CN1654700A

CN1654700A - 连续炉汽车变速箱齿轮微变形稀土碳共渗方法

Info

Publication number: CN1654700A
Application number: CN 200510009764
Authority: CN
Inventors: 闫牧夫; 刘志儒
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2005-08-17

Abstract

连续炉汽车变速箱齿轮微变形稀土碳共渗方法，它涉及一种渗碳方法。本发明是这样实现的：a.将预处理的工件送入每个区间都装有稀土共渗剂的连续式渗碳炉中，工件进入I区，在温度为840～890℃的条件下进行预热和预渗处理；b.依次进入II区和III区，在温度为840～890℃、碳势为1.15～1.25％的条件下进行渗碳处理；c.然后进入IV区，在温度为840～890℃、碳势为0.8～1.05％的条件下进行扩散处理；d.最后进入V区，在温度为840～890℃、碳势为0.8～1.05％的条件下等待出炉、淬火。本发明的I～IV区皆可以在840～890℃同一温度下进行低温稀土渗碳，可以更有效的实施可控稀土低温高浓度气体渗碳工艺，保证获得最佳的金相组织，具有高渗速、高效率、低能耗的优点。

Description

连续炉汽车变速箱齿轮微变形稀土碳共渗方法

技术领域：

本发明涉及一种渗碳方法，具体涉及一种利用稀土共渗剂在连续式渗碳炉中对汽车变速箱齿轮进行渗碳的方法。

背景技术：

目前我国汽车变速箱齿轮普遍采用20CrMnTi或20CrMoH钢，由于20CrMnTi钢渗碳前后尺寸变化较大，而且规律性不强难以控制，所以主要采用20CrMoH(或22CrMoH)钢，但是生产证明，这种钢材的变形如果工艺不当，也同样达不到国际标准。为了满足国际标准，不得不采用磨齿工序，而磨齿是一道工效低下、费用昂贵的工序，不仅延长了生产周期，还增加了生产成本。众所周知，解决齿轮变形是一个系统工程，涉及钢材的冶炼质量、钢材的轧制、齿轮毛坯的锻造与退火、机械加工及最后的渗碳淬火工序。是否需要磨齿，要看齿轮的锻造渗碳淬火前后的尺寸公差与精度是否达到设计要求而定。我国的齿轮加工行业普遍装备了数控加工机床与加工中心，公差尺寸与加工精度完全达到了国际标准，一般均能达到4～5级。但渗碳后由于变形增至7～8级超过标准，要么磨齿，要么降级使用，售价下调，经济效益受损。生产实践指出，渗碳淬火成了关键工序。经过大量研究，影响渗碳淬火变形的关键因素是渗碳温度，因此欲减少渗碳淬火后的变形，首先必须降低渗碳温度。

随着温度的升高，钢的屈服强度σ_0.2下降，这是一种物理现象。当温度达到900℃以上时σ_0.2已经很低，工件自身的重量已经足以引起变形，只不过这种变形速度极其缓慢，这种温度和自重引起的缓慢变形叫做蠕变，因此渗碳引起的变形和蠕变有关，这是主要原因。此外，加热速度过快、加热不均匀、淬火冷却均匀性差都足以引起变形(包括工件形状因素与截面尺寸差在内)。从理论上分析，只要降低渗碳温度或缩短渗碳时间就能明显减少变形，当然引起变形的其他因素也不能忽视。

就传统渗碳工艺技术而言，900℃以下温度的气体渗碳是不被采用的，其原因是渗碳介质分解过程缓慢、不充分，渗碳气体成分达不到要求，同时渗碳速度极其缓慢，渗碳速度大幅度下降，无法生产应用，没有利用价值，若想在840～880℃范围内进行渗碳更不可能。ZL88104204.8中公开了一种“固态稀土化学热处理催渗剂”，CN1061443A中公开了一种“稀土低温高浓度气体渗碳方法”，该方法使用了ZL88104204.8中公开的催渗剂，使840～880℃稀土渗碳不仅可以实施，而且取代了常规的碳氮共渗，在井式炉中推广多年，取得了很好的技术效果。

