一种驱动齿轮及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种驱动齿轮及其制备方法，该驱动齿轮的重量百分比化学成分包括：C、Si、Mn、Cr、Ni、Nb、V、Cu、P、S、镧系稀土及余量的Fe，采用铸型的方式先制备出毛坯，然后将毛坯进行热处理、粗车齿圈齿培的切削工艺、粗铣削齿形工序、渗碳渗氮处理、回火、调质热处理、最后进行精车削工序和精铣削齿形工序再检验包装入库；该驱动齿轮高强度、硬度和耐磨性，齿轮的耐蚀性和抗氧化能力好，屈服强度和抗拉强度高且该齿轮的加工方法简单，成本低，成型性好。
【专利说明】一种驱动齿轮及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种齿轮及齿轮的制备方法，具体涉及一种驱动齿轮及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 齿轮作为机械工业中最基础的传动零件之一，被用来调节机械装置内的速度和传 递传递功率，在包括汽车、机床、起重机等设备中发挥着关键性的作用，使用非常广泛。齿轮 运作时，会在齿面形成接触传递动力，齿部将受到巨大的交变弯曲应力和接触应力的作用， 相互齿合的齿面之间也会产生较大的摩擦力。齿轮的损坏形式主要是由于齿部折断和齿面 磨损，材料的选择对齿轮的损坏情况影响很大。
[0003] 随着现代机械设备的技术参数不断改进，对齿轮性能提出更好要求，如风电齿轮、 高速列车传动齿轮、核电及大型石化装备的齿轮，驱动齿轮等，齿轮性能要求的提高使得齿 轮材料的研发显得极为重要，同时与齿轮材料研发技术共同进步的还有齿轮钢冶炼工艺及 其热处理工艺，后者在强化齿轮综合性能上成效显著。但是，与工艺发达国家相比，我国还 存在较大距离，这就要求我们务必加大新齿轮材料的研究开发力度，以尽快缩小我国在齿 轮材料开发与应用方面与发达国家的差距。
[0004] 齿轮的加工工艺分为料坯成型、热处理、车削、滚齿、剃齿或磨齿等工艺过程。随着 机械工业的发展，对齿轮的强度、耐磨性和硬度均提出了较高要求。在加工过程中，齿轮材 料和加工工艺对齿轮的性能有较大影响。目前齿轮材质多为QT500球铁，一件齿轮的平均 使用寿命仅为15天左右，齿轮的硬度和冲击韧性较低，寿命较短，不能满足工业应用的需 要。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种驱动齿轮及其制 备方法，制备出的驱动齿轮高强度、硬度和耐磨性，齿轮的耐蚀性和抗氧化能力好，屈服强 度和抗拉强度高且该齿轮的加工方法简单，成本低，成型性好。
[0006] 为了解决以上技术问题，本发明提供一种驱动齿轮，该驱动齿轮的重量百分比化 学成分为：C :0· 20-0. 23%，Si :0· 30-0. 35%，Μη :0· 50-0. 60%，Cr :1. 4-1. 6%，Ni :3· 2-3. 4%， Nb :0· 02-0. 04%，V :0· 01-0. 03%，Cu :0· 2-0. 4%，P 彡 0· 03%，S 彡 0· 03%，镧系稀土： 0· 01-0. 03%，余量为 Fe ; 镧系稀土的组分按重量百分比化学成分为：La :20-23%，Sc :11-13%，Y :15-17%，Sm : 20-22% ;Gd : 18-21%，其余镧系元素：10-12%，以上镧系稀土各组分之和为100%。
[0007] 本发明进一步限定的技术方案是： 前述驱动齿轮中，该驱动齿轮的重量百分比化学成分为：C :0. 20%，Si :0. 35%，Μη : 0· 50%，Cr :1. 6%，Ni :3. 4%，Nb :0· 04%，V :0· 03%，Cu :0· 4%，Ρ :0· 03%，S:0. 025%，镧系稀土： 0. 03%，余量为Fe ; 镧系稀土的组分按重量百分比化学成分为：La :20%，Sc :12%，Y :16%，Sm :21% ;Gd :20%， 其余镧系元素：11%，以上镧系稀土各组分之和为100%。
