一种圆柱齿轮渗碳淬火方法
【专利摘要】本发明涉及一种圆柱齿轮渗碳淬火方法，属于热处理【技术领域】。该方法包括加热至低碳钢弹塑性转变温度以上的初预热、升温至低碳钢相变温度Ac1以下的再预热，以及渗碳、高温回火、淬火处理、低温回火各步骤。本发明不仅在多个工艺阶段分别采取了抑制或者消除变形的有效举措，并且这些举措相互支持、有机结合，因此可以显著减小圆柱齿轮的渗碳淬火热处理变形，从而可以适当减小预留的齿轮磨削余量，进而减少磨齿时间，为降低齿轮制造成本创造了条件。
【专利说明】一种圆柱齿轮渗碳淬火方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种渗碳淬火方法，尤其是一种能够改善热处理变形的圆柱齿轮渗碳 淬火方法，属于热处理【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 齿轮渗碳淬火由于热应力以及相变应力的存在，发生变形几乎不可避免。圆柱齿 轮的热处理变形主要表现为胀缩度、锥度、椭圆度和端面扭曲四个方面。影响热处理变形的 因素众多，包括零件自身的结构形状、原材料以及冶金质量、锻造和机加工的残余应力、装 料方式和热处理工艺及设备等。以往，应对齿轮较大的热处理变形不得不增加设计中的磨 齿余量、加大齿根凸台等措施。结果，过深的磨量不仅使齿轮丧失了留有有益表面残余压应 力、具有最佳金相组织和硬度的耐磨、抗点蚀表层，还大大削弱了过渡区的强度，增加了渗 碳层剥落的倾向。
[0003] 由于齿轮的热处理变形来源于渗碳和淬火工艺中的加热以及冷却过程，因此目前 改善齿轮热处理变形的常用方法为采取压淬工艺或者热油分级淬火工艺，这些工艺均是从 齿轮淬火冷却过程中去矫正或减小热处理变形。压淬工艺能够矫正齿轮形成于渗碳和淬火 过程中的任何变形，但需要配置淬火压床，并且需要针对齿轮设计专用的压淬工装，生产效 率低、成本高，仅适合批量生产的齿轮；热油分级淬火工艺能够降低形成于淬火冷却过程的 相变应力，达到降低齿轮淬火变形的目的，但无法改善齿轮渗碳和淬火过程中因热应力存 在所造成的变形，并且该工艺对淬火过程控制要求严格，在过程控制不当时会使变形倾向 反而加大，甚至降低热处理工艺性能。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提出一种在普通设备条件下、就能 有效抑制热处理变形的圆柱齿轮渗碳淬火方法，从而无论生产批量大小，都能切实应用。
[0005] 申请人:经过长期实践，不断总结分析，发现在正常操控情况下，产生圆柱齿轮胀缩 度、锥度、椭圆度和端面扭曲变形的主要原因集中在齿轮热处理加热和冷却时的热应力、淬 火时的相变应力和高温蠕变。
[0006] 因此，为了达到以上目的，提出了本发明的圆柱齿轮渗碳淬火方法，包括以下步 骤：
[0007] 第一步、初预热一一将低碳钢圆柱齿轮加工基准端面朝上放入渗碳炉后，以 第一温度预热并保温，所述第一温度为在所述低碳钢的弹塑性转变温度基础上增加 IO0C -500C ；
[0008] 第二步、再预热一一升温至第二温度预热并保温，所述第二温度为所述低碳钢相 变温度Acl以下20°C -30°c ;
[0009] 第三步、渗碳一一操控渗碳炉，将经过初预热和再预热的低碳钢圆柱齿轮进行预 定深度的渗碳；
[0010] 第四步、高温回火一一将渗碳完成后的圆柱齿轮加热到500°C-650°C，保温后出炉 冷却；
[0011] 第五步、淬火处理一一将高温回火后的圆柱齿轮翻转成基准端面朝下，重复第一 步的初预热和第二步的再预热，然后加热到淬火温度Ac3以上，保温后迅速冷却；
[0012] 第六步、低温回火一一将淬火后的圆柱齿轮加热到150°C -250°C，保温后出炉冷 却。
