一种船用低碳钢齿轮加工工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种齿轮的加工方法，尤其涉及一种大功率且韧性好的船用齿轮的加工工艺。
【背景技术】
[0002]齿轮的传统的加工工艺流程:下料(铸造、锻造)一正火(调质)一金加工(齿部采用滚齿插齿工艺)一再进行高频淬火而成。此类齿轮尽管制造成本较低，但主要受制于传统加工工艺的局限:表现为不能采用更为优质的材料，表面硬度偏低HRC45-52)，而且热处理作为最终工序，淬火后变形量无法消除，表面粗糙度始终< 0.8，齿芯部抗拉强度一般在彡420Mpa.制造精度和运动精度均< 8-8-8GB10095-88。很显然，此类传动齿轮局限于应用在转速不高载荷相对较低，运动精度不高的领域。在现在的公开文件中也公开过关于齿轮的加工工艺，如中国专利:“20CrMo渗碳钢齿轮的制作工艺(CN102494106A)”包括如下工序:锻坯一正火一机加工一不完全退火一机加工一渗碳淬火一回火一抛九，其中不完全退火工艺为在气氛的保护下，在Acl+ (30— 50) °C的温度条件下保温2小时，并随炉冷却至700~72(TC后空冷。但是这种齿轮并不适用于大功率的船用齿轮。
[0003]申请号为201210370009.2的发明申请公开了一种船用齿轮加工工艺，具体包括以下步骤:第一步，下料进行锻造为一圆柱形胚料；第二步，对胚料进行正火，然后车加工钻中心孔；第三步，利用滚齿机在圆柱形胚料外滚齿；第四步，对工件进行渗碳处理；第五步，渗碳后进行冷却淬火；第六步，进行二次高温油处理消除应力；第七步，对工件进行机加工形成船用齿轮。但是由于使高碳钢具有由含过饱和碳的单相铁素体构成的板条状贝氏体加细小均匀分布的颗粒状碳化物组织是较困难的。关键的问题是如何选择适宜的热处理条件，如奥氏体化温度、奥氏体化后的冷却速度、中温等温温度及等温时间等控制组织形成条件的协调组合。目前，关于高碳钢通过中温等温热处理工艺获得由含过饱和碳的单相铁素体构成的板条状贝氏体加细小均匀分布的颗粒状碳化物组成的组织的研究工作国内外鲜有报道。
[0004]申请号为201410037805.3的发明申请公开了一种高强度齿轮加工工艺，包括以下工艺步骤:(I)选择20CrMnTi合金钢圆坯料作为原料；(2)对圆坯料进行磨外圆，去除表面细裂纹；(3)将圆坯料进行退火处理后进行抛丸；(4)将圆坯料分别在磷化液和皂化液中进行处理；(5)将圆坯料通过挤压材料塑性变形得到毛坯，毛坯一端为渐开线齿形，毛坯另一端为光滑圆柱体；(6)将步骤(5)得到的毛坯再次通过挤压材料塑性变形挤压，得到的毛坯一端为渐开线齿形，另一端为圆环形凸棱；(7)在毛坯中心车出内孔；(8)将工件平进行渗碳淬火处理；(9)将工件进行回火处理；(10)抛丸。本发明得到的齿轮表面硬度硬，芯部韧性好，提高了齿轮(2模数)的单齿强度。
[0005]但是其齿轮材料选择的是择20CrMnTi合金钢圆坯料作为原料，合金钢的成本较高，且需要经过多道冷压工艺，加工成本同时也较高。
[0006]为了满足节能和节约资源的要求，先进的高强低碳钢(包括添加少量合金元素的低碳低合金钢)成为各国材料研究工作者的研究热点。在大幅度提高强度的同时，为了扩大其应用范围，必须考虑塑性因素。因此现在工业中普遍倾向于利用细晶强化同时利用相变产生的双相或多相组织来提高强韧性。通常采用的加工工艺归结起来主要有两大类:热机械控制工艺(TMCP)及大塑性变形工艺。对比来看，前者工业化应用前景良好，但由于塑性变形不够剧烈，晶粒细化一般有局限性；而后者虽然能够细化晶粒至Iym以下，但难以制备大面积材料，且不易结合相变来进行强韧化，其塑性往往较低。因此，以上两种方法制备的高强低碳钢的强韧性匹配还有进一步的提升空间。
[0007]搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所于1991年发明的一种固相焊接工艺，具有能量利用率高、环境友好、焊接缺陷少、焊缝残余应力小等优点，其接头性能较熔化焊有很大提高，自发明后受到了广泛关注。1999年，基于搅拌摩擦焊的原理，一种新型的材料制备加工工艺-搅拌摩擦加工(FSP)应运而生。采用多道次搭接搅拌摩擦加工工艺可制备大面积板材，加工区性能得到明显改善。如果在搅拌摩擦加工过程中施加快速冷却，可以制备超细晶的铝合金、铜合金及镁合金。然而，受搅拌头工具材料的制约，现在对搅拌摩擦加工制备超细晶高强钢铁材料的研究还未见报道。对于常规工艺下钢铁材料的搅拌摩擦焊接/加工，通常采用价格昂贵的立方氮化硼和钨基合金作为工具材料，且焊接/加工过程中还需要加保护气以避免氧化，这大大提高了成本，显然不符合节能及节约资源的需求。因此，需要对现有的搅拌摩擦加工工艺进行改进，以满足先进高强低碳钢铁材料的工业化制备要求。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种运动精度高，载荷高，表面硬度高，韧性好的船用低碳钢齿轮加工工艺；解决了现有技术中存在的加工的齿轮的硬度低，韧性不够，运动精度不高的缺点。
