硬度控制在150HB；
5)冷挤压：对退火处理后的环坯进行冷挤压成形；
6)调质处理：对粗加工后的环坯进行调质处理,调质处理工艺如下：将环坯加热至860℃，保温2h，然后将环坯移动至压模部位进行压淬，淬火介质为快速淬火油，之后对淬火后的环坯在600℃的温度下进行回火，保温时间1.5h，调质处理后的环坯硬度为330-350HB，环坯组织为全回火索氏体；
7)精加工：对调质处理后的环坯进行精加工成形；
8)喷丸：对精加工后的内齿圈进行超声喷丸，钢丸直径为1mm，喷丸频率为25KHz，喷丸时间为20min；
9)氮化处理：对喷丸之后的的内齿圈进行气体氮化处理；
10)包装：对氮化处理后的内齿圈进行防锈包装。
步骤9中氮化处理包含以下步骤：
1)清洗：采用专用清洗设备将环坯表面的油污清洗干净，之后装炉；
2)预氧化：环坯装炉后，对炉子进行升温，升温速率为150℃/h，升温至350℃，保温1h，对环坯进行预氧化处理，以除去环坯表面的污渍；
3)两段式渗氮处理：预氧化完成后，将炉温升至500℃，升温速率为60℃/h，在该温度保温25h，该阶段控制氨气分解率为15％；之后升温至530℃，升温速率为100℃/h，然后保温20h，该阶段氨气分解率控制为75％；两段式渗氮处理过程中当炉内温度升至400℃以后，滴入稀土渗剂至氮化结束，渗剂的滴入量为0.8L/h，渗剂包括La(OCH3)3和乙醇，其中，La(OCH3)3和乙醇的配比为100ml乙醇中溶入80mgLa(OCH3)3。
4)降温过程：两段式渗氮处理结束后，开始降温，降温速率为50℃/h，降温至400℃，接着再以20℃/h的速率降温至150℃；
5)出炉：炉温降至150℃后，环坯出炉空冷。
采用该氮化工艺处理的内齿圈齿面表面硬度高达960HV，氮化层深0.825mm，硬度梯度比较平缓，距离表面0.3mm位置的硬度为560HV，白亮层为12um，脆性级别为1-2级，疏松级别为1-2级，脉状等级为1-2级，且变形满足技术要求。
表1实施例所得内齿圈各性能
Figure BDA0003710629030000111
对比例1：
一种汽车氮化内齿圈，外径255mm，内径230mm，高度60mm，模数4.0mm。其具体技术方案和工艺步骤如下：
1)选材：本专利采用一种专用中碳合金钢，其中材料的主要合金元素质量百分比如下：C：0.42％、Si：0.15％、Mn：0.5％、Cr：2.0％、Mo：0.3％、V：0.35％、S：≤0.035％、P：≤0.035％，其余为Fe和一些不可避免的杂质元素；
2)锻造：将上述中碳合金钢进行锻造，碾环至环坯，带状级别1-2级；
3)正火处理：对环坯进行正火处理，正火处理加热温度890℃，保温1.5h后空冷；
4)退火处理：对环坯进行退火处理，退火处理在880℃的温度下保温3h，然后缓慢冷却至200℃，降温速度为20℃/h，之后出炉空冷，退火处理后的环坯硬度控制在160HB；
5)冷挤压：对退火处理后的环坯进行冷挤压成形；
6)调质处理：对粗加工后的环坯进行调质处理，调质处理工艺如下：将环坯加热至880℃，保温1.5h，然后将环坯移动至压模部位进行压淬，淬火介质为快速淬火油，之后对淬火后的环坯在630℃的温度下进行回火，保温时间1.5h，调质处理后的环坯硬度控制在340-360HB；
7)精加工：对调质处理后的环坯进行精加工成形；
8)喷丸：对精加工后的内齿圈进行超声喷丸，为了保证齿圈的表面粗糙度，钢丸直径为2mm，喷丸频率为30KHz，喷丸时间为25min；
9)氮化处理：对喷丸之后的的内齿圈进行气体氮化处理；
10)包装：对氮化处理后的内齿圈进行防锈包装。
步骤9中氮化处理包含以下步骤：
1)清洗：采用专用清洗设备将环坯表面的油污清洗干净，之后装炉；
2)预氧化：环坯装炉后，对炉子进行升温，升温速率为250℃/h，升温至400℃，保温2h，对环坯进行预氧化处理，以除去环坯表面的污渍；
3)两段式渗氮处理：预氧化完成后，将炉温升至520℃，升温速率为70℃/h，在该温度保温15h，该阶段控制氨气分解率为20％；之后升温至540℃，升温速率为150℃/h，然后保温30h，该阶段氨气分解率控制为75％；