就渗碳设备而言，可分为井式渗碳炉、箱式气体渗碳多用炉及连续式气体渗碳炉三大类。前两种属于周期作业式气体渗碳，多用于单件或小批量生产，而连续式气体渗碳炉则属于大批量生产应用设备。

连续式渗碳炉的结构特点在于按工件直线推进方向将渗碳工艺流程划分为五个不同的工作区间：I、II、III、IV、V，如表1所示，各区的功能与工艺参数各不相同。在这五个区间中真正进行渗碳的仅为III区，其余四个区仅起到辅助作用，有效利用渗碳的区间太短，显然不合理，其结果必定是低渗速、低效率、高能耗。

表1

工作区段	I	II	III	IV	V
工作区段	I	II	III	IV	V	炉温，℃	860～880	890～910	920～940	890～910	820～860
炉气碳势(Cp)，％	-	0.7	1.2	0.8～1.1	0.8～1.1	炉温，℃	860～880	890～910	920～940	890～910	820～860
炉气碳势(Cp)，％	-	0.7	1.2	0.8～1.1	0.8～1.1	功能	预热	预渗	渗碳	扩散	预冷淬火

发明内容：

本发明为了解决现有渗碳方法低渗速、低效率、高能耗的不足，提供一种高渗速、高效率、低能耗的连续式渗碳炉稀土共渗低温等温渗碳方法。本发明是这样实现的：a、将预处理的工件送入每个区间都装有稀土共渗剂的连续式渗碳炉中，工件进入I区，在温度为840～890℃的条件下进行预热和预渗处理；b、依次进入II区和III区，在温度为840～890℃、碳势为1.15～1.25％的条件下进行渗碳处理；c、然后进入IV区，在温度为840～890℃、碳势为0.8～1.05％的条件下进行扩散处理；d、最后进入V区，在温度为840～890℃、碳势为0.8～1.05％的条件下等待出炉、淬火。本发明的工艺方法不仅适用于连续式气体渗碳炉，它还适用于井式渗碳炉、箱式气体渗碳多用炉。

本发明与现有技术相比，具有如下特点：

1、在连续炉中加入了稀土共渗剂，它是一种具有催渗与渗入双重功能的高效稀土共渗催渗剂，它的加入可以改变连续炉的其他功能。

2、I～IV区皆可以在840～890℃同一温度下进行低温稀土渗碳，只要工件温度达到840℃后在稀土的作用下，就可以实现较快渗碳的目的，它专用于1.2mm以下的浅层渗碳或1.5mm以下机动车变速箱传动齿轮或机床变速箱齿轮，以减小常规高温渗碳变形和传动噪音，从而挖掘出在连续渗碳炉中实施低温渗碳的潜在功能，这为解决汽车变速箱齿轮的微变形渗碳、取消磨齿工序创造了关键性条件。

3、改变了I、II区的功能，使渗碳炉的渗碳空间尺寸增大。如表2所示，加入稀土以后，连续式渗碳炉的I区由预热区变为预热加预渗区，II区变为渗碳区，加上原来的III区(渗碳区)，使炉子有效渗碳区明显增长，渗碳效率自然明显提高，达到了降温、节能、增效同步提高的目的。

表2

工作区段	I	II	III	IV	V
工作区段	I	II	III	IV	V	炉温，℃	840～890	840～890	840～890	840～890	840～890
炉气碳势，Cp；％	-	1.15～1.25	1.15～1.25	0.8～1.05	0.8～1.05	炉温，℃	840～890	840～890	840～890	840～890	840～890
炉气碳势，Cp；％	-	1.15～1.25	1.15～1.25	0.8～1.05	0.8～1.05	功能	预热+预渗	渗碳	渗碳	扩散	等待出炉

