一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法

专利名称：一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法
技术领域：
本发明涉及金属热处理领域，具体涉及一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法。
背景技术：
在传统能源日益枯竭的情况下，风能作为一种可再生、无污染、能量大、前景广的 清洁能源越来越受到世界各国的重视，而利用风能进行发电是风能利用的一种重要途径。 目前，大力发展风力发电技术已经成为世界各国的战略选择。风力发电的基本原理是将风的动能转变为机械能，再把机械能转化为电能。风力 发电所使用的装置称为风力发电机组。通常，风力发电机组安装在高山、荒野、海滩、海岛等 风口处，长时间经受无规律的变向变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，而且还需要经受 酷暑严寒和极端温差的影响。此外，由于风力发电机组所处的自然环境交通不便，维修困 难，故对风力发电机组的零部件的可靠性和使用寿命都提出了比一般机械零件高的多的要 求。在风力发电机组中，风电齿轮是重要的核心部件，其使用寿命直接决定着整个风力发电 机组的寿命。在制备风电齿轮的过程中，需要对其进行热处理以提高其力学性能。目前，典型的用于制备风电齿轮的材料是美国牌号为4320H钢，相当于国内的 G20CrNi2Mo，其主要成分以重量百分计包括0. 17% 0. 23%的C、0. 15% 0. 35%的Si、 0. 40% 0. 70%&Μη、0. 35% 0. 65% 的 Cr、0. 20% 0. 30%的] 0、1. 55% 2. 00% 的 NK 0.025%的P、< 0.015%的S，余量Fe。该材料经过渗碳处理后，表面具有很高的硬 度、耐磨性和接触疲劳强度，而且心部还能保持良好的韧性，能承受高的冲击负荷。现有技术中，对风电齿轮进行渗碳处理时，通常采用传统的井式炉深层渗碳方法， 即将风电齿轮埋放在井式炉中，然后加热至渗碳温度后，在碳势气氛下完成渗碳处理。相对 于密封箱式炉，采用井式炉渗碳的缺点包括，渗碳气氛的均勻性和温场的均勻性上要差一 些，而这其中最重要的缺点是，因为井式炉的加热室和淬火油槽是分开的，不是一个整体， 因而在转移淬火过程中会使高温的风电齿轮暴露于空气中，这样极易在风电齿轮的表面产 生氧化层，使得内氧化程度大大加深，从而直接影响了风电齿轮的性能。

发明内容
本发明解决的问题在于提供一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法，该渗碳方 法可以有效控制风电齿轮表面的微裂纹、内氧化。为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法， 包括将待处理的风电齿轮在碳势为0.8% 1. 的气氛下进行第一次渗碳处理，第 一次渗碳处理时间为30小时 40小时；将所述第一次渗碳处理后的风电齿轮进行第一次淬火处理；将所述第一次淬火处理后的风电齿轮升温至600°C 660°C进行第一次回火处理；将所述第一次回火处理后的风电齿轮升温在碳势为0.8% 1.0%的气氛下进行 第二次渗碳处理，第二次渗碳处理时间为1小时 4小时；将所述第二次渗碳处理后的风电齿轮进行第二次淬火处理；将所述第二次淬火处理后的风电齿轮在150°C 200°C进行第二次回火处理。优选的，在将所述风电齿轮进行第一次渗碳处理之前还包括步骤将所述待处理的风电齿轮在含氧气氛下升温至420°C 470°C进行预氧化处理。优选的，所述预氧化处理时的保温时间为2 3小时。优选的，所述第一次淬火处理具体为将所述第一次渗碳处理后的风电齿轮冷却至800°C 900°C进行第一次淬火处理。优选的，将所述第一次渗碳处理后的风电齿轮在碳势为0. 75% 0. 9%的气氛下 冷却至800°C 900°C进行第一次淬火处理。优选的，所述第一次回火处理时的保温时间为4 6小时。优选的，所述第二次淬火处理具体为将所述第二次渗碳处理后的风电齿轮在碳势为0. 85% 0. 95%的气氛下冷却至 800°C 900°C进行第二次淬火处理。优选的，所述第二次回火处理时的保温时间为3 4小时。优选的，所述第一次渗碳处理包括a)将风电齿轮在碳势为1. 