用于齿轮轴的热处理方法与流程

本发明涉及挖掘机用齿轮轴的热处理方法。

背景技术：

对于大型重载工程机械设备中采用的齿轮轴而言，为了确保重载可靠性以及高精度要求，需要对齿轮轴采取热处理来提高硬度。以挖掘机为例，在其行走机构和回转机构中通常会采用太阳齿轮轴和输出齿轮轴来输出动力。这就要求这些齿轮轴的齿根必须有足够高的硬度。

对于这种齿轮轴的传统热处理方法大体上有两种。一种是整体渗碳淬火加低温回火，另一种是感应淬火加低温回火。但是，采用整体渗碳加回火的热处理方法总是会导致所处理的零件发生变形。而采用感应淬火的热处理方法无法确保齿轮轴的齿根被足够硬化，在重载的工况下，有可能会导致零件出现裂缝或者甚至齿根断裂，影响整个机构的使用寿命。

因此，迫切期望改进针对齿轮轴的热处理方法，减少所处理的齿轮轴变形发生率并增加齿根的硬度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出改进的热处理方法，如果挖掘机的行走机构和回转机构中的太阳齿轮轴和输出齿轮轴采用该热处理方法处理的话，能够降低齿轮轴的变形发生率并且提高齿轮的齿根硬度，避免齿根裂缝或断裂的不利情况发生，提高机构的使用寿命。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于处理齿轮轴、尤其挖掘机中采用的齿轮轴的热处理方法，其包括以下步骤：

在预热炉内将齿轮轴预热至400℃至500℃；

将渗碳炉的装炉温度设定为900℃至910℃之间；

将齿轮轴整体置入到所述渗碳炉内，炉温控制为900℃至930℃之间，保温2至8小时；

将所述渗碳炉的炉温调整为830℃至850℃之间，保温30分钟至50分钟；

将齿轮轴从所述渗碳炉取出，置入到感应式淬火炉内，炉温控制为840℃至860℃之间，控时2小时以内；

将齿轮轴从所述感应式淬火炉取出，置入到回火炉内进行低温回火，炉温控制为150℃至250℃之间，低温回火2至5小时；以及

将齿轮轴从回火炉取出，空冷至环境温度。

优选地，所述齿轮轴由诸如20CrMnTi或20CrMnMo的低碳合金钢制成。

优选地，所述齿轮轴以碳势控制为0.8至1.1C％之间的方式在所述渗碳炉内以炉温为900℃至930℃之间保温2至8小时。

优选地，所述齿轮轴以碳势控制为0.7至0.9C％之间的方式在所述渗碳炉内以炉温为830℃至850℃之间30分钟至50分钟。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于处理齿轮轴、尤其挖掘机中采用的齿轮轴的热处理方法，其包括以下步骤：

在预热炉内将齿轮轴预热至400℃至500℃；

将渗碳炉的装炉温度设定为890℃至900℃之间；

将齿轮轴整体置入到所述渗碳炉内，炉温控制为880℃至910℃之间，保温2至8小时；

将所述渗碳炉的炉温调整为815℃至830℃之间，保温30分钟左右；

将齿轮轴从所述渗碳炉取出，置入到高温回火炉内进行高温回火，炉温控制为550℃至700℃之间，高温回火2小时至5小时；

将齿轮轴从高温回火炉取出，空冷至环境温度；

将预热炉的装炉温度设定为750℃至770℃之间；

将齿轮轴整体装入所述预热炉内保温2小时左右；

将所述齿轮轴从所述预热炉取出，置入感应式淬火炉内，炉温控制为850℃至870℃之间，控时2小时以内；

将齿轮轴从所述感应式淬火炉取出，置入到低温回火炉内进行低温回火，炉温控制在150℃至250℃之间，低温回火2至5小时；以及

将齿轮轴从所述低温回火炉取出，空冷至环境温度。

可选地，所述高温回火炉与所述预热炉为同一个炉。

可选地，所述齿轮轴在高温回火并空冷至环境温度后，能够被机加工处理。

优选地，所述齿轮轴由诸如20CrMnTi或20CrMnMo的低碳合金钢制成。

优选地，所述齿轮轴以碳势控制为0.7至1.2C％之间的方式在所述渗碳炉内以炉温为880℃至910℃之间保温2至8小时。

优选地，所述齿轮轴以碳势控制为0.6至0.8C％之间的方式所述渗碳炉内以炉温为815℃至830℃之间保温30分钟左右。

附图说明

从后述的详细说明并结合下面的附图将能更全面地理解本发明的前述及其它方面。需要指出的是，各附图的比例出于清楚说明的目的有可能不一样，但这并不会影响对本发明的理解。在附图中：