4)降温过程：两段式渗氮处理结束后，开始降温，降温速率为70℃/h，降温至400℃，接着再以30℃/h的速率降温至150℃；
5)出炉：炉温降至150℃后，环坯出炉空冷。
与实施例2相比，本对比例在氮化处理的过程中未使用稀土催渗剂，所得内齿圈氮化层深为0.6mm，不满足本发明性能要求。
对比例2：
一种氮化内齿圈，外径263mm，内径240mm，高度68mm，模数3.6mm。其具体技术方案和工艺步骤如下：
1)选材：采用一种专用中碳合金钢，其中材料的主要合金元素质量百分比如下：C：0.4％、Si：0.4％、Mn：0.3％、Cr：1.5％、Mo：0.2％、V：0.17％、S：≤0.035％、P：≤0.035％，其余为Fe和一些不可避免的杂质元素；
2)锻造：将上述中碳合金钢进行锻造，碾环至环坯，带状级别1-2级；
3)正火处理：对环坯进行正火处理，正火处理加热温度870℃，保温2h后空冷；
4)退火处理：对环坯进行退火处理，退火处理在865℃的温度下保温3h，然后缓慢冷却至200℃，降温速度为17℃/h，之后出炉空冷，退火处理后的环坯硬度控制在140HB；
5)冷挤压：对退火处理后的环坯进行冷挤压成形；
6)调质处理：对粗加工后的环坯进行调质处理，调质处理工艺如下：将环坯加热至860℃，保温2h，然后将环坯移动至压模部位进行压淬，淬火介质为快速淬火油，之后对淬火后的环坯在610℃的温度下进行回火，保温时间1.5h，调质处理后的环坯硬度为320-330HB，环坯组织为全回火索氏体；
7)精加工：对调质处理后的环坯进行精加工成形；
8)喷丸：对精加工后的内齿圈进行超声喷丸，钢丸直径为1mm，喷丸频率为25KHz，喷丸时间为20min；
9)氮化处理：对喷丸之后的的内齿圈进行气体氮化处理；
10)包装：对氮化处理后的内齿圈进行防锈包装。
步骤9中氮化处理包含以下步骤：
1)清洗：采用专用清洗设备将环坯表面的油污清洗干净，之后装炉；
2)预氧化：环坯装炉后，对炉子进行升温，升温速率为150℃/h，升温至350℃，保温1h，对环坯进行预氧化处理，以除去环坯表面的污渍；
3)两段式渗氮处理：预氧化完成后，将炉温升至500℃，升温速率为60℃/h，在该温度保温25h，该阶段控制氨气分解率为15％；之后升温至530℃，升温速率为100℃/h，然后保温20h，该阶段氨气分解率控制为75％；两段式渗氮处理过程中当炉内温度升至400℃以后，滴入稀土渗剂至氮化结束，渗剂的滴入量为0.8L/h，渗剂包括La(OCH3)3和乙醇，其中，La(OCH3)3和乙醇的配比为100ml乙醇中溶入80mg La(OCH3)3。
4)降温过程：两段式渗氮处理结束后，开始降温，降温速率为50℃/h，降温至400℃，接着再以20℃/h的速率降温至150℃；
5)出炉：炉温降至150℃后，环坯出炉空冷。
与实施例1相比，本对比例仅中碳合金钢的成分不同，V的质量百分比低于控制范围，所得内齿圈的表面硬度为920HV，氮化层深为0.7mm，距离表面0.3mm位置硬度为540HV，不满足本发明各性能要求。
对比例3：
一种氮化内齿圈，外径263mm，内径240mm，高度68mm，模数3.6mm。其具体技术方案和工艺步骤如下：
1)选材：采用一种专用中碳合金钢，其中材料的主要合金元素质量百分比如下：C：0.4％、Si：0.4％、Mn：0.3％、Cr：1.5％、Mo：0.17％、V：0.2％、S：≤0.035％、P：≤0.035％，其余为Fe和一些不可避免的杂质元素；
2)锻造：将上述中碳合金钢进行锻造，碾环至环坯，带状级别1-2级；
3)正火处理：对环坯进行正火处理，正火处理加热温度870℃，保温2h后空冷；
4)退火处理：对环坯进行退火处理，退火处理在860℃的温度下保温3h，然后缓慢冷却至200℃，降温速度为18℃/h，之后出炉空冷，退火处理后的环坯硬度控制在140HB；
5)冷挤压：对退火处理后的环坯进行冷挤压成形；
