CN116423154A - 一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法，包括如下步骤：(1)选择布氏硬度范围在170‑320HB之间的铬基合金坯料进行锻造比≥8的锻造镦粗处理，再冲孔后碾环，然后进行正火处理获得环坯；(2)对所述环坯依次进行粗车、固溶处理、半精车、粗开齿、淬火处理、回火处理、精车、精铣齿、粗加工钻孔和钻螺、第一时效处理、精加工钻孔和钻螺、精车、粗磨齿、第二时效处理、精磨齿，得到半成品；(3)最后对所述半成品进行渗氮处理得到大型薄壁内齿圈。本发明方法能够有效控制大型薄壁内齿圈在热处理后产生畸变严重的问题，可控制畸变端跳≤0.01mm/φ1000、径跳(Fr)≤0.02mm/φ1000，且渗氮层深＞0.3mm，表面硬度可达600‑800HV。
Description
技术领域
本发明涉及热处理技术领域，具体涉及一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法。
背景技术
现如今风电增速箱兆瓦越来越大，相应的内在关键传动内齿圈的尺寸也不断增大，当前内齿圈结构设计呈现出外径增大，齿宽增大，壁厚减小的特征。机械传动结构中的关键零部件就是内齿圈，可保证机械传动部件甚至整个系统的平稳性和安全性，为此，对内齿圈的表面硬度、耐磨性、疲劳强度以及抗腐蚀能力等提出了更高要求。
内齿圈在加工时，采用表面强化以减少内齿圈表面的磨损、氧化以及腐蚀等问题。通常在内齿圈表面形成强化层的方法是对工件进行氮化处理。所谓氮化处理指的是将氮元素渗透进入内齿圈内部，并在内齿圈表面形成富氮硬化层，此工艺属于化学热处理工艺。工艺原理是：通过将氨加热至渗透的氮被分解出来并在内齿圈表面形成铁氮合金，最终达到提升内齿圈机械性能、物理性能以及化学性能的目的。一般可将氮化处理分为三个阶段，分别为：氨分解出所需的氮；内齿圈表面吸收氮原子；内齿圈表面的氮达到饱和状态后，氮继续向内齿圈内部扩散，从而增加渗氮层的厚度。
内齿圈的硬化工艺常规采用气体氮化为主，一般氮化温度在490-530℃之间，兆瓦数越大相应的氮化硬化层深要求也越深，内齿圈的氮化制造难点在于由于壁薄且工件较大，长时间的氮化不可避免的产生正比例关系的畸变，同时氮化时间长制造成本高，畸变轻者返修，严重畸变甚至导致工件报废。迫切需要一种对大型薄壁内齿圈快速实现有效硬化层深要求同时控制畸变的工艺。
发明内容
为了解决大型薄壁内齿圈氮化产生畸变严重的技术问题，而提供一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法。本发明方法能够有效控制大型薄壁内齿圈在热处理后产生畸变严重的问题，可控制
且渗氮层深＞0.3mm，表面硬度可达600-800HV。
为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法，包括如下步骤：
(1)选择布氏硬度范围在170-320HB之间的铬基合金坯料进行锻造比≥8的锻造镦粗处理，再冲孔后碾环，然后进行正火处理获得环坯；
(2)对所述环坯依次进行粗车、固溶处理、半精车、粗开齿、淬火处理、回火处理、精车、精铣齿、粗加工钻孔和钻螺、第一时效处理、精加工钻孔和钻螺、精车、粗磨齿、第二时效处理、精磨齿，得到半成品；
(3)最后对所述半成品进行渗氮处理得到大型薄壁内齿圈。
进一步地，所述铬基合金坯料为42CrMo、34CrNiMo6、31CrMoV9中的一种。
进一步地，所述正火处理的温度为850-950℃、保温时间为4-6h，升温速率为200℃/h，所述正火处理结束后随炉冷却至200℃。
进一步地，所述固溶处理的温度为900-950℃、保温时间4-6h，升温速率为200℃/h，所述固溶处理结束后随炉冷却至200℃。
进一步地，所述淬火处理是先升温至800-880℃并保温1-2h后，在PAG淬火液中淬火冷却至齿根温度为200-250℃时出液，再进行盐浴淬火；所述PAG淬火液的温度控制在30-40℃、冷却速度≥160℃/h；所述盐浴淬火是将工件冷却至140℃时取出。
进一步地，所述回火处理的温度至少为590℃、保温5-7h，升温速率至少100℃/h，所述回火处理结束后空冷至200℃以下。
进一步地，所述第一时效处理的温度为550-600℃、保温时间为5-8h，升温速率为100-150℃/h，所述第一时效处理结束后采用降温速率50-100℃/h降温至150℃；所述第二时效处理的温度为200-250℃、保温时间为4-6h，升温速率不超过100℃/h，所述第二时效处理结束后采用降温速率50-100℃/h降温至100℃以下。