0% 1. 2%的气氛下、温度为900°C 970°C的条件下 渗碳20小时 24小时；b)将步骤a)处理后的风电齿轮在碳势为0.9% 1. 的气氛下、温度为 900°C 970°C的条件下渗碳5小时 6小时；c)将步骤c)处理后的风电齿轮在碳势为0.7% 0.9%的气氛下、温度为 900°C 970°C的条件下渗碳7小时 9小时。优选的，所述渗碳方法中的渗碳过程是在可控气氛箱式渗碳炉中进行的。本发明提供了一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法。与现有技术相比，本发 明先对风电齿轮在0. 8% 1. 的气氛下渗碳30 40小时，然后经第一次高温回火后， 马氏体中过饱和的碳会均勻溶解并扩散，有利于下一步的处理；第一次高温回火处理后，本 发明再对风电齿轮在碳势为0. 8% 1. 0%的气氛下渗碳1小时 4小时，第二次渗碳处理 时，可进一步增加风电齿轮表面的碳浓度，从而提高其表面强度在一种优选的实施方式中，本发明对风电齿轮进行渗碳之前对其进行预氧化处 理，预氧化处理后，不但可以去除材料表面机加工过程中留下的油污，使材料表面更加清 洁，从而有利于渗碳的进行；而且，经过预氧化处理后，可以在材料表面形成一层预氧化膜， 提高了风电齿轮工件表面碳原子的亲和力，这样在渗碳时，碳原子不容易积聚形成碳黑，有 利于得到均勻的渗碳层，而且加快了渗碳速度。
具体实施例方式为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的 限制。本发明提供的一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法的实施方式，包括将待处理的风电齿轮在碳势为0.8% 1. 的气氛下进行第一次渗碳处理，第 一次渗碳处理时间为30小时 40小时；将所述第一次渗碳处理后的风电齿轮进行第一次淬火处理；将所述第一次淬火处理后的风电齿轮升温至600°C 660°C进行第一次回火处 理；将所述第一次回火处理后的风电齿轮升温在碳势为0. 8% 1. 0%的气氛下进行 第二次渗碳处理，第二次渗碳处理时间为1小时 4小时；将所述第二次渗碳处理后的风电齿轮进行第二次淬火处理；将所述第二次淬火处理后的风电齿轮在150°C 200°C进行第二次回火处理。本发明所述的风电齿轮是指本领域技术人员熟知的用于风力发电的风电齿轮箱 中的风电齿轮，风电齿轮材质优选为美国牌号为4320H型钢或国内的G20CrM2Mo，典型成 分以重量百分比计包括0. 17% 0. 23%的C、0. 15% 0. 35%的Si、0. 40% 0. 70%的 Μη、0. 35% 0. 65% 的 Cr、0. 20% 0. 30% 的 Mo、l. 55% 2. 00% 的 Ni、彡 0. 025% 的 P、 <0.015%的S，余量Fe。本发明中的风电齿轮的材质并不限于此，也可以为其它材质的风 电齿轮。所述待处理的风电齿轮是机加工后的风电齿轮经过常规热处理后的风电齿轮，机 加工后的风电齿轮的常规热处理方法可以根据材质的不同的常规热处理手册上查询，属于 本领域技术人员的公知常识。按照本发明，对风电齿轮进行渗碳处理前，优选对其进行预氧化处理，预氧化处理 后，不但可以去除材料表面机加工过程中留下的油污，使材料表面更加清洁，从而有利于渗 碳的进行；而且，经过预氧化处理后，可以在材料表面形成一层预氧化膜，提高了风电齿轮 工件表面碳原子的亲和力，这样在渗碳时，碳原子不容易积聚形成碳黑，有利于得到均勻的 渗碳层，而且加快了渗碳速度。预氧化优选采用如下工艺，即将风电齿轮在含氧气氛下升温至420°C 470°C进 行预氧化处理，预氧化处理时的保温时间优选为1 3小时，更优选为2 3小时，所述含 氧气氛优选在空气气氛下进行。经过预氧化处理后，提高了工件的整体温度，这样也节约了 后续的在渗碳炉中的加热时间，提高了加工效率，有利于节能生产。经过预氧化处理后，将风电齿轮在碳势为0.8% 1. 的气氛下进行第一次渗 碳处理，第一次渗碳处理优选采用如下工序a)将风电齿轮在碳势为1. 0% 1. 2%的气氛下、温度为900°C 970°C的条件下 渗碳20小时 24小时；b)将步骤a)处理后的风电齿轮在碳势为0. 9% 1. 的气氛下、温度为 900°C 970°C的条件下渗碳5小时 6小时；c)将步骤c)处理后的风电齿轮在0. 