4、可以更有效的实施可控稀土低温高浓度气体渗碳工艺，保证获得最佳的金相组织，稀土渗碳最佳的金相组织定义为：过共析区沉淀析出细小弥散颗粒状碳化物，基体为超细隐晶马氏体与奥氏体(500倍下不可见)。这种组织具有良好的机械性能、高的耐磨性、良好的冲击韧性与断裂韧性、高的弯曲疲劳与接触疲劳性能。由于连续炉的功能按工艺流程排序，故从工艺控制角度比较容易达到良好的稳定性，从而生产出高工艺水平、高性能的产品。

5、II区和III区的炉气碳势选用Cp＝1.2％实施高浓度渗碳，一般而言，此浓度均超出渗碳钢在860℃时奥氏体饱和浓度，从而在渗碳过程中以稀土原子作为结晶核心，沉淀析出细小弥散颗粒状碳化物，获得稀土渗碳最佳金相组织，使性能指标大幅度提高。

6、采用稀土碳共渗技术，在稀土催化作用下，即使在860℃温度下渗碳介质煤油也能完全裂解，气体成分符合渗碳要求，而且渗速也较快。

7、本发明首次将稀土碳共渗技术用于处理20CrMoH和22CrMoH钢汽车变速箱齿轮，在连续式气体渗碳炉大批量生产上应用，并取得了极其良好的效果。例如：某大型汽车制造厂变速箱分厂引进日本日野公司全套变速箱生产技术，材料选用20CrMoH钢，齿轮模数为4～7，渗碳层深度为0.8～1.5mm，渗碳温度为920℃，推料周期为30～45分钟，渗碳淬火后需要100％磨齿，其中的同步器滑套(带内外齿)渗碳淬火后变形超差严重，需要在另一台转底式炉中重新加热至860℃，在专用模具中进行加压淬火方能合格，浪费了大量能源和工时；而采用本发明的稀土低温催化渗碳方法，控制渗碳温度为840～890℃，推料周期不变，渗碳淬火后100％检查，合格率达到96％以上，从而取消了860℃的二次加热压淬工序，取得了实质性的技术经济效果，从而在理论和实践上证明了降低渗碳温度减少变形的论断上是完全正确的。

具体实施方式：

具体实施方式一：本实施方式是这样对汽车变速箱齿轮进行稀土共渗处理的：a、将预处理的工件送入每个区间都装有稀土共渗剂的连续式渗碳炉中，工件进入I区，在温度为840～890℃的条件下进行预热和预渗处理；b、依次进入II区和III区，在温度为840～890℃、碳势为1.15～1.25％的条件下进行渗碳处理；c、然后进入IV区，在温度为840～890℃、碳势为0.8～1.05％的条件下进行扩散处理；d、最后进入V区，在温度为840～890℃、碳势为0.8～1.05％的条件下等待出炉、淬火。本实施方式中，加入稀土后连续炉的功能设置有较大改变，除III区保留渗碳区外，II区也变为渗碳区，I区除工件预热外，在前排气作用下，当工件温度达到800℃以上就具备渗碳能力，即I区末端料盘内的工件已开始渗碳，所以I区的功能为预热加预渗区。本方法的渗碳时间根据渗碳层深度进行选择，通常情况下渗碳层深度不超过1.5mm。

本实施方式中所用稀土共渗剂可以由下述成分按照重量比组成：氯化镧或氯化铈10～40、碳酸盐50～60、尿素10～20、醋酸钠15～20、黄血盐0～30；还可以由下述成分按照重量比组成：氟化镧和/或氟化铈10～40、硝酸盐10～40、碳酸盐50～60、尿素10～20、醋酸钠15～20、黄血盐0～30。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述稀土共渗剂由下述成分按照重量比组成：氯化镧或氯化铈10～40、碳酸盐50～60、尿素10～20、醋酸钠15～20、黄血盐10～30。所述碳酸盐为碳酸钡和碳酸钠。

