防止渗碳齿轮热处理变形超差的方法
【专利摘要】本发明涉及一种防止渗碳齿轮热处理变形超差的方法，属于热处理【技术领域】，主要特点是从控制锻造齿轮坯中的显微组织，钢中实际组成元素的含量等因素对钢正火后的显微组织和力学性能差异和不均匀性的影响，采用等温正火处理工艺使具有不同淬透性的钢材均可获得相同的显微组织和均匀性良好的力学性能，本发明提出的新型等温正火，通过调整各个参数可以实现真正意义上的等温，可以得到相同的、稳定的、均匀的显微组织和力学性能。在相同切削条件下，获得相同而且稳定的内应力分布，从而保持小而且稳定的渗碳热处理变形，使变形超差率降低10％。本发明是对同炉号的工件，所有公式和工艺都建立在由钢厂冶炼后向用户所提供钢的合金成分。
【专利说明】防止渗碳齿轮热处理变形超差的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种防止渗碳齿轮热处理变形超差的方法，属于热处理【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 渗碳齿轮是汽车传动机构极为重要的零件。它在工作中除要求耐压、耐磨、耐冲 击、抗塑性变形、抗弯曲疲劳和表面接触疲劳之外，对形状和尺寸精度也有严格的要求。因 为后者直接影响传动精度、运行平稳和噪声的大小。齿轮精度不高、齿面接触不好，既会引 起高的噪音，又会增大齿面早期磨损。
[0003] 齿轮热处理变形（畸变）是降低齿轮制造精度的集中表现。影响齿轮变形的因素 很多，而且其中许多因素彼此交互影响。虽然现代企业生产齿轮已经固定（控制）了许多 影响变形的因素，但变形超差（超标准变形）时有发生，有时高达35%，甚至达到50%，而 又因不允许校正，造成了巨大损失，成为齿轮制造中的难题。欧美、日本等国的汽车制造业 普遍认为，减小渗碳齿轮变形的最主要的有效措施是使用Η钢。所谓Η钢是指钢的端淬曲 线在指定端淬距离必须具有技术要求的硬度，而且硬度值波动很小。这类钢首先为美国SAE 进行了标准化处理，在钢号之后加"Η"表示，因此称为Η钢。以渗碳钢为例，如4620Η、8620Η 等。此后，日本在JIS标准中列入Η钢，如SCM22H、SNC21H等。有些国家虽然没有Η标志， 但也对渗碳钢增加了严格的淬透性要求。如德国20MnCr5钢的J 1(l = 33-39(即端淬曲线距 淬端10mm处的硬度在HRC33-39之间，端淬曲线带的宽度为7HRC)。实践证明，使用Η钢批 量生产齿轮确有减小热处理变形的效果，而且端淬曲线带越窄（硬度值波动越小）变形越 小。在日本，也有一些知名企业采用宽度为3HRC的Η钢制造著名品牌轿车的齿轮。Η钢之所 以可以减小齿轮热处理形变，是由于它具有稳定的淬透性特性，致使正火后容易获得相同 的显微组织和相近的硬度，切削加工残余应力稳定，热处理变形稳定。从而可以通过预留变 形量，减小烧变形。钢厂生产非Η钢，主要是控制钢中的合金元素和杂质含量，为单一因素 控制，比较容易，冶金合格率可达95 %以上。生产Η钢除了成份控制之外，还要控制在指定 端淬淬距所具有的硬度值并减小其波动性，即要受到很多因素的影响，实施过程相当困难。 不同的炉号钢质量难以控制，即使同一炉号钢也常出现质量问题，钢材合格率较低，有时仅 有50%左右。因此生产成本增高，通常为非Η钢的2倍。也就是说，目前所采用的Η钢来减 小齿轮热处理变形的方法，在实际生产中存在成本高，价格昂贵的问题。而且，即使使用了 Η钢，渗碳齿轮的不稳定超差也会经常发生，而且常因季节、钢号的变化而波动，成为老大难 问题。
[0004] 现在采用的等温正火工艺是将所用的工件装在一起，加热到一个温度，然后吹风 冷。工件很难达到相同的温度和冷却速度，因此所得到组织也不相同。即没用达到正真意 义上的等温正火，是"假"的等温正火。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是在保证性能要求的前提下，针对当前国内外企业生产汽车渗碳齿 轮广泛存在的热处理变形超差率过大、不稳定的形状，提供一种防止渗碳齿轮热处理变形 超差的方法，稳定地获得切削性良好的显微组织和力学性能，改变目前只能采用价格高、严 格控制淬透性的Η钢制造渗碳齿轮的现状，有利于在实际生产中可以代替Η钢的使用，用价 格较低的非Η钢制造出较小或无热处理变形的汽车齿轮。
[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种防止渗碳齿轮热处理变形超差的 方法，其特征是，所述方法是结合待热处理的渗碳齿轮的组成元素含量、分布均匀度、晶粒 大小、有效厚度各相关因素对钢正火后的显微组织和力学性能差异和不均匀性的影响，从 奥氏体化加热温度、奥氏体化保温时间、齿轮等温前最长冷却时间、齿轮等温前最低冷却温 度、等温正火处理温度、等温正火保温时间各工艺参数方面进行个性化的等温正火处理工 艺，从而稳定获得技术要求的显微组织和力学性能。
