一種圓柱齒輪滲碳淬火方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種圓柱齒輪滲碳淬火方法，屬于熱處理【技術領域】。該方法包括加熱至低碳鋼彈塑性轉(zhuǎn)變溫度以上的初預熱、升溫至低碳鋼相變溫度Ac1以下的再預熱，以及滲碳、高溫回火、淬火處理、低溫回火各步驟。本發(fā)明不僅在多個工藝階段分別采取了抑制或者消除變形的有效舉措，并且這些舉措相互支持、有機結(jié)合，因此可以顯著減小圓柱齒輪的滲碳淬火熱處理變形，從而可以適當減小預留的齒輪磨削余量，進而減少磨齒時間，為降低齒輪制造成本創(chuàng)造了條件。
【專利說明】一種圓柱齒輪滲碳淬火方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種滲碳淬火方法，尤其是一種能夠改善熱處理變形的圓柱齒輪滲碳 淬火方法，屬于熱處理【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 齒輪滲碳淬火由于熱應力以及相變應力的存在，發(fā)生變形幾乎不可避免。圓柱齒 輪的熱處理變形主要表現(xiàn)為脹縮度、錐度、橢圓度和端面扭曲四個方面。影響熱處理變形的 因素眾多，包括零件自身的結(jié)構(gòu)形狀、原材料以及冶金質(zhì)量、鍛造和機加工的殘余應力、裝 料方式和熱處理工藝及設備等。以往，應對齒輪較大的熱處理變形不得不增加設計中的磨 齒余量、加大齒根凸臺等措施。結(jié)果，過深的磨量不僅使齒輪喪失了留有有益表面殘余壓應 力、具有最佳金相組織和硬度的耐磨、抗點蝕表層，還大大削弱了過渡區(qū)的強度，增加了滲 碳層剝落的傾向。
[0003] 由于齒輪的熱處理變形來源于滲碳和淬火工藝中的加熱以及冷卻過程，因此目前 改善齒輪熱處理變形的常用方法為采取壓淬工藝或者熱油分級淬火工藝，這些工藝均是從 齒輪淬火冷卻過程中去矯正或減小熱處理變形。壓淬工藝能夠矯正齒輪形成于滲碳和淬火 過程中的任何變形，但需要配置淬火壓床，并且需要針對齒輪設計專用的壓淬工裝，生產(chǎn)效 率低、成本高，僅適合批量生產(chǎn)的齒輪；熱油分級淬火工藝能夠降低形成于淬火冷卻過程的 相變應力，達到降低齒輪淬火變形的目的，但無法改善齒輪滲碳和淬火過程中因熱應力存 在所造成的變形，并且該工藝對淬火過程控制要求嚴格，在過程控制不當時會使變形傾向 反而加大，甚至降低熱處理工藝性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于：針對現(xiàn)有技術存在的問題，提出一種在普通設備條件下、就能 有效抑制熱處理變形的圓柱齒輪滲碳淬火方法，從而無論生產(chǎn)批量大小，都能切實應用。
[0005] 申請人:經(jīng)過長期實踐，不斷總結(jié)分析，發(fā)現(xiàn)在正常操控情況下，產(chǎn)生圓柱齒輪脹縮 度、錐度、橢圓度和端面扭曲變形的主要原因集中在齒輪熱處理加熱和冷卻時的熱應力、淬 火時的相變應力和高溫蠕變。
[0006] 因此，為了達到以上目的，提出了本發(fā)明的圓柱齒輪滲碳淬火方法，包括以下步 驟：
[0007] 第一步、初預熱一一將低碳鋼圓柱齒輪加工基準端面朝上放入滲碳爐后，以 第一溫度預熱并保溫，所述第一溫度為在所述低碳鋼的彈塑性轉(zhuǎn)變溫度基礎上增加 IO0C -500C ；
[0008] 第二步、再預熱一一升溫至第二溫度預熱并保溫，所述第二溫度為所述低碳鋼相 變溫度Acl以下20°C -30°c ;
[0009] 第三步、滲碳一一操控滲碳爐，將經(jīng)過初預熱和再預熱的低碳鋼圓柱齒輪進行預 定深度的滲碳；
[0010] 第四步、高溫回火一一將滲碳完成后的圓柱齒輪加熱到500°C-650°C，保溫后出爐 冷卻；
[0011] 第五步、淬火處理一一將高溫回火后的圓柱齒輪翻轉(zhuǎn)成基準端面朝下，重復第一 步的初預熱和第二步的再預熱，然后加熱到淬火溫度Ac3以上，保溫后迅速冷卻；
[0012] 第六步、低溫回火一一將淬火后的圓柱齒輪加熱到150°C -250°C，保溫后出爐冷 卻。