[0013] 以上初预热处理是因为钢材通常在加热至弹塑性转变温度后，其原先的热胀冷缩 变形会由可恢复的弹性形变转变为不可恢复的塑性形变，成为热处理变形而残留。因为钢 件快速加热时最初加热部分也即外侧首先达到塑性形变温度，受内部未充分加热部分牵制 产生的压应力作用而容易出现不可恢复的非均匀塑性变形，当内外侧均到达塑性转变区之 后，这种非均匀塑性变形会使钢件外侧产生凹陷。对于圆柱齿轮而言，因为外侧受内侧未加 热部分牵制，受到压缩应力的影响而变形，变形的最终结果是使齿轮外侧发生凹陷，初预热 并保温可使钢材基本同步达到弹塑性转变温度，从而尽可能减小或者避免非均匀塑性变形 导致的齿轮变形。
[0014] 钢材加热至相变点Acl时会因由母相（铁素体或珠光体相）转变为奥氏体子相而 产生相变收缩。对于圆柱齿轮而言，如果此时处于快速升温状态，表面达到相变温度后开始 出现收缩趋势和内部仍处于热膨胀变形状态势必导致齿轮内部应力失衡，使齿轮发生不均 匀胀缩，不对称畸变，造成齿轮椭圆变形或端面翘曲。而本发明在初预热后以接近相变的温 度再次保温预热，给予钢材充分的相变准备一一即内外基本同时通过相变温度，从而使圆 柱齿轮各处发生相同性质的形变趋势，避免应力失衡导致的热处理变形。
[0015] 在渗碳和淬火加热过程中，圆柱齿轮受热的主要方式为辐射，齿轮上下端面受到 的辐射强度不一，因此容易产生上小下大的畸变。并且长时间处于高温环境的圆柱齿轮会 因其自重产生蠕变，出现周边相对于中心部位的下垂趋势，从而加剧上小下大的畸变。而齿 轮在淬火时会因零件上下齿端进入介质的时间差造成热应力不均，齿轮的下端面产生向上 凸的变形趋势，使齿轮发生变形，先入冷却介质端会涨大或者缩小相对较少，同样会产生上 小下大的锥形变形。本发明在淬火步骤将齿轮上下翻转，可以补偿矫正渗碳过程中产生的 锥形畸变。
[0016] 本发明的高温回火可以使圆柱齿轮有效硬化层区域合金碳化物弥散析出，并且在 淬火前消除齿轮渗碳过程形成的热应力；而低温回火则可以消除淬火过程表面骤冷产生的 内应力。
[0017] 由此可见，本发明不仅在多个工艺阶段分别采取了抑制或者消除变形的有效举 措，并且这些举措相互支持、有机结合，因此可以显著减小圆柱齿轮的渗碳淬火热处理变 形，从而可以适当减小预留的齿轮磨削余量，进而减少磨齿时间，为降低齿轮制造成本创造 了条件。
[0018] 总之，与现有技术相比，本发明具有以下特点：
[0019] 1)工艺简单一一针对圆柱齿轮在渗碳淬火过程中的变形特点，采用常规的控制加 热方式与渗碳淬火装炉方式即可达到减小圆柱齿轮变形的目的；
[0020] 2)适应性强一一不受热处理设备以及淬火介质的限制，对于变形趋势较大的圆柱 齿轮，在常规生产条件下，均可采用本发明所提出的技术方案；
[0021] 3)生产效率高--在齿轮热处理变形过程中控制齿轮变形，无需额外工序，并且 一次装炉可完成多个齿轮的热处理。
[0022] 总之，本发明针对圆柱齿轮各种热处理变形形式的根本原因，提出了在圆柱齿轮 热处理变形过程中降低以及矫正变形的有效方法，解决了在普通热处理设备条件下圆柱齿 轮渗碳淬火变形严重的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 以下结合附图和附表对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。
[0024] 图1为本发明一个实施例的圆柱齿轮结构示意图。
[0025] 图2为快速加热时角柱钢件弹塑性转变变形的示意图。
[0026] 图3为图1圆柱齿轮加热和冷却过程中的畸变示意图；