[0008] 前述驱动齿轮中，该驱动齿轮的重量百分比化学成分为：C :0. 23%，Si :0. 33%，Μη : 0· 55%，Cr :1. 5%，Ni :3. 2%，Nb :0· 03%，V :0· 01%，Cu :0· 2%，Ρ :0· 025%，S :0· 018%，镧系稀土： 0. 01%，余量为Fe ; 镧系稀土的组分按重量百分比化学成分为：La :23%，Sc :11%，Y :15%，Sm :20% ;Gd :19%， 其余镧系元素：12%，以上镧系稀土各组分之和为100%。
[0009] 前述驱动齿轮中，该驱动齿轮的重量百分比化学成分为：C :0. 22%，Si :0. 30%，Μη : 0· 60%，Cr :1. 4%，Ni :3. 3%，Nb :0· 02%，V :0· 02%，Cu :0· 3%，Ρ:0· 01%，S:0. 029%，镧系稀土： 0. 02%，余量为Fe ; 镧系稀土的组分按重量百分比化学成分为：La :22%，Sc :11%，Y :17%，Sm :21% ;Gd :19%， 其余镧系元素：10%，以上镧系稀土各组分之和为100%。
[0010] 本发明还设计了上述驱动齿轮的制备方法，具体按以下步骤进行： (1) 以型砂和芯砂为造型材料制成驱动齿轮I旲具，在制作铸型?υ，先对造型材料中的型 砂置于烘炉中进行烘干； (2) 将驱动齿轮的化学成分在1650-1670°C下加热熔炼，并注入步骤（1)中成型的模具 中，经空冷后脱模制得驱动齿轮毛坯； (3) 对于步骤（2)中的驱动齿轮毛坯在300-3KTC下加热，然后以35-40°C /h的速度冷 却到195°C时保温1. 5-2h，然后空冷至室温； (4) 将步骤（3)冷却后的驱动齿轮毛坯进行粗车齿圈齿培的切削工艺并将切削后的驱 动齿轮毛坯放置粗切齿槽机床上加工齿槽进行粗铣削齿形工序； (5) 对步骤（4)中的驱动齿轮毛坯进行渗碳处理，该渗碳处理在氧浓度低于大气中的氧 浓度的环境中，对驱动齿轮毛坯进行加热至表面形成渗碳层； (6) 对渗碳后的驱动齿轮毛坯进行渗氮处理，将驱动齿轮毛坯送至密闭容器中并通入 氮气，先将加热至325-330°C保持1. 5h，然后加热至5KTC保温8-10h，最后加热至570°C保 温1. 5-3h，然后炉冷至180°C再空冷至室温；采用这种快速渗氮的工艺，金相组织和力学性 能得到提高，并渗氮保温时间缩短了； (7) 对步骤（6)中冷却至室温的驱动齿轮毛坯进行回火处理再次入炉并炉热至 240-255°C后保温1-1. 5h后出炉空冷； (8) 对步骤（7)中经回火处理后的驱动齿轮毛坯进行调质热处理，将经过调质热处理 后的驱动齿轮毛坯放置在车床上进行精车削工序，并进行精铣削齿形工序得到驱动齿轮成 品； (9) 对得到的驱动齿轮成品进行成品检验，将合格的成品包装入库。
[0011] 本发明进一步限定的技术方案是： 所述步骤（4)中对驱动齿轮毛坯进行粗铣削齿形工序时用双面刀盘切出驱动齿轮毛坯 齿槽的两个侧面。
[0012] 前述驱动齿轮制备方法中，步骤（8)中对驱动齿轮毛坯进行调质热处理，调质热处 理的具体操作为：采用正火和回火相结合，一次正火+两次回火，第一次回火温度大于第二 次回火温度；正火：正式火温度785°C，到温后保温llmin ;第一次回火：采用分段加热，第 一段加热温度为860°C，到温后保温15min，第二段加热温度为900°C，到温后保温9min，然 后空冷至室温后进行第二次正火；第二次回火：采用分段加热，第一段加热温度为792°C加 热，到温后保温19min，第二段加热温度为754°C加热，到温后保温8min。