进一步地，所述渗氮处理是在升温速率为30-40℃/h下先升温至550≤T1≤560℃并保温6-10h，再以40-50℃/h降温速率降温至540≤T2＜550℃并保温6-14h，保持40-50℃/h降温速率降温至530≤T3＜540℃并保温10-20h，再保持40-50℃/h降温速率降温至480≤T4＜530℃并保温16-26h，在T1、T2、T3、T4阶段均通入氨气并控制氨气分解率分别为50％、55％、60％、65-68％，最后以40-50℃/h降温速率冷却至80℃。
有益技术效果：
本发明采用锻造比≥8的锻造镦粗处理后碾环可以改进合金致密度，细化粗大晶粒获得较为均匀的壁厚，在镦后及时进行正火处理，可促使晶粒进一步细化，消除锻造应力，提高切削能力；然后在粗车后进行固溶、淬火，对合金进行调质，以提高合金组成均匀性，减少枝晶偏析，以减少渗氮畸变，从而获得较高的强度、优良的韧性、塑性及切削能力；淬火采用盐水淬和PAG冷淬，可以最大程度淬透，同时不会产生裂纹，淬透深度越好，那么氮化后合金基体组织硬度越好，有利于提高氮化温度以获得较好的氮化强化效果，使合金基体刚性增加同时不易产生高温蠕变，从而获得微畸变工件；后续精车、精铣齿、粗加工等一系列机加工后会产生明显的机加工内应力，因此后续还需要进行二级时效处理，先采用高温时效去除前期应力，控制升温及降温速率以避免产生二次应力，同时消除工件内应力，改善力学性能，然后再精加工、粗磨齿等操作，磨齿磨削过程中金属键断裂产生能量释放，能量的起伏必然也将导致内应力产生，因此后续还需进行低温时效处理以进一步消除内应力，从而稳定组织结构和尺寸。
本发明方法通过工艺改进实现快速渗氮且达到微畸变效果，可控制渗氮层深＞0.3mm，工艺时间可减少25-60％；可控制
表面硬度可达600-800HV，白亮层深度＜15μm，渗氮层脆性级别达到1级。
附图说明
图1为大型薄壁内齿圈结构示意图，图中未示出内齿，但实际制作过程中存在内齿。
图2为实施例1的渗氮工艺图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定时效处理，仅仅是为了便于对各步骤中时效处理进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以下实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照国家标准测定；若没有相应的国家标准，则按照通用的国际标准、或相关企业提出的标准要求进行。除非另有说明，否则所有的份数为重量份，所有的百分比为重量百分比。
实施例1
一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法，大型薄壁内齿圈工件结构示意图如图1所示，图1中未示出内齿，但实际工艺制造过程中存在，本实施例制备的大型薄壁内齿圈的外径2500mm、内径2300mm、壁厚100mm，包括如下步骤：
(1)选择42CrMo合金坯料进行4锻3拔的锻造镦粗处理，再冲孔、10吨电锤车架扩孔后碾环，然后以200℃/h的升温速率升温至900℃进行正火处理保温5h后，随炉冷却至200℃获得环坯；
(2)对所述环坯进行粗车，然后以200℃/h升温速率升温至920℃进行固溶处理保温5h后，随炉冷却至200℃；
然后进行半精车、粗开齿，然后将工件升温至820℃进行热处理并保温2h，后续先在PAG淬火液中淬火冷却，保持PAG淬火液的温度控制在30℃、冷却速度160℃/h，冷却至齿根温度为220℃时出液，再将工件采用盐浴冷却至140℃时取出；再以120℃/h升温速率升温至600℃进行回火处理保温6h，空冷至200℃以下；
而后进行精车、精铣齿、粗加工钻孔和钻螺；
以120℃/h升温速率升温至570℃进行第一时效处理保温6h，以80℃/h降温速率降温至150℃；
再进行精加工钻孔和钻螺、精车、粗磨齿；
以80℃/h升温速率升温至230℃进行第二时效处理保温5h，以50℃/h降温速率降温至100℃以下；
进行精磨齿后得到半成品；
(3)最后对所述半成品进行渗氮处理，具体处理是：在升温速率为35℃/h下先升温至T1＝560℃并保温6h，再以45℃/h降温速率先降温至T2＝545℃并保温6h，保持45℃/h降温速率再降温至T3＝535℃并保温10h，再保持45℃/h降温速率降温至T4＝520℃并保温18h，在以上T1、T2、T3、T4阶段均通入氨气并控制氨气分解率分别为50％、55％、60％、68％，最后以40-50℃/h降温速率冷却至80℃，得到大型薄壁内齿圈。
实施例2
一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法，大型薄壁内齿圈尺寸与实施例1相同，控制氮化层深度为0.6mm，包括如下步骤：