具体实施方式三：本实施方式的稀土共渗剂中各成分的重量比见表3。

表3

氯化镧或氯化铈	碳酸盐	尿素	醋酸钠	黄血盐
氯化镧或氯化铈	碳酸盐	尿素	醋酸钠	黄血盐	15	52	12	16	0
25	54	14	17	15	15	52	12	16	0
25	54	14	17	15	30	56	16	18	20
35	58	18	19	25	30	56	16	18	20

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述稀土共渗剂由下述成分按照重量比组成：氟化镧和/或氟化铈10～40、硝酸盐或碳酸盐10～40、碳酸钡和碳酸钠50～60、尿素10～20、醋酸钠15～20、黄血盐10～30。

具体实施方式五：本实施方式的稀土共渗剂中各成分的重量比见表4。

表4

氯化镧或氯化铈	硝酸盐或碳酸盐	碳酸钡和碳酸钠	尿素	醋酸钠	黄血盐
氯化镧或氯化铈	硝酸盐或碳酸盐	碳酸钡和碳酸钠	尿素	醋酸钠	黄血盐	15	15	52	12	16	0
25	20	54	14	17	15	15	15	52	12	16	0
25	20	54	14	17	15	30	30	56	16	18	20
35	35	58	18	19	25	30	30	56	16	18	20

具体实施方式六：本实施方式中连续式气体渗碳炉中各区间的工艺参数见表5。

表5

工作区段	I	II	III	IV	V
工作区段	I	II	III	IV	V	炉温，℃	880	880	880	880	880
炉气碳势(Cp)，％	-	1.15～1.25	1.15～1.25	0.8～1.05	0.8～1.05	炉温，℃	880	880	880	880	880
炉气碳势(Cp)，％	-	1.15～1.25	1.15～1.25	0.8～1.05	0.8～1.05	功能	预热+预渗	渗碳	渗碳	扩散	等待出炉
前排气渗速控制←				→组织控制后排气		功能	预热+预渗	渗碳	渗碳	扩散	等待出炉

将本实施方式的渗碳方法与现有连续式渗碳方法进行对比：

1、渗速比较：

推料周期、变速箱齿轮类别和装料方式相同的条件下，现有工艺在920℃渗碳，本工艺在860℃渗碳，统计表明：920℃与860℃的渗速基本相同，即渗碳层深度基本相同，偏差不超过±0.02mm，但是本工艺与现有工艺相比渗碳温度降低了40℃。

2、金相组织对比：

按汽车拖拉机行业质检标准进行检验，现有工艺处理工件的碳化物1～2级、马氏体与残余奥氏体3～4级，而本工艺获得工件的碳化物1～3级、马氏体与残余奥氏体超细化超过标准，工件的表层碳化物呈可见的细小弥散颗粒状，在500倍下为不可见超细状态，其基体均为超细不可见的隐晶马氏体与残余奥氏体，这种超细化组织可保证渗碳表层有较高的硬度和耐磨性，足够的冲击韧性和断裂抗力，并使弯曲疲劳与接触疲劳性能有较大幅度同步提高。

3、性能比较：

a、表面硬度：现有工艺：HRC58～60，本工艺：HRC63～64；

b、耐磨性：本工艺比现有工艺的耐磨性提高了34～46％；

c、多次冲击抗力：本工艺比现有工艺的多次冲击抗力提高了28％；

d、接触疲劳：在10⁷循环寿命的条件下推算极限接触应力，现有工艺的接触疲劳为2710MPa，本工艺提高至2860MPa。

4、汽车变速箱齿轮变形比较：

对变速箱中易变形的四种典型齿轮进行对比实验，在生产现场按齿轮尺寸检验方法对渗碳前后的尺寸进行检测，检测了公法线、内孔孔径、内孔锥度等渗碳前后相同部位的尺寸变差±Δx值，多点测量取平均值并进行对比，具体对比如下：

a、结构上易变形的齿轮：本工艺与现有工艺相比，变形减少最明显，最高达76％；

b、中等变形齿轮：本工艺与现有工艺相比，变形减少60％；

c、结构上不易变形的齿轮：本工艺与现有工艺相比，变形减少40％。

结论：

由以上对比结果可以说明，在连续炉中实施稀土低温渗碳处理汽车变速箱齿轮是完全可以的，它不仅使齿轮变形大幅度减少、取消磨齿工序、减轻变速箱传动噪音成为可能，而且明显改善了齿轮的组织与性能，获得最佳的金相组织，齿轮的综合使用性能全面提高，使齿轮的传动可靠性与使用寿命得到更好的保证。

