专利名称：表面具有硬贝氏体组织齿轮的制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及基础机械零件制造技术领域，它是利用材料成分决定组织的原理，通过正确设计合金成分和渗碳使齿轮表面和内部的贝氏体相变温度和马氏体相变温度不同，结合相应的热处理技术获得表层为硬贝氏体心部为回火马氏体组织，从而获得热处理变形小而综合机械性能优异的齿轮和轴承等基础机械零件。
背景技术：
众所周知，齿轮是机械设备中的关键零件，它既要具有优良的耐磨性、又要具备高的抗接触疲劳和抗弯曲疲劳性能，齿轮质量的优劣直接关系到整个设备的使用寿命。而齿轮质量的好坏在很大程度上取决于齿轮材料及其热处理工艺。因此，国内外机械领域都极为重视齿轮材料及其热处理技术的研究开发，并先后开发出一系列新型齿轮材料及先进的热处理工艺。我国还将这类部件的制造技术的创新列入中长期规划，并进行重点攻关。
传统的齿轮用材主要有20CrMnTi、20CrMo、20CrMnMo以及20Cr和30Mn等低碳低合金钢，对于一些重要的齿轮用钢主要为12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA钢。近年来又发展出许多用于制造齿轮的新材料。比如应用于重载条件的大型齿轮，开发出了成本较低的无镍或低镍钢齿轮钢15CrMn2SiMo，用以代替价格较高的12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA钢。这种无镍齿轮钢与12Cr2Ni4A钢的静弯强度接近，其冲击值甚至优于12Cr2Ni4A钢，疲劳性能也可与其相媲美。低碳空冷贝氏体钢是另外一种新型齿轮用钢，与传统20CrMnTi钢相比，它不但渗碳工艺性能良好，力学性能优良，而且可采用渗碳气冷淬火而减少齿轮渗碳淬火变形量，从而可较经济的提高其制造精度和性能，它特别适合于制造轿车变速葙齿轮、后桥齿轮等零件。目前国内生产的空冷低碳贝氏体钢主要有两大类，Mn-B系列和Si-Mn-Mo系列，这种齿轮使用状态的组织是表层为马氏体、碳化物及残余奥氏体，心部为贝氏体。还有准贝氏体渗碳钢，准贝氏体钢具有高强高韧、工艺简单、成本低廉等优点，已得到广泛应用，其中齿轮就是其中一个重要的应用领域。准贝氏体钢经过渗碳处理并空淬以后的组织是，表层为高碳马氏体和少量残余奥氏体，心部为板条马氏体或者准贝氏体。另外，还有ZG35SiMn、ZG42SiMn等铸钢齿轮用钢。铸钢的力学性能不及锻轧制钢材，但其强度与球墨铸铁相近，而冲击韧度和疲劳强度均比球墨铸铁高得多。铸钢常用于制造对强度要求不很高，但形状复杂、直径较大的齿轮。还开发出了诸如铸态球铁齿轮、等温淬火球铁齿轮和奥2贝球铁齿轮等等。
齿轮母体常用的传统热处理工艺是正火，随着汽车工业的发展，人们越来越重视齿轮锻坯的预先热处理。利用等温退火工艺代替原来的正火工艺就是一个新的发展，等温退火后的齿坯能获得较均匀的片状珠光体+铁素体组织及较均匀的硬度，经等温退火后的齿坯有良好的切削加工性能，减少刀具的损耗，延长刀具的寿命，另外也不同程度地稳定零件最终热处理的淬火变形规律。齿轮的最终热处理目前主要有高频感应电阻加热表面淬火，它是利用高频电源和电触头对工件同时进行感应加热和电阻加热，根据集肤效应，使工件表面升温到Ac3+(30～50)℃以上，再急剧冷却而使工件表面获得很高硬度的一种表面淬火方法，另外，还有激光热处理、渗碳处理以及渗氮处理等。
发明内容