[0013] 本发明的有益效果是： 该驱动齿轮的成份中没有添加大量贵重的合金，降低了驱动齿轮的成本，选择性的加 入微量合金元素 Cr、Nb以及V ;Cr的加入主要是增加齿轮的淬透性，显著提高强度、硬度和 耐磨性，也增加了制备出的驱动齿轮的耐蚀性和抗氧化能力； Nb与C的亲和力比较大，Nb加入后优先于C结合生成碳化铌（NbC)，有效防止晶间腐 蚀； Nb、V的加入有一下优点a、在熔炼时加热温度的提高及保温时间的延长，奥氏体晶粒 越来越大时形成碳、氮化物弥散的小颗粒对奥氏体晶界起固定作用，阻止奥氏体晶粒长大， 提高驱动齿轮的粗化温度；b、在生产进行中温度逐渐降低时，Nb、V的碳、氮化物在奥氏体 中的溶度积减小，加之形变诱导析出的作用，其碳、氮化物在奥氏体向铁素体转变之前弥散 析出，成为铁素体的形核剂，使铁素体在较小的过冷度下大量形成，不易长大，从而细化了 铁素体晶粒，提高屈服强度和抗拉强度。
[0014] 本发明驱动齿轮中添加了镧系稀土，由于以上稀土元素的金属原子半径比铁的原 子半径大，很容易填补在其晶粒及缺陷中，并生成能阻碍晶粒继续生长的膜，从而使晶粒细 化而提高钢的性能，同时，稀土元素易和氧、硫、铅等元素化合生成熔点高的化合物，可以起 到净化钢丝的效果。
[0015] 合理安排热处理工序，粗铣削齿形后再对齿坯进行调质处理，可以提高驱动齿轮 的整体机械性能控制好热处理变形量，可以提高驱动齿轮的加工效率和加工质量。
【具体实施方式】
[0016] 实施例1 本实施例提供的一种驱动齿轮，该驱动齿轮的重量百分比化学成分为：C :0. 20%，Si : 0. 35%, Μη ：0. 50%, Cr ：1. 6%, Ni ：3. 4%, Nb ：0. 04%, V ：0. 03%, Cu ：0. 4%, P ：0. 03%, S:0. 025%, 镧系稀土 ：〇. 03%，余量为Fe ; 镧系稀土的组分按重量百分比化学成分为：La :20%，Sc :12%，Y :16%，Sm :21% ;Gd :20%， 其余镧系元素：11%。
[0017] 上述驱动齿轮的制备方法，具体按以下步骤进行： (1) 以型砂和芯砂为造型材料制成驱动齿轮I旲具，在制作铸型?υ，先对造型材料中的型 砂置于烘炉中进行烘干； (2) 将驱动齿轮的化学成分在1650°C下加热熔炼，并注入步骤（1)中成型的模具中，经 空冷后脱模制得驱动齿轮毛坯； (3) 对于步骤（2)中的驱动齿轮毛坯在310°C下加热，然后以38°C /h的速度冷却到 195°C时保温1. 8h，然后空冷至室温； (4) 将步骤（3)冷却后的驱动齿轮毛坯进行粗车齿圈齿培的切削工艺并将切削后的驱 动齿轮毛坯放置粗切齿槽机床上加工齿槽进行粗铣削齿形工序，粗铣削齿形工序时用双面 刀盘切出驱动齿轮毛坯齿槽的两个侧面； (5 )对步骤（4 )中的驱动齿轮毛坯进行渗碳处理，该渗碳处理在氧浓度低于大气中的氧 浓度的环境中，对驱动齿轮毛坯进行加热至表面形成渗碳层； (6) 对渗碳后的驱动齿轮毛坯进行渗氮处理，将驱动齿轮毛坯送至密闭容器中并通入 氮气，先将加热至330°C保持1. 5h，然后加热至510°C保温9h，最后加热至570°C保温2h，然 后炉冷至180°C再空冷至室温； (7) 对步骤（6)中冷却至室温的驱动齿轮毛坯进行回火处理再次入炉并炉热至250°C 后保温lh后出炉空冷； (8) 对步骤（7)中经回火处理后的驱动齿轮毛坯进行调质热处理，将经过调质热处理 后的驱动齿轮毛坯放置在车床上进行精车削工序，并进行精铣削齿形工序得到驱动齿轮成 品；所述调质热处理的具体操作为：采用正火和回火相结合，一次正火+两次回火，第一次 回火温度大于第二次回火温度；正火：正式火温度785°C，到温后保温llmin ;第一次回火： 采用分段加热，第一段加热温度为860°C，到温后保温15min，第二段加热温度为900°C，到 温后保温9min，然后空冷至室温后进行第二次正火；第二次回火：采用分段加热，第一段加 热温度为792°C加热，到温后保温19min，第二段加热温度为754°C加热，到温后保温8min。
