CN116356334A - 一种渗碳齿轮的分段感应淬火方法及渗碳齿轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种渗碳齿轮的分段感应淬火方法及渗碳齿轮，属于感应淬火技术领域，用于解决现有的大模数高淬透性齿轮整件淬火处理容易造成心部未渗碳区硬度超标，没有相关的感应淬火工艺的问题。包括：S1、将齿轮进行渗碳处理；S2、将渗碳后的齿轮随炉冷却；S3、然后将齿轮整体进行高温回火处理；S4、然后逐一将齿轮单齿进行分段感应淬火；S5、然后将齿轮冷却至室温；S6、然后将齿轮整体进行深冷处理；S7、然后将齿轮整体进行低温回火处理。本发明的方法能够克服齿轮渗碳后由于表面高碳而不利于感应淬火的技术难点，硬化层深度深，硬度梯度过渡区域平缓，同时能保证心部硬度可控，有利于后续的机加工，成品率高，硬化层强塑性匹配好，耐磨性优。

Description

一种渗碳齿轮的分段感应淬火方法及渗碳齿轮
技术领域
本发明属于感应淬火技术领域，具体地涉及一种渗碳齿轮的分段感应淬火方法及渗碳齿轮。
背景技术
重载齿轮传递功率大、冲击力大、工作条件恶劣且安全性要求高，服役工况要求其具有优良的耐磨性、较高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。随着行业制造工艺的提高，齿轮的模数已远大于国家标准最大值50mm，渗碳淬火有效硬化层深度要求3mm以上。一般的淬火工艺已经不能良好匹配有效硬化层深度与加热层厚度。尤其针对高Ni含量的高淬透性齿轮钢，整体渗碳淬火由于将齿部与心部同时加热冷却，导致心部也被淬透，而硬度过高，加大了后续的机加工难度。因此，开发大模数渗碳齿轮的感应淬火工艺，获得性能优异的齿面强化层，同时确保心部的可加工性，是目前重型装备制造业亟需解决的问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种渗碳齿轮的分段感应淬火方法及渗碳齿轮，解决了现有技术中大模数高淬透性齿轮整件淬火处理容易造成心部未渗碳区硬度超标，没有相关的感应淬火工艺的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，本发明提供了一种渗碳齿轮的分段感应淬火方法，包括如下步骤：
S1、将齿轮进行渗碳处理；
S2、将渗碳后的齿轮随炉冷却；
S3、将齿轮整体进行高温回火处理；
S4、逐一将齿轮单齿进行分段感应淬火；
S5、将齿轮冷却至室温；
S6、将齿轮整体进行深冷处理；
S7、将齿轮整体进行低温回火处理。
进一步的，S1中，齿轮的原材料中，C的质量百分含量为0.13％～0.19％，Cr的质量百分含量为1.35％～1.65％，Ni的质量百分含量为2％以上。
进一步的，S4中，分段感应淬火包括：
S401、快速升温至440～450℃，升温时间t1；
S402、升温至650～700℃之间，升温时间t2；
S403、缓慢升温至终淬温度750℃～900℃之间，升温时间t3；t1≤t2≤t3。
进一步的，S4中，
渗碳层深度为1.5mm以下时，t1＝t2＝t3；
渗碳层深度为(1.5，3]mm时，t1:t2:t3＝1:1.4～1.5:1.4～1.5；
渗碳层深度为(3，4]mm时，t1:t2:t3＝1:1.4～1.5:1.9～2；
渗碳层深度为(4，5]mm时，t1:t2:t3＝1:1.9～2:2.4～2.5；
渗碳层深度大于5mm时，t1:t2:t3＝1:2～2.3:2.5～2.8。
进一步的，S4中，齿轮单齿进行分段感应淬火时，采用水性介质完全冷却至室温。
进一步的，S2中，冷却后的齿轮的表层微观组织为马氏体+贝氏体+体积百分比不超过30％的残余奥氏体。
进一步的，S3中，高温回火温度的取值范围为550℃～700℃，高温回火的保温时间为0.5～24h。
进一步的，S6中，深冷温度为-50℃～-150℃，深冷时间为1～24h。
进一步的，S7中，低温回火温度为150～250℃，回火时间为1～12h。
另一方面，本发明还提供了一种齿轮，采用上述的方法制备得到。
与现有技术相比，本发明至少能够实现以下有益效果之一：