(1)选择34CrNiMo6合金坯料进行4锻3拔的锻造镦粗处理，再冲孔、10吨电锤车架扩孔后碾环，然后以200℃/h升温速率升温至920℃进行正火处理保温4h后，随炉冷却至200℃获得环坯；
(2)对所述环坯进行粗车，然后以200℃/h升温速率升温至950℃进行固溶处理保温6h后，随炉冷却至200℃；
然后进行半精车、粗开齿，然后将工件升温至830℃进行热处理并保温2h，后续先在PAG淬火液中淬火冷却，保持PAG淬火液的温度控制在30℃、冷却速度160℃/h，冷却至齿根温度为200℃时出液，再将工件采用盐浴冷却至140℃时取出；再以130℃/h升温速率升温至650℃进行回火处理保温6h，空冷至200℃以下；
而后进行精车、精铣齿、粗加工钻孔和钻螺；
以130℃/h升温速率升温至600℃进行第一时效处理保温5h，以90℃/h降温速率降温至150℃；
再进行精加工钻孔和钻螺、精车、粗磨齿；
以60℃/h升温速率升温至250℃进行第二时效处理保温4h，以50℃/h降温速率降温至100℃以下；
进行精磨齿后得到半成品；
(3)最后对所述半成品进行渗氮处理，具体处理是：在升温速率为30℃/h下先升温至T1＝550℃并保温10h，再以40℃/h降温速率先降温至T2＝540℃并保温14h，保持40℃/h降温速率再降温至T3＝530℃并保温16h，再保持40℃/h降温速率降温至T4＝500℃并保温24h，在以上T1、T2、T3、T4阶段均通入氨气并控制氨气分解率分别为50％、55％、60％、65％，最后以40-50℃/h降温速率冷却至80℃，得到大型薄壁内齿圈。
实施例3
一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法，大型薄壁内齿圈尺寸与实施例1相同，包括如下步骤：
(1)选择31CrMoV9合金坯料进行4锻3拔的锻造镦粗处理，再冲孔、10吨电锤车架扩孔后碾环，然后以200℃/h升温速率升温至900℃进行正火处理保温6h后，随炉冷却至200℃获得环坯；
(2)对所述环坯进行粗车，然后以200℃/h升温速率升温至950℃进行固溶处理保温5h后，随炉冷却至200℃；
然后进行半精车、粗开齿，然后将工件升温至840℃进行热处理并保温2h，后续先在PAG淬火液中淬火冷却，保持PAG淬火液的温度控制在30℃、冷却速度160℃/h，冷却至齿根温度为250℃时出液，再将工件采用盐浴冷却至140℃时取出；再以140℃/h升温速率升温至700℃进行回火处理保温6h，空冷至200℃以下；
而后进行精车、精铣齿、粗加工钻孔和钻螺；
以130℃/h升温速率升温至550℃进行第一时效处理保温8h，以60℃/h降温速率降温至150℃；
再进行精加工钻孔和钻螺、精车、粗磨齿；
以80℃/h升温速率升温至200℃进行第二时效处理保温6h，以60℃/h降温速率降温至100℃以下；
进行精磨齿后得到半成品；
(3)最后对所述半成品进行渗氮处理，具体处理是：在升温速率为40℃/h下先升温至T1＝555℃并保温8h，再以50℃/h降温速率先降温至T2＝540℃并保温12h，保持50℃/h降温速率再降温至T3＝530℃并保温18h，再保持50℃/h降温速率降温至T4＝500℃并保温16h，在以上T1、T2、T3、T4阶段均通入氨气并控制氨气分解率分别为50％、55％、60％、65％，最后以40-50℃/h降温速率冷却至80℃，得到大型薄壁内齿圈。
实施例4
一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法，大型薄壁内齿圈尺寸与实施例1相同，控制氮化层深度为0.6mm，制备方法与实施例1相同，不同之处在于：步骤3中最后对所述半成品进行渗氮处理，具体处理是：在升温速率为40℃/h下先升温至T1＝555℃并保温10h，再以50℃/h降温速率先降温至T2＝540℃并保温14h，保持50℃/h降温速率再降温至T3＝530℃并保温20h，再保持50℃/h降温速率降温至T4＝500℃并保温26h，在以上T1、T2、T3、T4阶段均通入氨气并控制氨气分解率分别为50％、55％、60％、65％，最后以40-50℃/h降温速率冷却至80℃，得到大型薄壁内齿圈。
对比例1
本对比例采用42CrMo合金制造大型薄壁内齿圈，内齿圈尺寸与实施例1相同，不同之处在于：
锻坯(3锻3拔)→正火处理→粗车→探伤→调质(850℃加热保温1.5h→油淬火→600℃回火处理并保温1.5h→随炉冷→空冷)→半精车→粗铣齿→粗加工钻孔和钻螺→低温时效处理(500℃退火保温6h，降温至150℃下出炉，升温速率≤50℃/h，降温速率≤20℃/h)→精加工钻孔和钻螺→精车→精铣齿→精磨齿→渗氮处理(升温至350±5℃保温2h进行预热→然后升温至450±5℃保温2h进行通氮气排气→然后升温至515±5℃并保温2h，在该过程中通氨气点火，控制此时氨分解率6±2％→随后在515±5℃下进行强渗氮19h，控制此时氨分解率40±5％→保持515±5℃下进行第一次扩散26h，控制此阶段氨分解率55±5％→保持515±5℃下进行第二次扩散26h，控制此阶段氨分解率60±5％→保持515±5℃下进行第三次扩散25h，控制此阶段氨分解率68±5％→最后以40-50℃/h降温速率冷却至80℃；以上渗氮处理升温速率与降温速率与实施例1保持一致)→得到大型薄壁内齿圈。
