CN115011911A - 一种控制大模数齿轮热处理变形的方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制大模数齿轮热处理变形的方法，其特征在于：针对Cr‑Ni‑Mo钢包括：C：0.13～0.25；Si：0.17～0.37；Mn：0.50～0.95；S≤0.020；P≤0.020；Cr：0.40～1.80；Ni：0.35～1.70；Mo：0.20～0.60；Cu≤0.20；V≤0.15；Al：0.020～0.040；Nb：0.015～0.035；Fe：余量；2≤Al/N≤4；本方法包括：步骤一，两段均温；步骤二，950±10℃渗碳；步骤三，快冷至650±5℃；步骤四，820℃～840℃均温后油淬；步骤五，清洗；步骤六，低温回火。本发明的渗碳效率显著提高，并有效控制了变形。

Description

一种控制大模数齿轮热处理变形的方法
技术领域
本发明属于渗碳齿轮加工技术领域，特别提供了一种大模数齿轮在高温渗碳工艺中变形控制的高效节能的热处理方法。
背景技术
常用齿轮渗碳温度为930℃，提高渗碳温度能显著缩短渗碳时间，提高生产效率。高温渗碳技术具有高效率、低污染等优点，逐渐替代常用的气体渗碳，成为齿轮渗碳技术的发展方向。但高温渗碳会使奥氏体晶粒度容易长大，降低了齿轮的疲劳性能，而且残余奥氏体和碳化物的含量会发生很大变化。当渗碳温度提高，碳的扩散系数呈指数上升，渗碳层组织中的碳含量增高，导致马氏体相变开始和终止线下降，淬火过程中残余奥氏体含量较常规渗碳升高；同时形成大量碳化物的趋势增大，易聚集在原奥氏体晶界，形成网状或块状碳化物，使的晶界变脆，同样降低材料的疲劳寿命。并且，特别对于大模数齿轮（直径大于1m，模数m大于16）变形严重。
发明内容
本发明目的是提供一种控制大模数齿轮热处理变形的热处理方法，以解决大模数齿轮高温渗碳淬火出现的奥氏体晶粒度容易长大、残余奥氏体含量及碳化物级别超标以及变形问题。
为达到上述目的，本发明采用的结构技术方案是：一种控制大模数齿轮热处理变形的热处理方法，其特征在于：本方法针对的齿轮的材质是Cr-Ni-Mo钢，该Cr-Ni-Mo钢包括以下按重量百分比计的化学成分：
C：0.13～0.25；
Si：0.17～0.37；
Mn：0.50～0.95；
S≤0.020；
P≤0.020；
Cr：0.40～1.80；
Ni：0.35～1.70；
Mo：0.20～0.60；
Cu≤0.20；
V≤0.15；
Al：0.020～0.040；
Nb：0.015～0.035；
Fe：余量；
并且，该Cr-Ni-Mo钢的化学成分中，H（ppm）≤1.5，O（ppm）≤15，N（ppm）≤70～150，2≤Al/N≤4；
本热处理方法包括以下步骤：
步骤一，将齿轮加热至650±5℃均温120分钟，紧接着再加热至800±5℃均温120分钟，在该800±5℃保温段的碳势CP为0.7～0.8C%；
步骤二，加热至950±10℃进行渗碳，该渗碳过程分为强渗阶段和扩散阶段，所述强渗阶段的碳势CP为1.05～1.15C%，强渗阶段合计持续时间为1400-3800分钟；所述扩散阶段的碳势CP为0.7～0.8C%，扩散阶段合计持续时间为720-2000分钟；
步骤三，快冷至650±5℃均温300-360分钟；
步骤四，加热至820℃～840℃后均温360-420分钟，该820～840℃均温段的碳势CP为0.7～0.8C%，然后在40℃～80℃的淬火油中油淬90-120分钟；
步骤五，清洗；
步骤六，低温回火。
上述方案中，所述“Cr-Ni-Mo钢的化学成分中，H（ppm）≤1.5，O（ppm）≤15，N（ppm）≤70～150，2≤Al/N≤4”中，H（ppm）是指氢的ppm浓度，O（ppm）是指氧的ppm浓度，N（ppm）是指氮的ppm浓度，Al/N是指铝和氮的比例值。
上述方案中，所述步骤二中的强渗阶段和扩散阶段为交替重复多次，强渗阶段的合计持续时间与扩散阶段的合计持续时间比值为1.5～2。进一步，更佳所述步骤二中的强渗阶段和扩散阶段为交替重复两次，且两次强渗阶段的持续时间相等，两次扩散时阶段的持续时间也相等。如此操作，使渗碳过程更缓和，防止了碳化物的析出，得到更均匀的组织。
上述方案中，所述步骤六的低温回火是进行两次在160℃～180℃的720-900分钟的回火。
本发明的设计原理是，通过选材、渗碳淬火工艺两方面来提升最终产品的质量，具体是：
1、本发明选材中特别限定了铝含量以及Al/N比例，发挥AlN析出相的作用，AlN起到对晶界钉扎的作用，抑制高温渗碳时的晶粒长大；并且，选用了Nb这一化学成分，Nb在齿轮钢中形成Nb（C、N）析出相，在高温渗碳时可以稳定的存在，起到细化晶粒的作用；