1)本发明提供的渗碳齿轮的分段感应淬火方法，不需要对齿轮整件进行淬火处理，降低能源消耗，提高生产效率，能够克服齿轮渗碳后由于表面高碳而不利于感应淬火的技术难点，硬化层深度深，硬度梯度过渡区域平缓，同时能保证心部硬度可控，有利于后续的机加工，成品率高，硬化层强塑性匹配好，耐磨性优。克服了现有热处理工艺针对大模数齿轮整件淬火处理即要消耗大量能源，又造成心部未渗碳区域硬度超标等问题，在提高生产效率的情况下，兼具渗碳层组织可控、强塑性匹配优化的良好性能，尤其适用于重载齿轮的热处理。
2)本发明提供的渗碳齿轮的分段感应淬火方法，通过结合渗碳层深度，精确控制各段感应加热的温度和时间，能够获得符合要求的有效硬化层深度，保证齿轮的表层硬度均匀性好，硬度的梯度过渡区域更平缓，这对于大渗层的服役是非常有利的，能够提高强韧性，提高接触疲劳性能；齿轮的心部及内圈硬度450HV1以下(例如440HV1以下)，满足机加工性能要求；且与整体淬火相比，本发明的方法通过精确控制各段感应加热的温度和时间，齿轮表面出现裂纹的概率大大降低，淬裂的概率大大降低，成品率高(例如，成品率达到99％以上)。
3)本发明的渗碳齿轮的表层(指含碳量0.8％以上的表层)的力学性能：抗拉强度1750MPa以上(例如1750～1850MPa),延伸率6％以上(例如6％～7.5％)；含碳量0.4％以下的心部的力学性能：抗拉强度1150MPa以上(例如(1150～1200MPa)，延伸率11％以上，例如(11％～15％)，齿轮的力学性能优异，耐磨性能优异。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书和附图中所特别指出的内容来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明的实施例1的分段感应淬火方法的示意图；
图2为本发明的实施例1的齿轮的表层组织图；
图3为本发明的实施例1的齿轮的次表层组织图；
图4为本发明的实施例1的齿轮的心部组织图；
图5为本发明的实施例1的齿轮的硬度梯度示意图；
图6为本发明的对比例1的齿轮的硬度梯度示意图；
图7为本发明的实施例1和对比例1的齿轮的硬度梯度示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明提供了一种渗碳齿轮的分段感应淬火方法，包括如下步骤：
S1、将齿轮进行渗碳处理；
S2、将渗碳后的齿轮随炉冷却；
S3、然后将齿轮整体进行高温回火处理；
S4、然后逐一将齿轮单齿进行分段感应淬火；
S5、然后将齿轮冷却至室温；
S6、然后将齿轮整体进行深冷处理；
S7、然后将齿轮整体进行低温回火处理。
具体的，上述S1中，齿轮的原材料中，C的质量百分含量为0.13％～0.19％，Cr的质量百分含量为1.35％～1.65％，Ni的质量百分含量为2％以上。
具体的，上述齿轮的内圈的直径为300mm以上，上述齿轮的分度圆的直径为510～780mm，上述齿轮的模数为30～60mm。
具体的，上述S1中，渗碳处理之前还包括对齿轮内圈及两侧基准端面进行防渗碳处理。
具体的，上述S1中，渗碳处理可以采取气态、液态或固态渗碳。
具体的，上述S2中，冷却后的齿轮的渗碳层最外侧碳含量为0.8％～1.5％。
具体的，上述S2中，冷却后的齿轮以碳含量0.4％为临界点，齿轮的渗碳层深度为1～6mm，渗碳扩散前沿深度为4～8mm。
具体的，上述S2中，冷却后的齿轮的表层微观组织为马氏体+贝氏体+不超过30％(体积百分比)的残余奥氏体；碳含量为0.4％位置处的残余奥氏体含量不超过15％。
具体的，上述S3中，高温回火温度的取值范围为550℃～700℃，高温回火的保温时间为0.5～24h。
具体的，上述S3中，高温回火可以进行两次。高温回火的保温时间是根据工件的几何尺寸定的，工件厚度越大，保温时间越长。
具体的，上述S4中，分段感应淬火包括：
S401、快速升温至440～450℃，升温时间t1；
S402、升温至650～700℃之间，升温时间t2；
S403、缓慢升温至终淬温度750℃～900℃之间，升温时间t3；t1≤t2≤t3。