[0013] 以上初預熱處理是因為鋼材通常在加熱至彈塑性轉(zhuǎn)變溫度后，其原先的熱脹冷縮 變形會由可恢復的彈性形變轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢苫謴偷乃苄孕巫?，成為熱處理變形而殘留。因為?件快速加熱時最初加熱部分也即外側(cè)首先達到塑性形變溫度，受內(nèi)部未充分加熱部分牽制 產(chǎn)生的壓應力作用而容易出現(xiàn)不可恢復的非均勻塑性變形，當內(nèi)外側(cè)均到達塑性轉(zhuǎn)變區(qū)之 后，這種非均勻塑性變形會使鋼件外側(cè)產(chǎn)生凹陷。對于圓柱齒輪而言，因為外側(cè)受內(nèi)側(cè)未加 熱部分牽制，受到壓縮應力的影響而變形，變形的最終結(jié)果是使齒輪外側(cè)發(fā)生凹陷，初預熱 并保溫可使鋼材基本同步達到彈塑性轉(zhuǎn)變溫度，從而盡可能減小或者避免非均勻塑性變形 導致的齒輪變形。
[0014] 鋼材加熱至相變點Acl時會因由母相（鐵素體或珠光體相）轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體子相而 產(chǎn)生相變收縮。對于圓柱齒輪而言，如果此時處于快速升溫狀態(tài)，表面達到相變溫度后開始 出現(xiàn)收縮趨勢和內(nèi)部仍處于熱膨脹變形狀態(tài)勢必導致齒輪內(nèi)部應力失衡，使齒輪發(fā)生不均 勻脹縮，不對稱畸變，造成齒輪橢圓變形或端面翹曲。而本發(fā)明在初預熱后以接近相變的溫 度再次保溫預熱，給予鋼材充分的相變準備一一即內(nèi)外基本同時通過相變溫度，從而使圓 柱齒輪各處發(fā)生相同性質(zhì)的形變趨勢，避免應力失衡導致的熱處理變形。
[0015] 在滲碳和淬火加熱過程中，圓柱齒輪受熱的主要方式為輻射，齒輪上下端面受到 的輻射強度不一，因此容易產(chǎn)生上小下大的畸變。并且長時間處于高溫環(huán)境的圓柱齒輪會 因其自重產(chǎn)生蠕變，出現(xiàn)周邊相對于中心部位的下垂趨勢，從而加劇上小下大的畸變。而齒 輪在淬火時會因零件上下齒端進入介質(zhì)的時間差造成熱應力不均，齒輪的下端面產(chǎn)生向上 凸的變形趨勢，使齒輪發(fā)生變形，先入冷卻介質(zhì)端會漲大或者縮小相對較少，同樣會產(chǎn)生上 小下大的錐形變形。本發(fā)明在淬火步驟將齒輪上下翻轉(zhuǎn)，可以補償矯正滲碳過程中產(chǎn)生的 錐形畸變。
[0016] 本發(fā)明的高溫回火可以使圓柱齒輪有效硬化層區(qū)域合金碳化物彌散析出，并且在 淬火前消除齒輪滲碳過程形成的熱應力；而低溫回火則可以消除淬火過程表面驟冷產(chǎn)生的 內(nèi)應力。
[0017] 由此可見，本發(fā)明不僅在多個工藝階段分別采取了抑制或者消除變形的有效舉 措，并且這些舉措相互支持、有機結(jié)合，因此可以顯著減小圓柱齒輪的滲碳淬火熱處理變 形，從而可以適當減小預留的齒輪磨削余量，進而減少磨齒時間，為降低齒輪制造成本創(chuàng)造 了條件。
[0018] 總之，與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下特點：
[0019] 1)工藝簡單一一針對圓柱齒輪在滲碳淬火過程中的變形特點，采用常規(guī)的控制加 熱方式與滲碳淬火裝爐方式即可達到減小圓柱齒輪變形的目的；
[0020] 2)適應性強一一不受熱處理設備以及淬火介質(zhì)的限制，對于變形趨勢較大的圓柱 齒輪，在常規(guī)生產(chǎn)條件下，均可采用本發(fā)明所提出的技術方案；
[0021] 3)生產(chǎn)效率高--在齒輪熱處理變形過程中控制齒輪變形，無需額外工序，并且 一次裝爐可完成多個齒輪的熱處理。
[0022] 總之，本發(fā)明針對圓柱齒輪各種熱處理變形形式的根本原因，提出了在圓柱齒輪 熱處理變形過程中降低以及矯正變形的有效方法，解決了在普通熱處理設備條件下圓柱齒 輪滲碳淬火變形嚴重的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 以下結(jié)合附圖和附表對本發(fā)明的具體實施例作進一步詳細的說明。
[0024] 圖1為本發(fā)明一個實施例的圓柱齒輪結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖2為快速加熱時角柱鋼件彈塑性轉(zhuǎn)變變形的示意圖。
[0026] 圖3為圖1圓柱齒輪加熱和冷卻過程中的畸變示意圖；