2、本发明步骤一开始采用650±5℃和800±5℃两段升温均温方式，减少了热应力及组织应力转变产生的变形；
3、本发明步骤二以950±10℃的高温渗碳，缩短渗碳时间，提高了工作效率；
4、本发明步骤二中的强渗阶段的碳势CP为1.05～1.15C%，扩散阶段的碳势CP为0.7～0.8C%，优选的碳势和时间，将零件表面的碳含量保持在0.7%～0.8%的最佳范围，保证了表层C含量的均匀性，防止碳化物的聚集，同时减小了变形量。
5、本发明步骤三从原步骤二的950±10℃快冷至650±5℃均温一段时间，这段均温时间有效防止了碳化物的析出，得到了均匀的组织，并且也有效地减少组织应力和热应力引起的变形；
6、本发明步骤四加热至820℃～840℃，重新奥氏体化有效消除表层的网状、块状碳化物。
由于上述技术方案的应用，本发明实现了大模数齿轮的高效渗碳，在保证零件的渗碳有效硬化层深度为2.5mm~4.8mm的前提下，碳化物3级以内，残余奥氏体小于20%，晶粒度不小于6级，表面硬度59~62HRC。相对传统的920℃～930℃渗碳效率提高20％～25％。并且，还有效控制了变形，单边磨齿量控制在0.10mm~0.45mm。
附图说明
图1为本发明的渗碳淬火工艺曲线示意图；
图2为本发明实施例1的渗碳淬火工艺曲线示意图；
图3为本发明实施例2的渗碳淬火工艺曲线示意图；
图4为本发明实施例1的微观组织金相图；
图5为本发明实施例2的微观组织金相图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例1，参见图2所示，一种控制大模数齿轮热处理变形的方法：
本方法针对的齿轮的材质是Cr-Ni-Mo钢，该Cr-Ni-Mo钢包括以下按重量百分比计的化学成分：
C：0.13～0.25；
Si：0.17～0.37；
Mn：0.50～0.95；
S≤0.020；
P≤0.020；
Cr：0.40～1.80；
Ni：0.35～1.70；
Mo：0.20～0.60；
Cu≤0.20；
V≤0.15；
Al：0.020～0.040；
Nb：0.015～0.035；
Fe：余量；
并且，该Cr-Ni-Mo钢的化学成分中，H（ppm）≤1.5，O（ppm）≤15，N（ppm）≤70～150，2≤Al/N≤4。
各化学成分的最佳重量百分比是：
C： 0.15-0.21；
Si：0.17-0.35；
Mn：0.50-0.90；
S：≤0.020；
P：≤0.020；
Cr：1.50-1.80；
Ni：1.40-1.70；
Mo：0.25-0.35；
Cu：≤0.020；
V：≤0.15；
Al：0.020-0.040；
Nb：0.015-0.025；
Fe：余量；
并且， H（ppm）≤1.5，O（ppm）≤15，N（ppm）≤70～150，如上Al/N=2-4。
本实施例包括以下步骤：
步骤一，将齿轮放在渗碳炉中，加热至650±5℃均温120分钟，紧接着再加热至800±5℃均温120分钟，在该800±5℃保温段的碳势CP为0.7～0.8C%；
步骤二，加热至950±10℃进行渗碳，该渗碳过程分为强渗阶段和扩散阶段，所述强渗阶段的碳势CP为1.05～1.15C%，强渗阶段持续时间为1400-3800分钟，在本实施例中最佳为1400分钟；所述扩散阶段的碳势CP为0.7～0.8C%，扩散阶段持续时间为720-2000分钟，在本实施例最佳为720分钟；
步骤三，在渗碳炉内快冷至650±5℃均温300-360分钟，本实施例中以300分钟为佳，出渗碳炉；
步骤四，进淬火炉加热至820℃～840℃（本实施例最佳为830±5℃）后均温360-420分钟，在本实施例最佳为360分钟；且该830±5℃的均温段的碳势CP为0.7～0.8C%，然后在40℃～80℃的淬火油中油淬90-120分钟，在本实施例中油淬90分钟出油即可；
步骤五，清洗；
步骤六，进行两次160℃～180℃（本实施例具体采用165±5℃）的720-900分钟回火，本实施例每次回火720分钟（即12h）即可。
由于上述技术方案的应用，本发明实现了大模数齿轮的高效渗碳，在保证零件的渗碳有效硬化层深度为2.5mm~3.0mm的前提下，碳化物1级（如图4的（a）），残余奥氏体1级（如图4的（b）），晶粒度6.5级（如图4的（c）），表面硬度59~62HRC。相对传统的920℃～930℃渗碳效率提高17％。并且，还有效控制了变形，单边磨齿量控制在0.10mm~0.45mm。本实施例的微观组织效果见图4。
实施例2，参见图3所示，一种控制大模数齿轮热处理变形的方法：
本方法针对的齿轮的材质是Cr-Ni-Mo钢，该Cr-Ni-Mo钢包括以下按重量百分比计的化学成分：
各化学成分的最佳重量百分比是：