具体的，上述S4中，渗碳层深度为1.5mm以下时，t1＝t2＝t3；渗碳层深度为(1.5，3]mm时，t1:t2:t3＝1:1.4～1.5:1.4～1.5；渗碳层深度为(3，4]mm时，t1:t2:t3＝1:1.4～1.5:1.9～2；渗碳层深度为(4，5]mm时，t1:t2:t3＝1:1.9～2:2.4～2.5；渗碳层深度大于5mm时，t1:t2:t3＝1:2.0～2.3:2.5～2.8。
具体的，上述S4中，齿轮单齿进行分段感应淬火时，采用水性介质完全冷却至室温。
具体的，上述S6中，考虑到深冷的温度和时间不合适会导致齿轮的表面硬度和性能无法满足技术要求。发明人经过深入研究后，控制深冷温度为-50℃～-150℃，深冷时间为1～24h。
具体的，上述S7中，低温回火温度为150～250℃，回火时间在1～12h。
具体的，上述S7中，低温回火处理后的齿轮的表层组织为高碳回火马氏体+20％以下残余奥氏体，次表层(含碳量0.4％～0.6％左右)为中碳回火马氏体+回火索氏体+25％以下残余奥氏体，心部组织为贝氏体+40％以下残余奥氏体。
具体的，上述S7中，低温回火处理后的齿轮的有效硬化层深度为2～7mm。
低温回火后的齿轮的表层硬度为805～880HV1，心部硬度为450HV1以下(例如440HV1以下)，齿轮的表层硬度均匀性好，硬度的梯度过渡区域更平缓，心部硬度低，有利于心部的后期加工，解决了心部难加工的难题。且齿轮表面无裂纹，成品率高(例如，成品率达到99％以上)。
具体的，上述S7中，低温回火后的齿轮采用微拉伸试验检测，低温回火后的齿轮的表层(指含碳量0.8％以上的表层)的力学性能：抗拉强度1750MPa以上(例如1750～1850MPa),延伸率6％以上(例如6％～7.5％)；含碳量0.4％以下的心部的力学性能：抗拉强度1150MPa以上(例如(1150～1200MPa)，延伸率11％以上，例如(11％～15％)，齿轮的力学性能优异，耐磨性能优异。
本发明还提供了一种渗碳齿轮，采用上述的方法制备得到。
与现有技术相比，本发明提供的渗碳齿轮的分段感应淬火方法，通过结合渗碳层深度，精确控制各段感应加热的温度和时间，能够获得符合要求的有效硬化层深度，保证齿轮的表层硬度均匀性好，硬度的梯度过渡区域更平缓，这对于大渗层的服役是非常有利的，能够提高强韧性，提高接触疲劳性能；齿轮的心部及内圈硬度满足机加工性能要求；本发明的方法通过精确控制各段感应加热的温度和时间，齿轮表面出现裂纹的概率大大降低，淬裂的概率大大降低，且齿轮表面无裂纹，成品率高(例如，成品率达到99％以上)。
实施例1
本实施例提供了一种渗碳齿轮的分段感应淬火方法及渗碳齿轮。本实施例的齿轮的材料为18Cr2Ni4WA；如图1所示为齿轮的分段感应淬火方法示意图，本实施例的齿轮的模数为40mm，分度圆直径为650mm，内圈的直径为300mm。
渗碳处理之前先对齿轮内圈及两侧基准端面进行防渗碳处理；然后进行：
步骤1、将齿轮整体进行渗碳处理；随后齿轮整体随炉冷却；渗碳层深度为3.7mm，渗碳层外侧最高含碳量1.0％；
步骤2、然后将齿轮整体进行650℃高温回火3h；
步骤3、然后逐一对齿轮单齿进行分段表面感应淬火处理：第一阶段，加热时间20s，表层最高感应加热温度为450℃；表层到温后紧接着开始第二阶段感应加热，加热时间30s，表层最高感应加热温度为670℃；第三阶段以低功率缓慢升温至终淬温度800℃,加热时间40s，冷却采用水性复合冷却介质；
步骤4、在齿轮单齿均完成分段表面感应淬火处理后，紧接着对齿轮整齿进行深冷处理；深冷温度为-130℃，冷却时间为60min；
步骤5、齿轮整体在空气中放置1h，至所有齿面温度达到室温后进行低温回火，回火温度为175℃，时间为3h。
本实施例制备得到的齿轮的表层组织如图2所示，为高碳回火马氏体+约10％残余奥氏体，次表层组织如图3所示，为中碳回火马氏体+回火索氏体+约15残余奥氏体，心部组织组织如图4所示，为贝氏体+约30％残余奥氏体。