[0018] (9)对得到的驱动齿轮成品进行成品检验，将合格的成品包装入库。
[0019] 实施例2 本实施例提供的一种驱动齿轮，该驱动齿轮的重量百分比化学成分为：C :0. 23%，Si : 0. 33%, Μη ：0. 55%, Cr ：1. 5%, Ni ：3. 2%, Nb ：0. 03%, V ：0. 01%, Cu ：0. 2%, P ：0. 025%, S ：0. 018%, 镧系稀土 ：〇. 01%，余量为Fe ; 镧系稀土的组分按重量百分比化学成分为：La :23%，Sc :11%，Y :15%，Sm :20% ;Gd :19%， 其余镧系元素：12%。
[0020] 上述驱动齿轮的制备方法，具体按以下步骤进行： (1) 以型砂和芯砂为造型材料制成驱动齿轮I旲具，在制作铸型?υ，先对造型材料中的型 砂置于烘炉中进行烘干； (2) 将驱动齿轮的化学成分在1660°C下加热熔炼，并注入步骤（1)中成型的模具中，经 空冷后脱模制得驱动齿轮毛坯； (3) 对于步骤（2)中的驱动齿轮毛坯在300°C下加热，然后以35°C /h的速度冷却到 195°C时保温1. 5h，然后空冷至室温； (4) 将步骤（3)冷却后的驱动齿轮毛坯进行粗车齿圈齿培的切削工艺并将切削后的驱 动齿轮毛坯放置粗切齿槽机床上加工齿槽进行粗铣削齿形工序，粗铣削齿形工序时用双面 刀盘切出驱动齿轮毛坯齿槽的两个侧面； (5) 对步骤（4)中的驱动齿轮毛坯进行渗碳处理，该渗碳处理在氧浓度低于大气中的氧 浓度的环境中，对驱动齿轮毛坯进行加热至表面形成渗碳层； (6) 对渗碳后的驱动齿轮毛坯进行渗氮处理，将驱动齿轮毛坯送至密闭容器中并通入 氮气，先将加热至325°C保持1. 5h，然后加热至5KTC保温8h，最后加热至570°C保温1. 5h， 然后炉冷至180°C再空冷至室温； (7) 对步骤（6)中冷却至室温的驱动齿轮毛坯进行回火处理再次入炉并炉热至240°C 后保温1. 5h后出炉空冷； (8) 对步骤（7)中经回火处理后的驱动齿轮毛坯进行调质热处理，将经过调质热处理 后的驱动齿轮毛坯放置在车床上进行精车削工序，并进行精铣削齿形工序得到驱动齿轮成 品；所述调质热处理的具体操作为：采用正火和回火相结合，一次正火+两次回火，第一次 回火温度大于第二次回火温度；正火：正式火温度785°C，到温后保温llmin ;第一次回火： 采用分段加热，第一段加热温度为860°C，到温后保温15min，第二段加热温度为900°C，到 温后保温9min，然后空冷至室温后进行第二次正火；第二次回火：采用分段加热，第一段加 热温度为792°C加热，到温后保温19min，第二段加热温度为754°C加热，到温后保温8min。
[0021] (9)对得到的驱动齿轮成品进行成品检验，将合格的成品包装入库。
[0022] 实施例3 本实施例提供的一种驱动齿轮，该驱动齿轮的重量百分比化学成分为：C :0. 22%，Si : 0· 30%，Mn :0· 60%，Cr :1. 4%，Ni :3. 3%，Nb :0· 02%，V :0· 02%，Cu :0· 3%，Ρ:0· 01%，S:0. 029%，綱 系稀土 ：0. 02%，余量为Fe ; 镧系稀土的组分按重量百分比化学成分为：La :22%，Sc :11%，Y :17%，Sm :21% ;Gd :19%， 其余镧系元素：10%。