[0007] 本发明从控制锻造齿轮坯中的显微组织，钢中实际组成元素的含量等因素对钢正 火后的显微组织和力学性能差异和不均匀性的影响，采用等温正火处理工艺使具有不同淬 透性的钢材均可获得相同的显微组织和均匀性良好的力学性能，本发明提出的新型等温正 火，通过调整各个参数可以实现真正意义上的等温，可以得到相同的、稳定的、均匀的显微 组织和力学性能。在相同切削条件下，获得相同而且稳定的内应力分布，从而保持小而且稳 定的渗碳热处理变形，使变形超差率降低10%。本发明是对同炉号的工件，所有公式和工艺 都建立在由钢厂冶炼后向用户所提供钢的合金成分。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1为渗碳钢齿轮热处理变形的影响因素；
[0009] 图2为三种SCM22钢的CCT图和厚度为100mm钢件正火空冷的冷却曲线；
[0010] 图3为汽车渗碳齿轮等温正火计算机专家系统程序；
[0011] 图4为三种SCM22钢的过冷奥氏体等温转变曲线和等温处理工艺。
【具体实施方式】
[0012] 结合实施例进一步说明本发明，我们的前期研究得出：渗碳钢齿轮热处理变形的 影响因素有设计、锻造、用钢、机加等8个方面60项之多，如图1所示。在现代生产条件下， 许多因素已采用有效措施控制，使其影响固定。对Η钢可以减小齿轮热处理变形原因的研 究表明，由于这类钢的制件在正火处理后可以获得相同的显微组织和相近的适合切削加工 的力学性能，使切削加工时的切削残余应力较小而稳定一致，从而使齿轮渗碳淬火后的变 形较小且稳定，便于采取措施，予以补偿和纠正。
[0013] 渗碳钢有利于切削加工和产生较小残余应力的显微组织是晶粒较粗大的游离铁 素体（F)加细珠光体（Ρ)，不应有贝氏体（Β)、马氏体（Μ)，而且其硬度在ΗΒ160-180之间。 在实际生产中，即使采用Η钢来减少热处理变形，通常也会因其化学成分在合理范围内的 波动，而引起性能的变化，造成产品不合格率的增加。
[0014] 以日本SCM22(相当于我国20CrMnMo)钢为例，标准规定其化学成份为（wt% ): 0· 17-0. 23C，0. 15-0. 17Si，0. 55-0. 9Μη，0· 85-1. 35Cr，0. 15-0. 35Mo,其它合金元素（Ni、Cu 等）< 0. 35。此钢号三种不同成份（均在标准规定成份之内）的过冷奥氏体连续冷却转变 曲线（CCT图）如图2所示。钢件有效厚度（包括钢件紧密堆放有效厚度）为100mm，空冷 (相当正火冷却）曲线亦示于图中。三种钢的主要化学成份和正火后硬度如下：
[0015] 1(点线）：0· 17C，0. 56Mn，0. 85Cr，0. 16Mo(wt% ) ;HB140-150。
[0016] 2(实线）：0· 20C，0. 72Mn，1. 01Cr，0. 27Mo(wt% ) ;HB170-180。
[0017] 3(点划线）：0· 23C，0. 90Mn，1. 25Cr，0. 35Mo(wt% ) ;HB180-210。
[0018] 可以看出，淬透性适中的2号钢制件，正火后获得的是F+P，硬度也符合技术要求。 1号钢制件虽然是F+P，但硬度过低，不合格。3号钢制件为F+P+B，硬度过高，也不合格。不 合格的钢件其切削加工后残余应力大，热处理变形也大，而且会破坏正常的变形规律。由此 说明钢材（包括Η钢）淬透性的稳定性对实际生产非常重要。
[0019] 本发明根据实际制件用钢中组成元素含量、分布均匀度、晶粒大小等因素对正火 后钢的显微组织和力学性能差异和不均匀性的影响，并通过严格控制锻坯的显微组织，使 它们都具有相同的平衡组织（防止正火加热的组织遗传而造成混晶）采用等温处理（过冷 奥氏体在恒温条件下分解），即使钢的淬透性不同，各个制件均可获得相同的显微组织和力 学性能。获得显微组织为F+P (铁素体加珠光体），硬度为ΗΒ160-180,而且可以通过调整等 温温度来调整钢件的硬度。其具体实施步骤如下：
[0020] 第一步：规定齿轮锻坯锻后冷却速递< l〇〇°C /h。抽检其显微组织为先共析铁素 体（F)加细珠光体（P)，贝氏体⑶和马氏体（M)含量彡5%。
[0021] 第二步：检测或认知制件实际用钢的化学成份（wt% )，包括C、Mn、Si、Cr、Ni、Mo、 V、Ti、Al。
[0022] 第三步：检测钢材的带状组织级别（按国家标准评级）。
[0023] 第四步：确定齿轮的有效厚度（按工程传统方法确定），从而获得相同等温正火加 热后奥氏体的晶粒大小和均匀度。
[0024] 第五步：收集齿轮坯正火所要求的主要性能指标（通常以所要求达到的硬度值为 主要指标）