本实施例制备得到的齿轮的硬度分布如图5所示，齿轮的距齿面距离L与硬度的关系如下：0≤L≤3mm，硬度为805～880HV1；3＜L≤5.5mm，硬度为435～810HV1；5.5mm＜L，硬度为435HV1以下。齿轮的表层硬度均匀性好，硬度的梯度过渡区域更平缓。齿轮的有效硬化层深4.5mm，齿轮心部及内圈硬度440HV以下，满足机加工性能要求。
本实施例制备得到的齿轮的表层的力学性能：抗拉强度约1800MPa,延伸率6.5％；心部的力学性能：抗拉强度约1170MPa，延伸率11.5％；并且本实施例的齿轮和对比例1的齿轮均进行耐磨实验，耐磨性能优异，与对比例1相比，本实施例对磨副的磨损失重可减少15％。
实施例2
本实施例提供了一种渗碳齿轮的分段感应淬火方法及渗碳齿轮。本实施例的齿轮的材料为18Cr2Ni4WA；本实施例的齿轮的模数为40mm，分度圆直径为650mm，内圈的直径为300mm。
渗碳处理之前先对齿轮内圈及两侧基准端面进行防渗碳处理；然后进行：
步骤1、将齿轮整体进行渗碳处理；随后齿轮整体随炉冷却；渗碳层深度为4.2mm，渗碳层外侧最高含碳量1.0％；
步骤2、然后将齿轮整体进行670℃高温回火2.5h；
步骤3、然后逐一对齿轮单齿进行分段表面感应淬火处理：第一阶段，加热时间20s，表层最高感应加热温度为450℃；表层到温后紧接着开始第二阶段感应加热，加热时间40s，表层最高感应加热温度为690℃；第三阶段以低功率缓慢升温至终淬温度850℃,加热时间50s，冷却采用水性复合冷却介质；
步骤4、在齿轮单齿均完成分段表面感应淬火处理后，紧接着对齿轮整齿进行深冷处理；深冷温度为-130℃，冷却时间为90min；
步骤5、齿轮整体在空气中放置1h，至所有齿面温度达到室温后进行低温回火，回火温度为210℃，时间为3h。
本实施例制备得到的齿轮的表层组织为高碳回火马氏体+约12％残余奥氏体，次表层组织为中碳回火马氏体+回火索氏体+约15％残余奥氏体，心部组织组织为贝氏体+约25％残余奥氏体。
本实施例制备得到的齿轮的距齿面距离L与硬度的关系如下：0≤L≤3.7mm，硬度为805～880HV1；3.7＜L≤7mm，硬度为440～810HV1；7mm＜L，硬度为440HV1以下。齿轮的表层硬度均匀性好，硬度的梯度过渡区域更平缓。齿轮的有效硬化层深5mm，齿轮心部及内圈硬度440HV以下，满足机加工性能要求。
本实施例制备得到的齿轮的表层的力学性能：抗拉强度约1820MPa,延伸率6.5％；心部的力学性能：抗拉强度约1190MPa，延伸率11％；并且本实施例的齿轮耐磨性能优异，与对比例1相比，本实施例对磨副的磨损失重可减少17％。
实施例3
本实施例提供了一种渗碳齿轮的分段感应淬火方法及渗碳齿轮。本实施例的齿轮的材料为18Cr2Ni4WA；本实施例的齿轮的模数为40mm，分度圆直径为650mm，内圈的直径为300mm。
渗碳处理之前先对齿轮内圈及两侧基准端面进行防渗碳处理；然后进行：
步骤1、将齿轮整体进行渗碳处理；随后齿轮整体随炉冷却；渗碳层深度为5.2mm，渗碳层外侧最高含碳量1.0％；
步骤2、然后将齿轮整体进行700℃高温回火2h；
步骤3、然后逐一对齿轮单齿进行分段表面感应淬火处理：第一阶段，加热时间20s，表层最高感应加热温度为450℃；表层到温后紧接着开始第二阶段感应加热，加热时间44s，表层最高感应加热温度为700℃；第三阶段以低功率缓慢升温至终淬温度900℃,加热时间52s，冷却采用水性复合冷却介质；
步骤4、在齿轮单齿均完成分段表面感应淬火处理后，紧接着对齿轮整齿进行深冷处理；深冷温度为-140℃，冷却时间为70min；
步骤5、齿轮整体在空气中放置1h，至所有齿面温度达到室温后进行低温回火，回火温度为200℃，时间为3h。
本实施例制备得到的齿轮的表层组织为高碳回火马氏体+约9％残余奥氏体，次表层组织为中碳回火马氏体+回火索氏体+约13％残余奥氏体，心部组织组织为贝氏体+约22％残余奥氏体。
本实施例制备得到的齿轮的距齿面距离L与硬度的关系如下：0≤L≤4.2mm，硬度为805～880HV1；4.2＜L≤7.5mm，硬度为440～810HV1；7.5mm＜L，硬度为440HV1以下。齿轮的表层硬度均匀性好，硬度的梯度过渡区域更平缓。齿轮的有效硬化层深为5.5mm，齿轮心部及内圈硬度440HV1以下，满足机加工性能要求。