对以上实施例及对比例的产品工件进行性能检测，结果见表1。
表1实施例及对比例的产品工件性能
由表1可知，实施例大型薄壁内齿圈经过本发明工艺步骤处理后能够控制
具备较好的平整度，畸变量较小。本发明方法能够有效控制大型薄壁内齿圈在热处理后产生畸变严重的问题；且渗氮层深＞0.3mm(根据应用领域不同可控调整渗氮层深)，表面硬度可达600-800HV。虽然实施例1的渗氮层较对比例1浅，但实施例1通过较短渗氮处理时间(40h)即能达到对比例1较长渗氮处理时间(96h)所能达到的表面硬度，且实施例1的工艺畸变相较于对比例1的工艺畸变更小。
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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选择布氏硬度范围在170-320HB之间的铬基合金坯料进行锻造比≥8的锻造镦粗处理，再冲孔后碾环，然后进行正火处理获得环坯；
(2)对所述环坯依次进行粗车、固溶处理、半精车、粗开齿、淬火处理、回火处理、精车、精铣齿、粗加工钻孔和钻螺、第一时效处理、精加工钻孔和钻螺、精车、粗磨齿、第二时效处理、精磨齿，得到半成品；
(3)最后对所述半成品进行渗氮处理得到大型薄壁内齿圈。
2.根据权利要求1所述的一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法，其特征在于，所述铬基合金坯料为42CrMo、34CrNiMo6、31CrMoV9中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法，其特征在于，所述正火处理的温度为850-950℃、保温时间为4-6h，升温速率为200℃/h，所述正火处理结束后随炉冷却至200℃。
4.根据权利要求1所述的一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法，其特征在于，所述固溶处理的温度为900-950℃、保温时间4-6h，升温速率为200℃/h，所述固溶处理结束后随炉冷却至200℃。
5.根据权利要求1所述的一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法，其特征在于，所述淬火处理是先升温至800-880℃并保温1-2h后，在PAG淬火液中淬火冷却至齿根温度为200-250℃时出液，再进行盐浴淬火；所述PAG淬火液的温度控制在30-40℃、冷却速度≥160℃/h；所述盐浴淬火是将工件冷却至140℃时取出。
6.根据权利要求1所述的一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法，其特征在于，所述回火处理的温度至少为590℃、保温5-7h，升温速率至少100℃/h，所述回火处理结束后空冷至200℃以下。
7.根据权利要求1所述的一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法，其特征在于，所述第一时效处理的温度为550-600℃、保温时间为5-8h，升温速率为100-150℃/h，所述第一时效处理结束后采用降温速率50-100℃/h降温至150℃；所述第二时效处理的温度为200-250℃、保温时间为4-6h，升温速率不超过100℃/h，所述第二时效处理结束后采用降温速率50-100℃/h降温至100℃以下。
8.根据权利要求1所述的一种大型薄壁内齿圈快速氮化微畸变工艺方法，其特征在于，所述渗氮处理是在升温速率为30-40℃/h下先升温至550≤T1≤560℃并保温6-10h，再以40-50℃/h降温速率降温至540≤T2＜550℃并保温6-14h，保持40-50℃/h降温速率降温至530≤T3＜540℃并保温10-20h，再保持40-50℃/h降温速率降温至480≤T4＜530℃并保温16-26h，在T1、T2、T3、T4阶段均通入氨气并控制氨气分解率分别为50％、55％、60％、65-68％，最后以40-50℃/h降温速率冷却至80℃。
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