[0027] 图4为齿轮热处理现有常规工艺流程示意图。
[0028] 图5为图1实施例圆柱齿轮热处理流程示意图。
【具体实施方式】
[0029] 本实施例的圆柱齿轮为机车用从动齿轮，如图1所示，材质为低碳合金钢 18CrNiMo7-6,其Acl点为738°C，Ac3点为815°C，原先的热处理工艺如图4所示，直接渗 碳-高温回火-淬火处理-低温回火，变形明显，需要留出较大的磨削余量，渗碳层厚度难 以掌控。
[0030] 为此， 申请人:进行了深入的试验分析。研宄表明，上述钢材在加热至500°C以上会 由弹性形变转变为塑性形变，发生不可恢复的塑性变形，最终成为热处理变形而残留。通 常，钢件快速加热时最初加热部分也即钢件外侧首先进入塑性形变温度区，因为外侧受内 侧未充分加热部分牵制，受到压缩应力的影响而发生变形，冷却后会凹下。对于圆柱齿轮而 言，参见图2,最初齿轮外部首先被加热，其外侧实质性尺寸将伸长，并因受到内层的束缚， 产生弹性收缩。由于是快速加热，因此当该压应力超过屈服应力时，就发生塑性压缩而膨胀 成中间所示的"镦粗效应"状态。当内层经充分加热而温度均匀时，由于变形的调整，则在 外层产生拉应力，内层产生压应力。为了使弹性应力松弛和塑性变形易于进行，温度必须足 够高。结果，随着外层的应力松驰，内层将在更为复杂的压应力作用下发生塑性压缩，产生 镦粗效应的倾向就更大了，结果是使整个圆柱齿轮球状化。
[0031] 齿轮冷却时，参见图3,处于高温软质的内层将在压缩应力作用下出现镦粗效应， 处于膨胀状态下的齿轮外层产生残余压应力，内层产生残余拉应力。此后继续冷却中，内应 力反向，若外层的压应力超过此处的屈服应力时，将会由于进一步镦粗而使齿轮愈加球状 化。
[0032] 在渗碳过程中，齿轮受热的主要方式为热辐射传导，对于常用的无马弗井式炉等 渗碳设备而言，很难保证齿轮受热均匀。如最上层齿轮下端面受热辐射大，加热块，因热应 力产生的墩粗效应大，而上端面加热慢，墩粗效应小，就会使齿轮发生上小下大的畸变。
[0033] 此外，由于齿轮的自重加上长时间高温处理必然引起齿轮蠕变，这种变形的特征 为：工件的周边在加热过程中相对于中心部位下垂，因而加剧了上小下大的畸变。
[0034] 根据上述研宄分析结果， 申请人:提出了如下圆柱齿轮热处理步骤：初预热-再预 热-渗碳-高温回火-初预热-再预热-淬火处理-低温回火（参见图5,图中淬火前的初 预热-再预热略示）。
[0035] 具体步骤详述如下：
[0036] 第一步、初预热一一将低碳钢圆柱齿轮加工基准端面朝上放入渗碳炉后，以 第一温度预热并保温第一时间t，第一温度为在低碳合金钢的弹塑性转变温度基础上 增加10 °C -50 °C，由于18CrNiMo7-6的弹塑性转变温度为500 °C，则第一温度控制在 510°C_550°C，本实施例中初预热温度为520°C。第一时间t按t= (30H/25±5)min计，式 中H为低碳钢圆柱齿轮的最大厚度（即圆柱齿轮的有效厚度每增加25毫米，第一时间就增 加约30min)，本实施例H= 139,因此第一时间确定为3小时。第一次装炉时记录齿轮加工 基准端面，将基准端面朝上摆放，为后续淬火装炉时齿轮反置作好标记。
[0037] 第二步、再预热一一升温至第二温度预热并保温第二时间，所述第二温度为所述 低碳钢相变温度Acl以下20°C -30°C，18CrNiMo7-6的Acl为738°C，则第二温度控制在 708°C _718°C，本实施例中再预热温度为710°C，所述第二时间的计算与第一时间相同。