[0009]本发明的技术方案是:
一种船用低碳钢齿轮加工工艺，包括以下步骤:
第一步，下料进行锻造为一圆柱形胚料；第二步，锻坯组分均匀化处理，然后车加工钻中心孔；第三步，利用滚齿机在圆柱形胚料外滚齿；第四步，对工件进行渗碳处理；第五步，渗碳后进行冷却淬火；第六步，进行二次高温油处理消除应力；第七步，对工件进行机加工形成船用齿轮；在第一步下料之前对低碳钢母材进行搅拌摩擦加工，在加工过程中以流动水冷却加工区，使加工区温度处于低碳钢两相区温度，从而使加工区获得高强高韧铁素体/马氏体双相低碳钢。
[0010]所述搅拌摩擦加工工艺参数:工具转速200~1000转/分钟，行进速度50~400毫米
/分钟。
[0011]利用水管中水的循环流动冷却加工区，水管出水口直径4_，流速2~10L/min。
[0012]水管出水口的水温为0-20 V。
[0013]所用搅拌头工具材料为立方氮化硼、钨基合金或金属陶瓷，搅拌头轴肩直径10-20毫米。
[0014]所述搅拌摩擦加工中，采用多道次搭接加工或单道次加工方式。
[0015]单道次加工方式中加工区宽度4_8mm，多道次搭接加工中前后两道次之间重叠加工区的宽度为单道次加工区宽度的1/3。
[0016]所述第七步内的机加工包括对工件进行对齿轮的齿形进行粗磨和精磨，同时对齿形和齿向进行修缘。
[0017]本发明一种船用低碳钢齿轮加工工艺的有益效果是:
本发明提供了一种船用低碳钢齿轮加工工艺，搅拌摩擦加工过程中采用流动水快速冷却，使温度控制在两相区温度(Acl-Ac3之间)，得到两相组织，同时晶粒得到明显细化，大大提高了其力学性能。所制备的高强低碳钢组织特征为超细的铁素体/马氏体双相组织，铁素体平均晶粒尺寸最细可细化至Iym以下，马氏体晶粒尺寸可细化至3~5μπι，且随热输入(由工具尺寸、转速和行进速度决定)及冷却速率(由水管出水口直径，循环水流速及水的温度决定)的不同两相的尺寸和含量可以调控。
[0018]2、本发明一种船用低碳钢齿轮加工工艺，制备过程中采用流动水快速冷却加工区，使加工区温度控制在两相区温度(Acl-Ac3之间)，大大减少了搅拌工具的磨损，并省去了保护气。更为重要的是，在此较低的温度下，搅拌工具材料可选范围大大扩大，与现有高强低碳钢铁材料制备方法相比，本发明工艺可明显提高加工区的力学性能，简单实用，大大降低了成本。因此，这种新的搅拌摩擦加工工艺在高强高韧低碳钢制备领域将有着广阔的工业应用前景。
【具体实施方式】
[0019]下面通过实施例，对发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0020]实施例一:
一种船用齿轮加工工艺，母材使用Q345低碳钢，其化学组成成分按重量百分比为含C0.17%, Si 0.35%, Mn 1.30%, P 0.017%, S 0.018%，余量为 Fe ;屈服强度 350MPa，抗拉强度525MPa。采用轴肩直径14毫米的金属陶瓷搅拌头进行搅拌摩擦加工，采用单道次加工方式，单道次加工区宽度5mm，工具转速为400转/分钟、行进速度为50毫米/分钟，在加工过程中以流动水快速冷却加工区，冷却过程中所用水管出水口直径4mm，流速?4L/min，出水口水温20°C。使加工过程温度处于两相区温度(约750°C)，加工区获得超细的铁素体/马氏体双相组织，铁素体晶粒尺寸为1~2μπι，马氏体的晶粒尺寸为5μπι左右。室温拉伸试验显示，屈服强度高达llOOMPa，抗拉强度1400MPa，与母材相比强度大幅提高；且均匀延伸率达到7 %，满足实际工程需要。
[0021]对上述搅拌摩擦加工后的母材进行锻打，锻打后的工件的厚度为5cm，锻打后后进行锻坯组分均匀化处理，所述的第二步所述锻坯组分均匀化处理:升温至850°C并在该温度下等温匀化退火处理，处理时间为3小时；
然后进行车加工，在工件的中心钻孔，在工件的外圆周表面进行滚齿，在中心孔内进行加工花键。
[0022]第四步、机加工结束后的工件大致的形状已经完成，然后进行渗碳处理，将工件密封于碳粉中，在负压800帕条件下升温至700~850°C，渗碳层厚度保证在1.2~1.8mm，保温2-3小时，开炉后扩散15分钟，加入20°C的常温油，冷却淬火，冷却后在200°C温度中保持2-3小时做消除应力处理。冷却淬火后进行二次高温油处理，将零件放置在280~380°C的高温油中浸入2小时，以消除渗