[0027] 圖4為齒輪熱處理現(xiàn)有常規(guī)工藝流程示意圖。
[0028] 圖5為圖1實施例圓柱齒輪熱處理流程示意圖。

【具體實施方式】
[0029] 本實施例的圓柱齒輪為機車用從動齒輪，如圖1所示，材質(zhì)為低碳合金鋼 18CrNiMo7-6,其Acl點為738°C，Ac3點為815°C，原先的熱處理工藝如圖4所示，直接滲 碳-高溫回火-淬火處理-低溫回火，變形明顯，需要留出較大的磨削余量，滲碳層厚度難 以掌控。
[0030] 為此， 申請人:進行了深入的試驗分析。研宄表明，上述鋼材在加熱至500°C以上會 由彈性形變轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄孕巫?，發(fā)生不可恢復的塑性變形，最終成為熱處理變形而殘留。通 常，鋼件快速加熱時最初加熱部分也即鋼件外側(cè)首先進入塑性形變溫度區(qū)，因為外側(cè)受內(nèi) 側(cè)未充分加熱部分牽制，受到壓縮應力的影響而發(fā)生變形，冷卻后會凹下。對于圓柱齒輪而 言，參見圖2,最初齒輪外部首先被加熱，其外側(cè)實質(zhì)性尺寸將伸長，并因受到內(nèi)層的束縛， 產(chǎn)生彈性收縮。由于是快速加熱，因此當該壓應力超過屈服應力時，就發(fā)生塑性壓縮而膨脹 成中間所示的"鐓粗效應"狀態(tài)。當內(nèi)層經(jīng)充分加熱而溫度均勻時，由于變形的調(diào)整，則在 外層產(chǎn)生拉應力，內(nèi)層產(chǎn)生壓應力。為了使彈性應力松弛和塑性變形易于進行，溫度必須足 夠高。結(jié)果，隨著外層的應力松馳，內(nèi)層將在更為復雜的壓應力作用下發(fā)生塑性壓縮，產(chǎn)生 鐓粗效應的傾向就更大了，結(jié)果是使整個圓柱齒輪球狀化。
[0031] 齒輪冷卻時，參見圖3,處于高溫軟質(zhì)的內(nèi)層將在壓縮應力作用下出現(xiàn)鐓粗效應， 處于膨脹狀態(tài)下的齒輪外層產(chǎn)生殘余壓應力，內(nèi)層產(chǎn)生殘余拉應力。此后繼續(xù)冷卻中，內(nèi)應 力反向，若外層的壓應力超過此處的屈服應力時，將會由于進一步鐓粗而使齒輪愈加球狀 化。
[0032] 在滲碳過程中，齒輪受熱的主要方式為熱輻射傳導，對于常用的無馬弗井式爐等 滲碳設備而言，很難保證齒輪受熱均勻。如最上層齒輪下端面受熱輻射大，加熱塊，因熱應 力產(chǎn)生的墩粗效應大，而上端面加熱慢，墩粗效應小，就會使齒輪發(fā)生上小下大的畸變。
[0033] 此外，由于齒輪的自重加上長時間高溫處理必然引起齒輪蠕變，這種變形的特征 為：工件的周邊在加熱過程中相對于中心部位下垂，因而加劇了上小下大的畸變。
[0034] 根據(jù)上述研宄分析結(jié)果， 申請人:提出了如下圓柱齒輪熱處理步驟：初預熱-再預 熱-滲碳-高溫回火-初預熱-再預熱-淬火處理-低溫回火（參見圖5,圖中淬火前的初 預熱-再預熱略示）。
[0035] 具體步驟詳述如下：
[0036] 第一步、初預熱一一將低碳鋼圓柱齒輪加工基準端面朝上放入滲碳爐后，以 第一溫度預熱并保溫第一時間t，第一溫度為在低碳合金鋼的彈塑性轉(zhuǎn)變溫度基礎上 增加10 °C -50 °C，由于18CrNiMo7-6的彈塑性轉(zhuǎn)變溫度為500 °C，則第一溫度控制在 510°C_550°C，本實施例中初預熱溫度為520°C。第一時間t按t= (30H/25±5)min計，式 中H為低碳鋼圓柱齒輪的最大厚度（即圓柱齒輪的有效厚度每增加25毫米，第一時間就增 加約30min)，本實施例H= 139,因此第一時間確定為3小時。第一次裝爐時記錄齒輪加工 基準端面，將基準端面朝上擺放，為后續(xù)淬火裝爐時齒輪反置作好標記。
[0037] 第二步、再預熱一一升溫至第二溫度預熱并保溫第二時間，所述第二溫度為所述 低碳鋼相變溫度Acl以下20°C -30°C，18CrNiMo7-6的Acl為738°C，則第二溫度控制在 708°C _718°C，本實施例中再預熱溫度為710°C，所述第二時間的計算與第一時間相同。
[0038] 第三步、滲碳一一按常規(guī)方式操控滲碳爐，將經(jīng)過初預熱和再預熱的低碳鋼圓柱 齒輪加熱至920°C進行預定深度的滲碳，優(yōu)選方案滲碳包括高碳勢的強滲階段和低碳勢的 擴散階段，在強滲階段的高碳勢可使碳快速滲入齒輪表面，在擴散階段根據(jù)設計要求的表 面硬度，使齒輪表面碳濃度達到目標值，滲碳完成后隨爐冷卻至860°C出爐空冷。