6)调质处理：对粗加工后的环坯进行调质处理，调质处理工艺如下：将环坯加热至860℃，保温2h，然后将环坯移动至压模部位进行压淬，淬火介质为快速淬火油，之后对淬火后的环坯在605℃的温度下进行回火，保温时间1.5h，调质处理后环坯的硬度为320-330HB，环坯组织为全回火索氏体；
7)精加工：对调质处理后的环坯进行精加工成形；
8)喷丸：对精加工后的内齿圈进行超声喷丸，钢丸直径为1mm，喷丸频率为25KHz，喷丸时间为20min；
9)氮化处理：对喷丸之后的的内齿圈进行气体氮化处理；
10)包装：对氮化处理后的内齿圈进行防锈包装。
步骤9中氮化处理包含以下步骤：
1)清洗：采用专用清洗设备将环坯表面的油污清洗干净，之后装炉；
2)预氧化：环坯装炉后，对炉子进行升温，升温速率为150℃/h，升温至350℃，保温1h，对环坯进行预氧化处理，以除去环坯表面的污渍；
3)两段式渗氮处理：预氧化完成后，将炉温升至500℃，升温速率为60℃/h，在该温度保温25h，该阶段控制氨气分解率为15％；之后升温至530℃，升温速率为100℃/h，然后保温20h，该阶段氨气分解率控制为75％；两段式渗氮处理过程中当炉内温度升至400℃以后，滴入稀土渗剂至氮化结束，渗剂的滴入量为0.8L/h，渗剂包括La(OCH3)3和乙醇，其中，La(OCH3)3和乙醇的配比为100ml乙醇中溶入80mg La(OCH3)3。
4)降温过程：两段式渗氮处理结束后，开始降温，降温速率为50℃/h，降温至400℃，接着再以20℃/h的速率降温至150℃；
5)出炉：炉温降至150℃后，环坯出炉空冷。
与实施例1相比，本对比例仅中碳合金钢的成分不同，Mo的质量百分比低于控制范围，所得内齿圈的表面硬度为930HV，氮化层深为0.72mm，距离0.3mm位置硬度为550HV，不满足本发明各性能要求。
对比例4：
一种氮化内齿圈，外径263mm，内径240mm，高度68mm，模数3.6mm。其具体技术方案和工艺步骤如下：
1)选材：采用一种专用中碳合金钢，其中材料的主要合金元素质量百分比如下：C：0.4％、Si：0.4％、Mn：0.3％、Cr：1.2％、Mo：0.2％、V：0.2％、S：≤0.035％、P：≤0.035％，其余为Fe和一些不可避免的杂质元素；
2)锻造：将上述中碳合金钢进行锻造，碾环至环坯，带状级别1-2级；
3)正火处理：对环坯进行正火处理，正火处理加热温度870℃，保温2h后空冷；
4)退火处理：对环坯进行退火处理，退火处理在870℃的温度下保温3h，然后缓慢冷却至200℃，降温速度为20℃/h，之后出炉空冷，退火处理后的环坯硬度控制在140HB；
5)冷挤压：对退火处理后的环坯进行冷挤压成形；
6)调质处理：对粗加工后的环坯进行调质处理,调质处理工艺如下：将环坯加热至860℃，保温2h，然后将环坯移动至压模部位进行压淬，淬火介质为快速淬火油，之后对淬火后的环坯在600℃的温度下进行回火，保温时间1.5h，调质处理后的环坯硬度为320-330HB，环坯组织为全回火索氏体；
7)精加工：对调质处理后的环坯进行精加工成形；
8)喷丸：对精加工后的内齿圈进行超声喷丸，钢丸直径为1mm，喷丸频率为25KHz，喷丸时间为20min；
9)氮化处理：对喷丸之后的内齿圈进行气体氮化处理；
10)包装：对氮化处理后的内齿圈进行防锈包装。
步骤9中氮化处理包含以下步骤：
1)清洗：采用专用清洗设备将环坯表面的油污清洗干净，之后装炉；
2)预氧化：环坯装炉后，对炉子进行升温，升温速率为150℃/h，升温至350℃，保温1h，对环坯进行预氧化处理，以除去环坯表面的污渍；
3)两段式渗氮处理：预氧化完成后，将炉温升至500℃，升温速率为60℃/h，在该温度保温25h，该阶段控制氨气分解率为15％；之后升温至530℃，升温速率为100℃/h，然后保温20h，该阶段氨气分解率控制为75％；两段式渗氮处理过程中当炉内温度升至400℃以后，滴入稀土渗剂至氮化结束，渗剂的滴入量为0.8L/h，渗剂包括La(OCH3)3和乙醇，其中，La(OCH3)3和乙醇的配比为100ml乙醇中溶入80mg La(OCH3)3。