[0023] 上述驱动齿轮的制备方法，具体按以下步骤进行： (1) 以型砂和芯砂为造型材料制成驱动齿轮I旲具，在制作铸型?υ，先对造型材料中的型 砂置于烘炉中进行烘干； (2) 将驱动齿轮的化学成分在1670°C下加热熔炼，并注入步骤（1)中成型的模具中，经 空冷后脱模制得驱动齿轮毛坯； (3) 对于步骤（2)中的驱动齿轮毛坯在305°C下加热，然后以40°C /h的速度冷却到 195°C时保温2h，然后空冷至室温； (4) 将步骤（3)冷却后的驱动齿轮毛坯进行粗车齿圈齿培的切削工艺并将切削后的驱 动齿轮毛坯放置粗切齿槽机床上加工齿槽进行粗铣削齿形工序，粗铣削齿形工序时用双面 刀盘切出驱动齿轮毛坯齿槽的两个侧面； (5 )对步骤（4 )中的驱动齿轮毛坯进行渗碳处理，该渗碳处理在氧浓度低于大气中的氧 浓度的环境中，对驱动齿轮毛坯进行加热至表面形成渗碳层； (6) 对渗碳后的驱动齿轮毛坯进行渗氮处理，将驱动齿轮毛坯送至密闭容器中并通入 氮气，先将加热至328°C保持1. 5h，然后加热至5KTC保温10h，最后加热至570°C保温3h， 然后炉冷至180°C再空冷至室温； (7) 对步骤（6)中冷却至室温的驱动齿轮毛坯进行回火处理再次入炉并炉热至255°C 后保温1. 2h后出炉空冷； (8) 对步骤（7)中经回火处理后的驱动齿轮毛坯进行调质热处理，将经过调质热处理 后的驱动齿轮毛坯放置在车床上进行精车削工序，并进行精铣削齿形工序得到驱动齿轮成 品；所述调质热处理的具体操作为：采用正火和回火相结合，一次正火+两次回火，第一次 回火温度大于第二次回火温度；正火：正式火温度785°C，到温后保温llmin ;第一次回火： 采用分段加热，第一段加热温度为860°C，到温后保温15min，第二段加热温度为900°C，到 温后保温9min，然后空冷至室温后进行第二次正火；第二次回火：采用分段加热，第一段加 热温度为792°C加热，到温后保温19min，第二段加热温度为754°C加热，到温后保温8min。
[0024] (9)对得到的驱动齿轮成品进行成品检验，将合格的成品包装入库。
[0025] 除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形 成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
【权利要求】
1. 一种驱动齿轮，其特征在于，该驱动齿轮的重量百分比化学成分为：C :0. 20-0. 23%， Si ：0. 30-0. 35%, Μη ：0. 5〇-〇. 60%, Cr ：1. 4-1. 6%, Ni ：3. 2-3. 4%, Nb ：0. 02-0. 04%, V ： 0· 01-0. 03%，Cu :0· 2-0. 4%，Ρ < 0· 03%，S < 0· 03%，镧系稀土 ：0· 01-0. 03%，余量为 Fe ; 所述镧系稀土的组分按重量百分比化学成分为：La :20-23%，Sc : 11-13%，Y : 15-17%， Sm :20-22% ;Gd : 18-21%，其余镧系元素：10-12%，以上镧系稀土各组分之和为100%。
2. 根据权利要求1所述的驱动齿轮，其特征在于，该驱动齿轮的重量百分比化学成分 为：C :0· 20%，Si :0· 35%，Μη :0· 50%，Cr :1· 6%，Ni :3· 4%，Nb :0· 04%，V :0· 03%，Cu :0· 4%，P : 0. 03%，S :0. 025%，镧系稀土 ：0. 03%，余量为 Fe ; 所述镧系稀土的组分按重量百分比化学成分为：La :20%，Sc :12%，Y :16%，Sm :21% ;Gd : 20%，其余镧系元素：11%，以上镧系稀土各组分之和为100%。