图1a和图1b分别示意性示出了根据本发明的热处理方法所针对使用的挖掘机的行走机构、回转机构以及它们中的太阳齿轮轴和输出齿轮轴；

图2示意性示出了根据本发明的热处理方法的第一实施例的时间-温度曲线图；并且

图3示意性示出了根据本发明的热处理方法的第二实施例的时间-温度曲线图。

具体实施方式

在本申请的各附图中，结构相同或功能相似的特征由相同的附图标记表示。

图1a示意性示出了挖掘机的行走机构的变速箱壳体1，在其中安装有行星齿轮传动机构，所述行星齿轮传动机构中的太阳齿轮轴1a在 一端上具有一体形成的齿轮1b。图1b示意性示出了挖掘机的回转机构的变速箱壳体2，在其中安装有齿轮传动机构，所述齿轮传动机构的输出齿轮轴2a在一端上具有一体形成的齿轮2b。本发明以下介绍的热处理方法可以用于整体处理上述太阳齿轮轴1a和输出齿轮轴2a。

但是，本领域技术人员应当清楚本申请文件中记载的热处理方法并不限于所示出的具体实例，而是可以用于实现任何重载及高精度要求的齿轮轴热处理。需要指出的本发明的热处理方法主要是针对由诸如20CrMnTi或20CrMnMo的低碳合金钢制成的齿轮轴。

图2以时间-温度曲线图的方式示意性示出了根据本发明的热处理方法的第一实施例，在该图中，横坐标轴t代表时间，纵坐标轴T代表温度，尤其指的是待处理的零件所放置于处理炉中的炉温。另外，需要指出的是取决于所处理的零件尺寸大小，各个处理阶段的时间以及炉温可能有所不同，因此在本发明的第一和第二实施例中处理时间和炉温均指的是时间段和温度段。本领域技术人员在清楚时间段和温度段后应当清楚如何根据经验或试验以及具体的处理零件来确定合适的最佳时间和最佳炉温。

在图2所示的第一实施例中，采用的热处理设备包括预热炉、渗碳炉、感应式淬火炉、以及回火炉。这些设备均为目前市场上有售的设备，因此设备的具体参数在此省略。

本领域技术人员应当清楚无论在以上提到的本发明的热处理方法的第一还是第二实施例中，零件在首次装入渗碳炉之前均会先在预热炉内预热至400℃至500℃。

在本发明的热处理方法的第一实施例中，首先，将渗碳炉的炉温调整为装炉温度T₁₀，这里，装炉温度T₁₀可以是900℃至910℃。然后，将待处理的零件例如太阳齿轮轴或输出齿轮轴整体装入到渗碳炉中，将渗碳炉的炉温调整为T₁₁，这里，炉温T₁₁可以是900℃至930℃，零件在该温度下在渗碳炉内保温t₁₁时间段，这里，t₁₁可以是2小时至8小时，使得所处理的零件的碳势达到0.8C％至1.1C％。此后，将渗碳炉的炉温调整为T₁₂，这里，炉温T₁₂可以是830℃至850℃，零件在该渗碳炉内不动，进行扩散保温t₁₂时间段，这里，t₁₂可以是30分钟至 50分钟，使得所处理的零件的碳势达到0.7C％至0.9C％。之后，将所处理的零件从渗碳炉中取出，再置入到感应式淬火炉内进行淬火，此时炉温调整为T₁₃，这里，炉温T₁₃可以是840℃至860℃，感应淬火的时间t₁₃为2小时以内、例如0.5小时至2小时。之后，将所处理的零件从感应式淬火炉中取出，再置入到回火炉内，进行低温回火处理，炉温控制为T₁₄，这里，炉温T₁₄可以是150℃至250℃，低温回火的时间t₁₄为2小时至5小时。在低温回火结束后，将所处理的零件从回火炉中取出，如图2的箭头所示，令零件空冷至室温/环境温度待用。