4)降温过程：两段式渗氮处理结束后，开始降温，降温速率为50℃/h，降温至400℃，接着再以20℃/h的速率降温至150℃；
5)出炉：炉温降至150℃后，环坯出炉空冷。
与实施例1相比，本对比例仅中碳合金钢的成分不同，Cr的质量百分比低于控制范围，所得内齿圈的表面硬度为935HV，氮化层深为0.75mm，距离表面0.3mm位置硬度为555HV，不满足本发明各性能要求。
对比例5：
一种氮化内齿圈，外径263mm，内径240mm，高度68mm，模数3.6mm。其具体技术方案和工艺步骤如下：
1)选材：采用一种专用中碳合金钢，其中材料的主要合金元素质量百分比如下：C：0.4％、Si：0.4％、Mn：0.3％、Cr：1.5％、Mo：0.2％、V：0.2％、S：≤0.035％、P：≤0.035％，其余为Fe和一些不可避免的杂质元素；
2)锻造：将上述中碳合金钢进行锻造，碾环至环坯，带状级别1-2级；
3)正火处理：对环坯进行正火处理，正火处理加热温度870℃，保温2h后空冷；
4)退火处理：对环坯进行退火处理，退火处理在880℃的温度下保温3h，然后缓慢冷却至200℃，降温速度为15℃/h，之后出炉空冷，退火处理后的环坯硬度控制在140HB；
5)冷挤压：对退火处理后的环坯进行冷挤压成形；
6)调质：对粗加工后的环坯进行调质处理，调质处理工艺如下：将环坯加热至860℃，保温2h，然后将环坯移动至压模部位进行压淬，淬火介质为快速淬火油，之后对淬火后的环坯在620℃的温度下进行回火，保温时间1.5h，调质处理后的环坯硬度为320-330HB，环坯组织为全回火索氏体；
7)精加工：对调质处理后的环坯进行精加工成形；
8)喷丸：对精加工后的内齿圈进行超声喷丸，钢丸直径为1mm，喷丸频率为25KHz，喷丸时间为20min；
9)氮化处理：对喷丸之后的的内齿圈进行气体氮化处理；
10)包装：对氮化处理后的内齿圈进行防锈包装。
步骤9中氮化处理包含以下步骤：
1)清洗：采用专用清洗设备将环坯表面的油污清洗干净，之后装炉；
2)预氧化：环坯装炉后，对炉子进行升温，升温速率为150℃/h，升温至350℃，保温1h，对环坯进行预氧化处理，以除去环坯表面的污渍；
3)一段式渗氮处理：预氧化完成后，将炉温升至500℃，升温速率为60℃/h，在该温度保温25h，该阶段控制氨气分解率为15％，渗氮处理过程中当炉内温度升至400℃以后，滴入稀土渗剂至氮化结束，渗剂的滴入量为0.8L/h，渗剂包括La(OCH3)3和乙醇，其中，La(OCH3)3和乙醇的配比为100ml乙醇中溶入80mg La(OCH3)3。
4)降温过程：渗氮处理结束后，开始降温，降温速率为50℃/h，降温至400℃，接着再以20℃/h的速率降温至150℃；
5)出炉：炉温降至150℃后，环坯出炉空冷。
与实施例1相比，本对比例采用一段式渗碳工艺，所得内齿圈的表面硬度为890HV，氮化层深为0.85mm，距离表面0.3mm位置硬度为450HV，白亮层为30um，脆性级别为4-5级，疏松级别为4-5级，脉状等级为4-5级，不满足本发明各性能要求。
表2对比例所得内齿圈各性能
Figure BDA0003710629030000191
上述实施例与对比例表明本发明所采用的专用中碳合金钢中的Cr、Mo、V元素可提高零件表面的氮化硬度，且合金元素含量的控制可以提高内齿圈的氮化层深；两段式渗氮处理可有效减少白亮层厚度，降低白亮层剥落和开裂风险；在两段式渗氮处理过程中采用稀土催渗可进一步提高氮化层深。
疲劳强度验证实验：
将以上实施例中的氮化内齿圈在高扭矩、高转速的条件下进行疲劳强度的验证试验：
将装有氮化内齿圈的变速箱安装在变速箱台架试验台上。
按照表3所示试验条件对变速箱进行磨合。
磨合完毕后更换润滑油，按照表4所示后副箱台时进行十个循环的疲劳试验。
10个循环试验结束后，再按照表5进行1档和2档疲劳寿命试验。
表3磨合试验条件
Figure BDA0003710629030000192
Figure BDA0003710629030000201
表4后副箱单循环疲劳试验条件