[0025] 第六步：利用专家系统计算确定等温正火工艺的六个关键参数：
[0026] 1)奥氏体化温度（ΤΛ)，奥氏体化温度由公式⑴决定，
[0027]
【权利要求】
1. 一种防止渗碳齿轮热处理变形超差的方法，其特征是，所述方法是结合待热处理的 渗碳齿轮的组成元素含量、分布均匀度、晶粒大小、有效厚度各相关因素对钢正火后的显微 组织和力学性能差异和不均匀性的影响，从奥氏体化加热温度、奥氏体化保温时间、齿轮等 温前最长冷却时间、齿轮等温前最低冷却温度、等温正火处理温度、等温正火保温时间各工 艺参数方面进行个性化的等温正火处理工艺，从而稳定获得技术要求的显微组织和力学性 能。
2. 根据权利要求1所述的防止渗碳齿轮热处理变形超差的方法，其特征是，所述等温 正火处理工艺包括如下步骤： 第一步：规定齿轮锻坯锻后冷却速递< l〇〇°C A，抽检其显微组织为先共析铁素体（F) 加细珠光体（P)，贝氏体（B)和马氏体（M)含量< 5 % ; 第二步：检测或认知制件实际用钢的化学成份（wt% )，包括C、Mn、Si、Cr、Ni、Mo、V、 Ti、Al。 第三步：按国家标准检测钢材的带状组织级别； 第四步：确定齿轮的有效厚度，从而获得相同等温正火加热后奥氏体的晶粒大小和均 匀度； 第五步：收集齿轮坯正火所要求的主要性能指标，通常以所要求达到的硬度值为主要 指标； 第六步：利用专家系统计算确定等温正火工艺的六个关键参数： 1) 奥氏体化温度（TA)，奥氏体化温度由公式⑴决定，
(1) 其中，a。= 900 ?930, b。= 8 ?12，c。= 10 ?14，d。= 12 ?16，e。= 5 ?8，f0 = 10-16, gQ = 3?6, hQ = 15?20, iQ = 30?50, C为含碳量,合金元素符号表示该元素的 组分含量，以下相同； 2) 奥氏体化保温时间（tA) tA(min) = aXH (2)式中，a为常数，对于合金渗碳钢为10-15 ;H为有效 厚度（_)，有效厚度是指可以使每个制件心部都能达到要求温度的最小尺寸，单排放置杆 状通常指直径，板状通常指厚度，一般按工厂钢件热处理加热、冷却确定的有效厚度方法确 定； 3) 齿轮等温前最长冷却时间（ts)，此参数可由公式（3)决定；
(3) 式中，ai = 2.5 ?4.0,1^ = 1.8 ?2.6,(^ = 1.0 ?= 0.8 ?Udi = 0.5 ? 1. 2, = 0· 15 ?0· 35, gl = 0· 10 ?0· 30, h = 0.6 ?1. 2, B* 为硼含量，取值范围为 0. 001-0. 005%。 4) 齿轮等温前最低冷却温度（Tmin)，此参数可由公式（4)决定，
(4) 式中，a2 = 600 ?680, b2 = 30 ?45, c2 = 35 ?50, d2 = 35 ?50, e2 = 20 ?35，f2 =15 ?30, g2 = 10 ?25, h2 = 8 ?20 ; 5) 等温正火处理温度（Tis。），此参数可由公式（5)决定，
(5) 式中，a3 = 700 ?750, b3 = 10 ?18, c3 = 14 ?22, d3 = 12 ?20, e3 = 15 ?25，f3 =25 ?40, g3 = 30 ?55, h3 = 10 ?25, i3 = 36 ?67, j3 = 80 ?130, k3 = 40 ?60, 13 =40 ?60, m3 = 35 ?55, n3 = 18 ?35, 〇3 = 25 ?35, p3 = 30 ?40, q3 = 30 ?40, r3 =8?20, s3 = 9?19, t3 = 1?2. 5, HB为技术要求硬度值； 6) 等温正火保温时间（〇，^(π?η)彡（tm/60)+1.5H(H为有效厚度） ts可由公式（6)决定，
(6) 式中，a4 = 1. 8 ?3. 8, b4 = 2 ?4，c4 = 0· 5 ?0· 8，d4 = 0· 2 ?09. 4，e4 = 0· 25 ? 0. 45, f4 = 0. 15 ?0. 35, g4 = 0. 16 ?0. 26, h4 = 0. 12 ?0. 18, i4 = 1. 5 ?2. 5。 第七步：根据上述公式计算出的参数值，根据实际热处理设备，完成等温正火工艺处 理； 第八步：验证及调整，如若钢件的硬度值偏低，则可通过调整等温温度使之降低来提高 钢件的硬度值。
【文档编号】C21D11/00GK104060081SQ201410324174
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月5日 优先权日:2014年7月5日
【发明者】刘澄, 赵振波, 赵斌 申请人:扬州大学