本实施例制备得到的齿轮的表层的力学性能：抗拉强度约1850MPa,延伸率6％；心部的力学性能：抗拉强度约1200MPa，延伸率11％；并且本实施例的齿轮耐磨性能优异，与对比例1相比，本实施例对磨副的磨损失重可减少19％。
由实施例1-3的微观组织及性能可见，采用本发明的方法，齿轮的力学性能优异，耐磨性能优异，有效层深符合要求，并且心部硬度低，有利于心部的后期加工，并且齿轮表面无裂纹，成品率高(例如，成品率达到99％以上)。
对比例1
本对比例提供了一种齿轮的整体淬火方法及齿轮。本对比例的齿轮的材料及结构与实施例1的相同。本对比例的整体淬火方法与实施例1的步骤1-步骤2相同，不同之处在于：
步骤3、将齿轮整体进行淬火处理；淬火温度800℃，保温时间20min，随后喷水性冷却液冷却至室温；
步骤4、将齿轮整体采用液氮进行深冷处理；冷却温度为-130℃，冷却时间为60min；
步骤5、将齿轮整体进行低温回火，回火温度为175℃，时间为3h。
本对比例的齿轮的硬度分布如图6所示，将本对比例与实施例1的硬度曲线放在一个图里，如图7所示，图中实心的是实施例1的硬度，空心的是对比例1的硬度。可以看出，本发明采用合适的分段感应淬火工艺，获得的硬度梯度更加平缓，这对于渗层较深的齿轮的服役是非常有利的，能够提高强韧性，提高接触疲劳性能。另外，本发明的齿轮的心部硬度在440HV1以下，比整体炉冷淬火的低，更有利于心部的后期加工，解决了心部难加工的难题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种渗碳齿轮的分段感应淬火方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将齿轮进行渗碳处理；
S2、将渗碳后的齿轮随炉冷却；
S3、将齿轮整体进行高温回火处理；
S4、逐一将齿轮单齿进行分段感应淬火；
S5、将齿轮冷却至室温；
S6、将齿轮整体进行深冷处理；
S7、将齿轮整体进行低温回火处理。
2.根据权利要求1所述的分段感应淬火方法，其特征在于，所述S1中，齿轮的原材料中，C的质量百分含量为0.13％～0.19％，Cr的质量百分含量为1.35％～1.65％，Ni的质量百分含量为2％以上。
3.根据权利要求1所述的分段感应淬火方法，其特征在于，所述S4中，分段感应淬火包括：
S401、快速升温至440～450℃，升温时间t1；
S402、升温至650～700℃之间，升温时间t2；
S403、缓慢升温至终淬温度750℃～900℃之间，升温时间t3；t1≤t2≤t3。
4.根据权利要求3所述的分段感应淬火方法，其特征在于，所述S4中，
渗碳层深度为1.5mm以下时，t1＝t2＝t3；
渗碳层深度为(1.5，3]mm时，t1:t2:t3＝1:1.4～1.5:1.4～1.5；
渗碳层深度为(3，4]mm时，t1:t2:t3＝1:1.4～1.5:1.9～2；
渗碳层深度为(4，5]mm时，t1:t2:t3＝1:1.9～2:2.4～2.5；
渗碳层深度大于5mm时，t1:t2:t3＝1:2～2.3:2.5～2.8。
5.根据权利要求3所述的分段感应淬火方法，其特征在于，所述S4中，齿轮单齿进行分段感应淬火时，采用水性介质完全冷却至室温。
6.根据权利要求1所述的分段感应淬火方法，其特征在于，所述S2中，冷却后的齿轮的表层微观组织为马氏体+贝氏体+体积百分比不超过30％的残余奥氏体。
7.根据权利要求1所述的分段感应淬火方法，其特征在于，所述S3中，高温回火温度的取值范围为550℃～700℃，高温回火的保温时间为0.5～24h。
8.根据权利要求1所述的分段感应淬火方法，其特征在于，所述S6中，深冷温度为-50℃～-150℃，深冷时间为1～24h。
9.根据权利要求1至8所述的分段感应淬火方法，其特征在于，所述S7中，低温回火温度为150～250℃，回火时间在1～12h。
10.一种渗碳齿轮，其特征在于，所述渗碳齿轮采用权利要求1至9任一项所述的分段感应淬火方法制备得到。
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