为了克服现有的齿轮材料和处理工艺存在的不足，本发明提供一种表面具有硬贝氏体组织齿轮的制造技术，硬贝氏体是高碳含量钢中的无碳化物贝氏体组织，它是通过在略高于材料的Ms点温度等温淬火而获得亚结构尺寸非常细小且不存在碳化物的贝氏体组织。它具有淬火马氏体的硬度和较高的韧度，因此，表现出十分优异的综合力学性能，是一种十分有应用前景的新型组织材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是制造齿轮的原材料为MnSiAl、MnSiMoAl、MnSiWAl、CrSiMoAl、CrSiWAl、MnCrNiSiMoAl和MnCrNiSiWAl系列含铝渗碳钢，该系列含铝渗碳钢含铝量为0.5-2.0wt％。
其制造工艺为首先将锻态或者轧态含铝渗碳钢机械加工成齿轮，之后对齿轮表面进行渗碳处理，渗碳工艺为渗碳温度900℃-950℃、渗碳时间1-5h；最后将齿轮进行最终热处理；最终热处理工艺为加热到850℃-920℃进行奥氏体化处理，然后在温度为180℃-350℃的介质中保持0.1-20h后空冷，最后在150℃-350℃保温1-3h回火。
本发明提出通过合理的齿轮母体材料化学成分设计并结合相应的渗碳处理工艺以及最终的热处理工艺处理，制造出表层为硬贝氏体组织心部为回火马氏体的高性能齿轮，为基础机械零部件的制造提供了一种新的工艺技术。
首先对齿轮用钢原材料的化学成分进行优化设计，一方面保证其淬透性能，使之经过淬火后心部得到马氏体组织，另一方面保证其表层易于获得贝氏体组织，并且贝氏体应是无碳化物贝氏体。因此确定含Mn、Si、Al的低碳低合金钢作为齿轮母体材料，对淬透性要求更高的，可以加入Cr、Ni、Mo、W等元素。在此基础上，研究了其渗碳工艺，确定适合于不同工况条件的最佳的渗碳层深度和齿轮表层碳成分梯度。研究了渗碳后的热处理工艺，确定合适的等温淬火温度和回火温度，使处理后的齿轮心部为回火马氏体组织，而表层为硬贝氏体组织。利用金相和TEM观察了齿轮表层、过渡层以及母体的组织结构，测试了齿轮表层的硬度梯度的变化规律。利用X射线分析了渗碳层的应力分布，发现了如此处理的齿轮的表层残余应力状态为压应力，这有利于提高齿轮的抗滚动接触疲劳性能。测试分析了母体材料组织状态为回火马氏体组织时的拉力和冲击等常规力学性能。系统研究了不同渗碳层深度、成分梯度，并由此获得的不同表层组织结构梯度的齿轮的滚动接触疲劳寿命，发现本发明的表层具有硬贝氏体组织的齿轮的滚动接触疲劳寿命是传统20CrMnTi钢渗碳齿轮疲劳寿命的1.5倍。利用摩擦磨损试验机测试了这种硬贝氏体组织钢的摩擦磨损性能，发现其抗齿轮使用工矿条件的摩擦磨损性能是渗碳20CrMnTi钢的1.5倍。
本发明的有益效果是由此心部获得回火马氏体而表面为硬贝氏体组织的使用性能优异的齿轮，同时，齿轮的热处理变形得以显著减小。在中等应力条件下，其使用寿命比目前广泛应用的渗碳而后淬火低温回火20CrMnTi钢齿轮提高50％以上。
具体实施例方式
实施例1利用本发明制造的港口输煤系统中使用的齿轮，其母体化学成分是(wt％)C 0.19，Mn 0.58，Si 0.62，Al 0.88，Cr 0.76，Mo 0.21，S 0.019，P 0.030，其余为Fe。该钢的Ms温度为368℃。其热处理工艺为在920℃渗碳3小时，空冷后加热到880℃保温1小时，然后直接淬入温度为250℃的硝盐中等温4小时，最后再加热到200℃进行回火处理。经此热处理后钢的表层硬度为HRC60，心部硬度为HRC42，渗碳层深度为1.2mm。这种齿轮应用于港口输煤系统中，收到很好的使用效果。