如果所要处理的零件是应用在更加恶劣的工况下的重载零件或者是精度要求更高的齿轮轴或者说对于零件的金相微组织均匀性要求更高，则可以采用根据本发明的第二实施例的热处理方法来处理零件。

图3以时间-温度曲线图的方式示意性示出了根据本发明的热处理方法的第二实施例，在该图中，横坐标轴t代表时间，纵坐标轴T代表温度，尤其指的是待处理的零件所放置于处理炉中的炉温。

在图3所示的第二实施例中，采用的热处理设备包括渗碳炉、感应式淬火炉、预热炉、高温回火炉和低温回火炉。这些设备均为目前市场上有售的设备，因此设备的具体参数在此省略。应当清楚，在该第二实施例中，也可以省略预热炉，而直接用高温回火炉代替预热炉使用，可以达到同样的技术效果。

在本发明的热处理方法的第二实施例中，首先，将渗碳炉的炉温调整为装炉温度T₂₀，这里，装炉温度T₂₀比第一实施例中的装炉温度T₁₀低_，可以是890℃至900℃。然后，将待处理的零件例如太阳齿轮轴或输出齿轮轴整体装入到渗碳炉中，将渗碳炉的炉温调整为T₂₁，这里，炉温T₂₁可以是880℃至910℃，零件在该温度下在渗碳炉内保温t₂₁时间段，这里，t₂₁可以是2小时至8小时，使得所处理的零件的碳势达到0.7C％至1.2C％。此后，将渗碳炉的炉温调整为T₂₂，这里，炉温T₂₂可以是815℃至830℃，零件在该渗碳炉内不动，进行扩散保温t₂₂时间段，这里，t₂₂可以是30分钟左右，使得所处理的零件的碳势达到0.6C％至0.8C％。在此，与第一实施例不同的是，之后，将所处理的零件从渗碳炉中取出，再置入到高温回火炉内进行高温回火处理， 炉温控制为T₂₃，这里，炉温T₂₃可以是550℃至700℃，高温回火的时间t₂₃为2小时至5小时，从而消除淬火时在零件内产生的内应力并提高零件的韧性。之后，将所处理的零件从高温回火炉内取出，令零件空冷至室温/环境温度，从而确保零件内的金相微组织更加均匀。与第一实施例中零件直接热处理为成品不同，在第二实施例的该阶段中，所处理的零件为了确保更高的精度，在不破坏所要求的渗碳层厚度的前提下，可选地能够进一步机加工零件提高精度。

之后，再将处于室温的零件放入到预热炉或高温回火炉内，炉温控制为T₂₄，这里，炉温T₂₄可以是750℃至770℃，保温时间段t₂₄，这里，t₂₄可以是2小时左右。之后，将所处理的零件取出置入到感应式淬火炉内进行淬火，此时炉温调整为T₂₅，这里，炉温T₂₅可以是850℃至870℃，感应淬火的时间t₂₅为2小时以内、例如1小时至2小时。之后，将所处理的零件从感应式淬火炉中取出，再置入到低温回火炉内，进行低温回火处理，炉温控制为T₂₆，这里，炉温T₂₆可以是150℃至250℃，低温回火的时间t₂₆为2小时至5小时。在低温回火结束后，将所处理的零件从低温回火炉中取出，如图3的箭头所示，令零件空冷至室温/环境温度待用。采用第二实施例的热处理方法处理后的齿轮轴，不仅可以控制金相微组织更加均匀，还能够确保齿根区域的足够硬化，避免恶劣工况下工作时齿根断裂情况的出现。另外，无论采用根据本发明的以上提到的哪种热处理方法，处理后的零件表面均会具有隐针状马氏体，芯部具有低碳马氏体，过渡层结构非常均匀且无网状碳化物。根据测算，处理后的零件的表面硬度可达58至65HRC(洛氏硬度单位)，并且硬化层的深度可达0.6至3.0毫米。

尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。