[0039] 第四步、高溫回火--將滲碳完成后的圓柱齒輪加熱到500°C -650°C，本實施例高 溫回火溫度為640°C ± KTC，保溫第一時間t加2小時后出爐冷卻。
[0040] 第五步、淬火處理一一將高溫回火后的圓柱齒輪翻轉(zhuǎn)成基準端面朝下，重復第一 步的初預熱和第二步的再預熱，然后加熱到淬火溫度，即Ac3以上的完全奧氏體溫度區(qū)，最 好高出l〇°C -30°C，18CrNiMo7-6Ac3為815°C，因此加熱至825°C _845°C，本實施例淬火溫 度為830°C，保溫第一時間t后迅速冷卻。
[0041] 第六步、低溫回火一一將淬火后的圓柱齒輪加熱到170°C -240°C，保溫第一時間t 加2小時后出爐冷卻。
[0042] 表1為常規(guī)熱處理工藝處理的齒輪主要參數(shù)變形數(shù)據(jù)，齒輪熱處理后測量齒輪 上、下端面以及0°、180°四個位置數(shù)據(jù)，在常規(guī)工藝中低碳合金鋼齒輪熱處理工藝詳見圖 4,齒輪約900°C入爐，快速升溫至920°C進行滲碳處理，滲碳完成后隨爐冷至860°C出爐空 冷，然后在640°C高溫回火，再以原裝爐方式重新入爐直接升溫至830°C淬火，最后作低溫 回火處理。
[0043] 表1常規(guī)工藝齒輪的熱處理變形
[0044]

【權(quán)利要求】
1. 一種圓柱齒輪滲碳淬火方法，其特征在于包括以下步驟： 第一步、初預熱一一將低碳鋼圓柱齒輪加工基準端面朝上放入滲碳爐后，以第一溫度 預熱并保溫，所述第一溫度為在所述低碳鋼的彈塑性轉(zhuǎn)變溫度基礎上增加10°c -50°c ; 第二步、再預熱一一升溫至第二溫度預熱并保溫，所述第二溫度為所述低碳鋼相變溫 度 Acl 以下 20°C -30°C ; 第三步、滲碳一一操控滲碳爐，將經(jīng)過初預熱和再預熱的低碳鋼圓柱齒輪進行預定深 度的滲碳； 第四步、高溫回火一一將滲碳完成后的圓柱齒輪加熱到500°C _650°C，保溫后出爐冷 卻； 第五步、淬火處理一一將高溫回火后的圓柱齒輪翻轉(zhuǎn)成基準端面朝下，重復第一步的 初預熱和第二步的再預熱，然后加熱到淬火溫度，保溫后迅速冷卻； 第六步、低溫回火一一將淬火后的圓柱齒輪加熱到150°C _250°C，保溫后出爐冷卻。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓柱齒輪滲碳淬火方法，其特征在于：所述第一步中保溫第 一時間t，所述第一時間t按t = (30H/25±5)min計，式中H為低碳鋼圓柱齒輪的最大厚 度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓柱齒輪滲碳淬火方法，其特征在于：所述第二步中保溫第 二時間，所述第二時間的計算與第一時間相同。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的圓柱齒輪滲碳淬火方法，其特征在于：所述第三步中包括高 碳勢的強滲階段和低碳勢的擴散階段。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的圓柱齒輪滲碳淬火方法，其特征在于：所述第四步保溫第一 時間t加2小時后出爐冷卻。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的圓柱齒輪滲碳淬火方法，其特征在于：所述第五步中加熱至 淬火溫度，即Ac3以上完全奧氏體溫度區(qū)后保溫第一時間t后迅速冷卻。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的圓柱齒輪滲碳淬火方法，其特征在于：所述第六步保溫第一 時間t加2小時后出爐冷卻。
【文檔編號】C23C8/22GK104498965SQ201410720449
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】陳強, 劉康, 吳剛, 劉聰敏 申請人:南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司