实施例2利用本发明制造的煤矿机械重载齿轮，其原材料化学成份(wt.％)为C 0.21，Mn 1.69，Si 0.44，Cr 1.75，Ni 0.65，Mo 0.45，Al 1.52，S 0.005，P0.017，其余为Fe。920℃渗碳4h空冷后加热到900℃奥氏体化，然后在260℃的流态粒子冷床中等温淬火10h，最后在180℃回火2h。处理后表面硬度HRC62，心部硬度HRC44。
实施例3利用本发明制造的港口输煤系统中使用的齿轮，其母体化学成分是(wt％)C 0.16，Mn 1.22，Si 1.32，Al 0.63，Cr 1.36，W 0.66，S 0.013，P0.023，其余为Fe。该钢的Ms温度为326℃。其热处理工艺为在920℃渗碳4小时，空冷后加热到880℃保温1小时，然后直接淬入温度为240℃的流态粒子冷床中保温8小时后空冷，最后再加热到250℃进行回火处理。经此热处理后钢的表层硬度为HRC62，心部硬度为HRC40，渗碳层深度为1.5mm。这种齿轮正应用于港口输煤系统中，使用效果很好。
实施例4利用本发明制造的挖掘机齿轮，其母体化学成分是(wt％)C 0.24，Mn 0.92，Si 0.76，Al 1.38，Cr 0.98，W 0.55，S 0.015，P 0.017，其余为Fe。该钢的Ms温度为344℃。其热处理工艺为在920℃渗碳3小时，空冷后加热到880℃保温1小时，然后直接淬入温度为240℃的硝盐中保温5小时后空冷，最后再加热到200℃进行回火处理。经此热处理后钢的表层硬度为HRC60，心部硬度为HRC42，渗碳层深度为1.3mm。
权利要求
1.一种表面具有硬贝氏体组织齿轮的制造工艺，其特征是齿轮的制造工艺为(1)加工齿轮的原材料为系列含铝渗碳钢，该系列含铝渗碳钢含铝量为0.5-2.0wt％；(2)将锻态或者轧态含铝渗碳钢机械加工成齿轮，对齿轮表面进行渗碳处理，渗碳工艺为渗碳温度900℃-950℃、渗碳时间1-5h；(3)然后将齿轮进行最终热处理，最终热处理工艺为a.加热到850℃-920℃进行奥氏体化处理；b.然后在温度为180℃-350℃的介质中保持0.1-20h后空冷；c.最后在150℃-350℃保温1-3h回火；(4)经上述工序制作的齿轮的心部为回火马氏体表面为硬贝氏体组织，且热处理变形得以显著减小，在中等应力条件下，其使用寿命比目前广泛应用的渗碳而后淬火低温回火20CrMnTi钢齿轮提高50％以上。
2.根据权利要求1所述的表面具有硬贝氏体组织齿轮的制造工艺，其特征是系列含铝渗碳钢为MnSiAl、MnSiMoAl、MnSiWAl、CrSiMoAl、CrSiWAl、MnCrNiSiMoAl和MnCrNiSiWAl。
全文摘要
本发明公开一种表面具有硬贝氏体组织齿轮的制造工艺。它是一种原材料为含铝渗碳钢，含铝渗碳钢的含铝量为0.5－2.0wt％；制造工艺为将锻态或者轧态含铝渗碳钢机械加工成要求的齿轮，对齿轮表面进行渗碳处理，然后将齿轮进行最终热处理，最终热处理工艺为加热到850℃－920℃进行奥氏体化处理，然后在温度为180℃－350℃的介质中保持0.1－20h后空冷，最后在150℃－350℃保温1－3h回火。由此心部获得回火马氏体而表面为硬贝氏体组织的使用性能优异的齿轮，同时，齿轮的热处理变形得以显著减小。在中等应力条件下，其使用寿命比目前广泛应用的渗碳而后淬火低温回火20CrMnTi钢齿轮提高50％以上。
文档编号F16H55/06GK1944715SQ20061010202
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月13日 优先权日2006年10月13日
发明者张福成, 郑炀曾, 赵品, 王天生, 张明 申请人:燕山大学