Claims

1、连续炉汽车变速箱齿轮微变形稀土碳共渗方法，其特征在于它是这样对汽车变速箱齿轮进行稀土共渗处理的：a、将预处理的工件送入每个区间都装有稀土共渗剂的连续式渗碳炉中，工件进入I区，在温度为840～890℃的条件下进行预热和预渗处理；b、依次进入II区和III区，在温度为840～890℃、碳势为1.15～1.25％的条件下进行渗碳处理；c、然后进入IV区，在温度为840～890℃、碳势为0.8～1.05％的条件下进行扩散处理；d、最后进入V区，在温度为840～890℃、碳势为0.8～1.05％的条件下等待出炉、淬火。

2、根据权利要求1所述的连续炉汽车变速箱齿轮微变形稀土碳共渗方法，其特征在于所述稀土共渗剂由下述成分按照重量比组成：氯化镧或氯化铈10～40、碳酸盐50～60、尿素10～20、醋酸钠15～20、黄血盐0～30。

3、根据权利要求1所述的连续炉汽车变速箱齿轮微变形稀土碳共渗方法，其特征在于所述稀土共渗剂由下述成分按照重量比组成：氯化镧或氯化铈10～40、碳酸盐50～60、尿素10～20、醋酸钠15～20、黄血盐10～30。

4、根据权利要求2所述的连续炉汽车变速箱齿轮微变形稀土碳共渗方法，其特征在于所述稀土共渗剂由下述成分按照重量比组成：氯化镧或氯化铈15、碳酸盐52、尿素12、醋酸钠16。

5、根据权利要求2所述的连续炉汽车变速箱齿轮微变形稀土碳共渗方法，其特征在于所述稀土共渗剂由下述成分按照重量比组成：氯化镧或氯化铈30、碳酸盐56、尿素16、醋酸钠18、黄血盐20。

6、根据权利要求2、3、4或5所述的连续炉汽车变速箱齿轮微变形稀土碳共渗方法，其特征在于所述碳酸盐为碳酸钡和碳酸钠。

7、根据权利要求1所述的连续炉汽车变速箱齿轮微变形稀土碳共渗方法，其特征在于所述稀土共渗剂由下述成分按照重量比组成：氟化镧和/或氟化铈10～40、硝酸盐或碳酸盐10～40、碳酸钡和碳酸钠50～60、尿素10～20、醋酸钠15～20、黄血盐0～30。

8、根据权利要求1所述的连续炉汽车变速箱齿轮微变形稀土碳共渗方法，其特征在于所述稀土共渗剂由下述成分按照重量比组成：氟化镧和/或氟化铈10～40、硝酸盐或碳酸盐10～40、碳酸钡和碳酸钠50～60、尿素10～20、醋酸钠15～20、黄血盐10～30。

9、根据权利要求1所述的连续炉汽车变速箱齿轮微变形稀土碳共渗方法，其特征在于所述稀土共渗剂由下述成分按照重量比组成：氟化镧和/或氟化铈15、硝酸盐或碳酸盐15、碳酸钡和碳酸钠52、尿素12、醋酸钠16。

10、根据权利要求1所述的连续炉汽车变速箱齿轮微变形稀土碳共渗方法，其特征在于所述稀土共渗剂由下述成分按照重量比组成：氟化镧和/或氟化铈30、硝酸盐或碳酸盐30、碳酸钡和碳酸钠56、尿素18、醋酸钠19、黄血盐25。