7% 0.9%的气氛下、温度为900°C 970°C 的条件下渗碳 小时 9小时。第一次渗碳处理时的步骤a)中，碳势最优选为1. 1%，步骤b)中的碳势最优选为 1%，步骤c)中的碳势最优选为0.8%。在第一次渗碳处理工序中，步骤a)为强渗工序，该步骤中的碳势最高，此时可以使碳原子充分的扩散到工件表面，增加渗碳层的深度；步骤 b)和步骤C)的碳势逐渐降低，这样可以增加最表面的碳化物的浓度，从而提高其表面硬 度，提高耐磨性。按照本发明，第一次渗碳处理后，将风电齿轮进行第一次淬火处理，淬火处理工艺 优选为，将第一次渗碳处理后的风电齿轮冷却至800°C 900°C进行淬火处理，优选的，第 一次淬火处理的温度为840°C 860°C，冷却至第一次淬火处理时的温度时优选在碳势为 0. 75% 0. 9%的气氛下进行冷却，更优选在碳势为0. 8%的气氛下进行冷却，淬火介质优 选为油淬。第一次淬火处理后，将风电齿轮清洗后进回火炉优选在620°C 650°C保温4 10 小时，优选在630°C 645°C保温5小时 8小时进行第一次回火处理。第一次回火处理后，优选将风电齿轮在碳势为0.8% 1.0%的气氛下进行第二 次渗碳处理，第二次渗碳处理时候的碳势最优选为0. 9%，时间优选为1小时 4小时，更优 选为2小时 3小时。第二次渗碳处理后，优选将风电齿轮进行第二次淬火处理，第二次淬火处理工艺 可以与第一次淬火处理时的工艺相同。第二次淬火处理后，优选将风电齿轮在150°C 200°C，保温2小时 5小时进行 第二次回火处理，第二次回火处理时的温度优选为160°C 190°C，保温时间优选为3小 时 4小时；第二次回火处理时的温度更优选为170°C 180°C。第二次回火处理后，可以 按照与第二次回火处理同样的条件进行第三次回火处理。在上述渗碳处理工艺中，所述渗碳处理工序优选在可控气氛箱式渗碳炉中进行。 对于碳源气氛，本发明并无特别限制，可以使用本领域技术人员熟知的丙烷、甲醇等等，只 要能够满足本发明中的碳势的要求即可，碳源气氛的使用也属于本领域技术人员公知的常 识。本发明提供了一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法。与现有技术相比，本发 明先对风电齿轮在0. 8% 1. 的气氛下渗碳30 40小时，然后经第一次高温回火后， 渗入的过饱和的碳有利于均勻溶解并扩散在风电齿轮的表面，形成碳化物；第一次高温回 火处理后，本发明再对风电齿轮在碳势为0. 8% 1. 0%的气氛下渗碳1小时 4小时，第 二次渗碳处理时，可进一步增加风电齿轮表面的碳化物浓度，从而提高其表面强度。以下以具体实施例说明本发明的效果，但是本发明的保护范围不受以下实施例的 限制。以下实施例和比较例中的试验件和工件材质为G20CrNi2Mo，成分以重量百分 计包括0. 18 % 的 C、0. 27 % 的 Si、0. 48 % 的 Μη、0. 52 % 的 Cr、0. 26 % 的 Mo、1. 68 % 的 Ni、 彡 0. 025%的 P、彡 0. 015%的 S，余量 Fe。以下实施例和比较例所用的可控气氛箱式渗碳炉为江苏丰东热技术股份公司提 供的BBH型气体渗碳淬火炉，所用的井式渗碳炉为江苏丰东热技术股份有限公司提供的 FPQ井式渗碳炉，所用的回火炉为江苏丰东热技术股份公司提供的BTF回火炉。实施例1试验件为直径160mmX长度IOOmm的圆柱，机加工后，常规热处理第一次淬火 880 0C X 2小时，油冷；第二次淬火800°C，油冷；回火180°C Xl小时，空冷。
将常规热处理后的试验件在可控气氛渗碳炉中升温至430°C、空气气氛下、保温 2. 5小时进行预氧化处理；将预氧化处理后的试验件进行第一次渗碳处理，包括a)在碳势为1. 的气氛下、温度为920°C下渗碳22小时；b)保持温度不变，碳势降为1 %，渗碳5小时；c)保持温度不变，碳势降为0. 8 %，渗碳8小时；第一次渗碳处理后，碳势保持为0. 8%，降温至850°C保温2小时，进入淬火油进行 第一次淬火处理；第一次淬火处理之后，清洗试验件，然后将试验件送入回火炉中升温至630°C，保 温5小时第一次回火处理，空冷；第一次回火处理后，将试验件在置于渗碳炉中，碳势为0. 9%，保温2小时进行第 二次渗碳处理；第二次渗碳处理后，碳势保持为0.9%，降温至850°C保温2小时，进入淬火油进行 第二次淬火处理；第二次淬火处理后，清洗试验件，然后将试验件送入回火炉中升温至150°C，保温 3小时第二次回火处理，空冷；第二次回火处理后，按照与第二次回火处理同样的条件进行第三次回火处理。实施例2-实施例5主要改变了预氧化条件和渗碳条件，其它条件与实施例1相同，渗碳工艺参数如 表1所示表1实施例2-实施例5渗碳工艺参数