[0038] 第三步、渗碳一一按常规方式操控渗碳炉，将经过初预热和再预热的低碳钢圆柱 齿轮加热至920°C进行预定深度的渗碳，优选方案渗碳包括高碳势的强渗阶段和低碳势的 扩散阶段，在强渗阶段的高碳势可使碳快速渗入齿轮表面，在扩散阶段根据设计要求的表 面硬度，使齿轮表面碳浓度达到目标值，渗碳完成后随炉冷却至860°C出炉空冷。
[0039] 第四步、高温回火--将渗碳完成后的圆柱齿轮加热到500°C -650°C，本实施例高 温回火温度为640°C ± KTC，保温第一时间t加2小时后出炉冷却。
[0040] 第五步、淬火处理一一将高温回火后的圆柱齿轮翻转成基准端面朝下，重复第一 步的初预热和第二步的再预热，然后加热到淬火温度，即Ac3以上的完全奥氏体温度区，最 好高出l〇°C -30°C，18CrNiMo7-6Ac3为815°C，因此加热至825°C _845°C，本实施例淬火温 度为830°C，保温第一时间t后迅速冷却。
[0041] 第六步、低温回火一一将淬火后的圆柱齿轮加热到170°C -240°C，保温第一时间t 加2小时后出炉冷却。
[0042] 表1为常规热处理工艺处理的齿轮主要参数变形数据，齿轮热处理后测量齿轮 上、下端面以及0°、180°四个位置数据，在常规工艺中低碳合金钢齿轮热处理工艺详见图 4,齿轮约900°C入炉，快速升温至920°C进行渗碳处理，渗碳完成后随炉冷至860°C出炉空 冷，然后在640°C高温回火，再以原装炉方式重新入炉直接升温至830°C淬火，最后作低温 回火处理。
[0043] 表1常规工艺齿轮的热处理变形
[0044]
【权利要求】
1. 一种圆柱齿轮渗碳淬火方法，其特征在于包括以下步骤： 第一步、初预热一一将低碳钢圆柱齿轮加工基准端面朝上放入渗碳炉后，以第一温度 预热并保温，所述第一温度为在所述低碳钢的弹塑性转变温度基础上增加10°c -50°c ; 第二步、再预热一一升温至第二温度预热并保温，所述第二温度为所述低碳钢相变温 度 Acl 以下 20°C -30°C ; 第三步、渗碳一一操控渗碳炉，将经过初预热和再预热的低碳钢圆柱齿轮进行预定深 度的渗碳； 第四步、高温回火一一将渗碳完成后的圆柱齿轮加热到500°C _650°C，保温后出炉冷 却； 第五步、淬火处理一一将高温回火后的圆柱齿轮翻转成基准端面朝下，重复第一步的 初预热和第二步的再预热，然后加热到淬火温度，保温后迅速冷却； 第六步、低温回火一一将淬火后的圆柱齿轮加热到150°C _250°C，保温后出炉冷却。
2. 根据权利要求1所述的圆柱齿轮渗碳淬火方法，其特征在于：所述第一步中保温第 一时间t，所述第一时间t按t = (30H/25±5)min计，式中H为低碳钢圆柱齿轮的最大厚 度。
3. 根据权利要求2所述的圆柱齿轮渗碳淬火方法，其特征在于：所述第二步中保温第 二时间，所述第二时间的计算与第一时间相同。
4. 根据权利要求3所述的圆柱齿轮渗碳淬火方法，其特征在于：所述第三步中包括高 碳势的强渗阶段和低碳势的扩散阶段。
5. 根据权利要求4所述的圆柱齿轮渗碳淬火方法，其特征在于：所述第四步保温第一 时间t加2小时后出炉冷却。
6. 根据权利要求5所述的圆柱齿轮渗碳淬火方法，其特征在于：所述第五步中加热至 淬火温度，即Ac3以上完全奥氏体温度区后保温第一时间t后迅速冷却。
7. 根据权利要求6所述的圆柱齿轮渗碳淬火方法，其特征在于：所述第六步保温第一 时间t加2小时后出炉冷却。
【文档编号】C23C8/22GK104498965SQ201410720449
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】陈强, 刘康, 吴刚, 刘聪敏 申请人:南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司