3. 根据权利要求1所述的驱动齿轮，其特征在于，该驱动齿轮的重量百分比化学成分 为：C :0· 23%，Si :0· 33%，Μη :0· 55%，Cr :1· 5%，Ni :3· 2%，Nb :0· 03%，V :0· 01%，Cu :0· 2%，P : 0. 025%，S :0. 018%，镧系稀土 ：0. 01%，余量为 Fe ; 所述镧系稀土的组分按重量百分比化学成分为：La :23%，Sc :11%，Y :15%，Sm :20% ;Gd : 19%，其余镧系元素：12%，以上镧系稀土各组分之和为100%。
4. 根据权利要求1所述的驱动齿轮，其特征在于，该驱动齿轮的重量百分比化学成 分为：C :0· 22%，Si :0· 30%，Μη :0· 60%，Cr :1· 4%，Ni :3· 3%，Nb :0· 02%，V :0· 02%，Cu :0· 3%， P :0. 01%，S :0. 029%，镧系稀土 ：0. 02%，余量为 Fe ; 所述镧系稀土的组分按重量百分比化学成分为：La :22%，Sc :11%，Y : 17%，Sm :21% ;Gd : 19%，其余镧系元素：10%，以上镧系稀土各组分之和为100%。
5. 如权利要求1-4中任一权利要求所述驱动齿轮的制备方法，其特征在于，具体按以 下步骤进行： (1) 以型砂和芯砂为造型材料制成驱动齿轮I旲具，在制作铸型?υ，先对造型材料中的型 砂置于烘炉中进行烘干； (2) 将驱动齿轮的化学成分在1650-1670°C下加热熔炼，并注入步骤（1)中成型的模具 中，经空冷后脱模制得驱动齿轮毛坯； (3) 对于步骤（2)中的驱动齿轮毛坯在300-3KTC下加热，然后以35-40°C /h的速度冷 却到195°C时保温1. 5-2h，然后空冷至室温； (4) 将步骤（3)冷却后的驱动齿轮毛坯进行粗车齿圈齿培的切削工艺并将切削后的驱 动齿轮毛坯放置粗切齿槽机床上加工齿槽进行粗铣削齿形工序； (5) 对步骤（4)中的驱动齿轮毛坯进行渗碳处理，该渗碳处理在氧浓度低于大气中的氧 浓度的环境中，对驱动齿轮毛坯进行加热至表面形成渗碳层； (6) 对渗碳后的驱动齿轮毛坯进行渗氮处理，将驱动齿轮毛坯送至密闭容器中并通入 氮气，先将加热至325-330°C保持1. 5h，然后加热至5KTC保温8-10h，最后加热至570°C保 温1. 5-3h，然后炉冷至180°C再空冷至室温； (7) 对步骤（6)中冷却至室温的驱动齿轮毛坯进行回火处理再次入炉并炉热至 240-255°C后保温1-1. 5h后出炉空冷； (8) 对步骤（7)中经回火处理后的驱动齿轮毛坯进行调质热处理，将经过调质热处理 后的驱动齿轮毛坯放置在车床上进行精车削工序，并进行精铣削齿形工序得到驱动齿轮成 品； (9)对得到的驱动齿轮成品进行成品检验，将合格的成品包装入库。
6. 根据权利要求5所述的驱动齿轮制备方法，其特征在于：所述步骤（4)中对驱动齿轮 毛坯进行粗铣削齿形工序时用双面刀盘切出驱动齿轮毛坯齿槽的两个侧面。
7. 根据权利要求5所述的驱动齿轮制备方法，其特征在于：步骤（8)中对驱动齿轮毛坯 进行调质热处理，所述调质热处理的具体操作为：采用正火和回火相结合，一次正火+两次 回火，第一次回火温度大于第二次回火温度；正火：正式火温度785°C，到温后保温llmin ; 第一次回火：采用分段加热，第一段加热温度为860°C，到温后保温15min，第二段加热温度 为900°C，到温后保温9min，然后空冷至室温后进行第二次正火；第二次回火：采用分段加 热，第一段加热温度为792°C加热，到温后保温19min，第二段加热温度为754°C加热，到温 后保温8miru
【文档编号】C21D9/32GK104195452SQ201410426272
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】陆树根, 杨忠喜, 冯强龙 申请人:南京创贝高速传动机械有限公司