C： 0.15-0.21；
Si：0.17-0.35；
Mn：0.50-0.90；
S：≤0.020；
P：≤0.020；
Cr：1.50-1.80；
Ni： 1.40-1.70；
Mo： 0.25-0.35；
Cu：≤0.020；
V：≤0.15；
Al：0.020-0.040 ；
Nb：0.015-0.025；
Fe：余量；
并且， H（ppm）≤1.5，O（ppm）≤15，N（ppm）≤70～150，如上Al/N=2-4。
本实施例包括以下步骤：
步骤一，将齿轮放在渗碳炉中，将齿轮加热至650±5℃均温120分钟，紧接着再加热至800±5℃均温120分钟，在该800±5℃保温段的碳势CP为0.7～0.8C%；
步骤二，加热至950±10℃进行渗碳，该渗碳过程分为强渗阶段和扩散阶段，所述强渗阶段的碳势CP为1.05～1.15C%，强渗阶段合计持续时间为1400-3800分钟；所述扩散阶段的碳势CP为0.7～0.8C%，扩散阶段合计持续时间为720-2000分钟；具体，本实施例采取强渗+扩散、强渗+扩散的两个重复循环，每个强渗阶段的持续时间为1900分钟，每个扩散阶段的是持续时间为1000分钟，以使合计强渗阶段的合计持续时间与扩散阶段的合计持续时间比值为1.5～2，本实施例实际中1.9；
步骤三，渗碳炉内快冷至650±5℃均温300-360分钟，本实施例中以360分钟为佳，出渗碳炉；
步骤四，进淬火炉加热至820℃～840℃（本实施例最佳为830±5℃）后均温360-420分钟，在本实施例最佳为420分钟；且该830±5℃的均温段的碳势CP为0.7～0.8C%，然后在40℃～80℃的淬火油中油淬90-120分钟，在本实施例中油淬120分钟出油；
步骤五，清洗；
步骤六，进行两次160℃～180℃（本实施例具体采用165±5℃）的720-900分钟回火，本实施例每次回火900分钟（即15h）。
由于上述技术方案的应用，本发明实现了大模数齿轮的高效渗碳，在保证零件的渗碳有效硬化层深度为4.2mm~4.8mm的前提下，碳化物2级（如图5的（a）），残余奥氏体2级（如图5的（b）），晶粒度6级（如图5的（c）），表面硬度59~62HRC。相对传统的920℃～930℃渗碳效率提高23％。并且，还有效控制了变形，单边磨齿量控制在0.10mm~0.45mm。本实施例的微观组织效果见图5。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种控制大模数齿轮热处理变形的方法，其特征在于：本方法针对的齿轮的材质是Cr-Ni-Mo钢，该Cr-Ni-Mo钢包括以下按重量百分比计的化学成分：
C：0.13～0.25；
Si：0.17～0.37；
Mn：0.50～0.95；
S≤0.020；
P≤0.020；
Cr：0.40～1.80；
Ni：0.35～1.70；
Mo：0.20～0.60；
Cu≤0.20；
V≤0.15；
Al：0.020～0.040；
Nb：0.015～0.035；
Fe：余量；
并且，该Cr-Ni-Mo钢的化学成分中，H（ppm）≤1.5，O（ppm）≤15，N（ppm）≤70～150，2≤Al/N≤4；
本热处理方法包括以下步骤：
步骤一，将齿轮加热至650±5℃均温90-120分钟，紧接着再加热至800±5℃均温90-120分钟，在该800±5℃保温段的碳势CP为0.7～0.8C%；
步骤二，加热至950±10℃进行渗碳，该渗碳过程分为强渗阶段和扩散阶段，所述强渗阶段的碳势CP为1.05～1.15C%，强渗阶段合计持续时间为1400-3800分钟；所述扩散阶段的碳势CP为0.7～0.8C%，扩散阶段合计持续时间为720-2000分钟；
步骤三，快冷至650±5℃均温300-360分钟；
步骤四，加热至820℃～840℃后均温360-420分钟，该820～840℃均温段的碳势CP为0.7～0.8C%，然后在40℃～80℃的淬火油中油淬90-120分钟；
步骤五，清洗；
步骤六，低温回火。
2.根据权利要求1所述控制大模数齿轮热处理变形的方法，其特征在于：所述步骤二中的强渗阶段和扩散阶段为交替重复多次，强渗阶段的合计持续时间与扩散阶段的合计持续时间比值为1.5～2。
3.根据权利要求2所述控制大模数齿轮热处理变形的方法，其特征在于：所述步骤二中的强渗阶段和扩散阶段为交替重复2次，且两次强渗阶段的持续时间相等，两次扩散时阶段的持续时间也相等。
4.根据权利要求1所述控制大模数齿轮热处理变形的方法，其特征在于：所述步骤六的低温回火是进行两次160℃～180℃的720-900分钟的回火。
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