Figure BDA0003710629030000202
表51档和2档的疲劳试验条件
Figure BDA0003710629030000203
试验过程中如果出现异常，则停机检查；若是内齿圈存在损坏则停止试验，如果顺利完成以上试验，拆机后内齿圈表面无损坏，则判定内齿圈通过台架试验。
将实施例1-4所得内齿圈与对比例1-5所得内齿圈分别进行上述验证实验，实施例1-4所得内齿圈可顺利完成以上试验，拆机后内齿圈无损坏；对比例1-5所得内齿圈在循环实验中表面都出现损坏情况，无法顺利通过上述台架试验。
进而由此验证采用本发明的生产工艺生产的内齿圈弯曲疲劳强度可满足扭矩2800NM，转速1800r/min的实际工作需求。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种高速重载汽车氮化内齿圈生产工艺，其特征在于，其包括：
将中碳合金钢锻造成环坯，所述中碳合金钢包括按照质量百分比计的：C：0.4-0.42％、Si：0.15-0.4％、Mn：0.3-0.5％、Cr：1.5-2.0％、Mo：0.2-0.3％、V：0.2-0.35％、S：≤0.035％、P：≤0.035％，其余为Fe和一些不可避免的杂质；
将环坯依次进行热处理、精加工、喷丸和氮化处理，得到内齿圈；
其中，所述氮化处理包括两段式渗氮处理，所述两段式渗氮处理包括：
渗氮阶段：将炉温升至500-520℃，升温速率为60-70℃/h，在该温度保温15-25h，该阶段控制氨气分解率为15-20％；
扩散阶段：升温至530-540℃，升温速率为100-150℃/h，然后保温20-30h，该阶段氨气分解率控制为55-75％。
2.如权利要求1所述的一种高速重载汽车氮化内齿圈生产工艺，其特征在于：所述两段式渗氮处理还包括：当炉内温度升至400℃以后，滴入稀土渗剂至两段式渗氮处理结束，稀土渗剂的滴入量为0.8-1.0L/h。
3.如权利要求2所述的一种高速重载汽车氮化内齿圈生产工艺，其特征在于：所述稀土催渗剂包括La(OCH3)3和乙醇，其中，La(OCH3)3和乙醇的配比为100ml乙醇中溶入80-120mgLa(OCH3)3。
4.如权利要求1所述的一种高速重载汽车氮化内齿圈生产工艺，其特征在于：在两段式渗氮处理之前，所述氮化处理还包括预氧化，所述预氧化包括：以150-250℃/h的升温速率，将炉温升至350-400℃，并保温1-2h。
5.如权利要求1所述的一种高速重载汽车氮化内齿圈生产工艺，其特征在于：在两段式渗氮处理之后，所述氮化处理还包括降温过程，所述降温过程包括：以50-70℃/h的降温速率，将炉温降至400℃，然后再以20-30℃/h的降温速率降温至150℃；炉温降至150℃后，所述环坯出炉空冷。
6.如权利要求1所述的一种高速重载汽车氮化内齿圈生产工艺，其特征在于：所述热处理包括正火处理，所述正火处理包括：在870-890℃的正火温度下对环坯进行加热，并保温1.5-2h后空冷。
7.如权利要求6所述的一种高速重载汽车氮化内齿圈生产工艺，其特征在于：在正火处理之后，所述热处理还包括退火处理，所述退火处理包括：在860-880℃的退火温度下对环坯进行退火，保温3h后以15-20℃/h的降温速率冷却至200℃，之后出炉空冷，退火后所述环坯的硬度控制在140-160HB。
8.如权利要求7所述的一种高速重载汽车氮化内齿圈生产工艺，其特征在于：在退火处理之后，所述热处理还包括调质处理，所述调质处理包括：将所述环坯加热至860-880℃，保温1.5-2h后采用淬火油进行压淬；淬火后在600-630℃的温度下回火，并保温1.5-2.5h，调质后所述环坯的硬度控制在320HB-360HB。
9.如权利要求1所述的一种高速重载汽车氮化内齿圈生产工艺，其特征在于：所述喷丸时，采用的钢丸直径1-2mm，喷丸频率25-30KHZ，喷丸时间20-25min。
10.一种采用如权利要求1～9任一项所述的生产工艺获得的高速重载汽车氮化内齿圈。
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