实施 实施 实施 实施
_Wl_例3 例4 例5
预氧化温度/°C470450430 440
_预氧化时间/h_Z5_3_2_2_步骤 a)碳势/%_1.051.151.11.15
步骤 a )温度/°C_930_960950 940
步骤 a)时间/h_24_21_22_23
步骤 b )碳势/%_09_1.01.051.0
步骤 b)温Jkrc930960950 940
权利要求
一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法，包括将待处理的风电齿轮在碳势为0.8％～1.1％的气氛下进行第一次渗碳处理，第一次渗碳处理时间为30小时～40小时；将所述第一次渗碳处理后的风电齿轮进行第一次淬火处理；将所述第一次淬火处理后的风电齿轮升温至600℃～660℃进行第一次回火处理；将所述第一次回火处理后的风电齿轮升温在碳势为0.8％～1.0％的气氛下进行第二次渗碳处理，第二次渗碳处理时间为1小时～4小时；将所述第二次渗碳处理后的风电齿轮进行第二次淬火处理；将所述第二次淬火处理后的风电齿轮在150℃～200℃进行第二次回火处理。
2.根据权利要求1所述的渗碳方法，其特征在于，在将所述风电齿轮进行第一次渗碳 处理之前还包括步骤将所述待处理的风电齿轮在含氧气氛下升温至420°C 470°C进行预氧化处理。
3.根据权利要求2所述的渗碳方法，其特征在于，所述预氧化处理时的保温时间为2 3小时。
4.根据权利要求2所述的渗碳方法，其特征在于，所述第一次淬火处理具体为将所述第一次渗碳处理后的风电齿轮冷却至800°C 900°C进行第一次淬火处理。
5.根据权利要求4所述的渗碳方法，其特征在于，将所述第一次渗碳处理后的风电齿 轮在碳势为0. 75% 0. 9%的气氛保护下冷却至800°C 900°C进行第一次淬火处理。
6.根据权利要求5所述的渗碳方法，其特征在于，所述第一次回火处理时的保温时间 为4 6小时。
7.根据权利要求6所述的渗碳方法，其特征在于，所述第二次淬火处理具体为将所述第二次渗碳处理后的风电齿轮在碳势为0. 85% 0. 95%的气氛保护下冷却至 800°C 900°C进行第二次淬火处理。
8.根据权利要求7所述的渗碳方法，其特征在于，所述第二次回火处理时的保温时间 为3 4小时。
9.根据权利要求1至8任一项所述的渗碳方法，其特征在于，所述第一次渗碳处理包括a)将风电齿轮在碳势为1.0% 1. 2%的气氛下、温度为900°C 970°C的条件下渗碳 20小时 24小时；b)将步骤a)处理后的风电齿轮在碳势为0.9% 1.的气氛下、温度为900°C 970°C的条件下渗碳5小时 6小时；c)将步骤c)处理后的风电齿轮在0.7% 0.9%的气氛下、温度为900°C 970°C条件 下渗碳7小时 9小时。
10.根据权利要求9所述的渗碳方法，其特征在于，所述渗碳方法中的渗碳过程是在可 控气氛箱式渗碳炉中进行的。
全文摘要
本发明提供一种用于风力发电的风电齿轮的渗碳方法，包括将待处理的风电齿轮在碳势为0.8％～1.1％的气氛下进行第一次渗碳处理，然后进行第一次淬火处理，再升温至600℃～660℃进行第一次回火处理；然后在碳势为0.8％～1.0％的气氛下进行第二次渗碳处理，第二次渗碳处理后，进行第二次淬火处理；再将所述第二次淬火处理后的风电齿轮在150℃～200℃进行第二次回火处理。与现有技术相比，本发明先对风电齿轮在0.8％～1.1％的气氛下渗碳30～40小时，然后经第一次高温回火后，马氏体中过饱和的碳会均匀溶解并扩散，有利于下一步的处理；第一次高温回火处理后，本发明再对风电齿轮在碳势为0.8％～1.0％的气氛下渗碳1小时～4小时，第二次渗碳处理时，可进一步增加风电齿轮表面的碳浓度，从而提高其表面强度。
文档编号C23C8/22GK101984139SQ20101056760
公开日2011年3月9日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者施剑峰 申请人:江苏丰东热技术股份有限公司