一種用於柴油機上的奧貝球鐵齒輪的製造工藝的製作方法

2023-05-17 16:23:51

專利名稱：一種用於柴油機上的奧貝球鐵齒輪的製造工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於柴油機上的奧貝球鐵齒輪的製造工藝，具體地說是將上貝氏體+殘餘奧氏體之奧貝(上貝)球鐵製造齒輪，並應用於大功率車用柴油機上，屬於機械部件技術領域。
背景技術：
奧貝球鐵材料是20世紀70年代發展起來的一種新型材料，它是通過球鐵材料的等溫淬火熱處理獲得的。根據熱處理等溫淬火溫度的不同，它又大體可分為馬氏體+下貝氏體(馬貝)，下貝氏體+殘餘奧氏體(下貝)，上貝氏體+殘餘奧氏體(上貝)三種類型。美國側重於馬貝的研製，芬蘭等歐洲國家側重於上貝的研製，而我國側重於下貝的研製。奧貝球鐵材料發明三十多年來，國內對其進行的基礎研究應該說不少，但因多種原因，實際生產應用的不多；就是有應用，較多的也是生產一些形狀簡單，性能和尺寸要求不太高的產品，如磨球、襯板、錘頭、採掘機鬥齒、鐵道上用的斜楔等抗磨件(下貝)。要求高的較少，我廠上世紀70年代研發並應用於中小功率柴油機的奧貝(下貝)球鐵凸輪軸是我國奧貝球鐵材料應用較成功的單位，二汽上世紀90年代根據美國康明斯B發動機要求研發並生產應用了奧貝(馬貝)球鐵齒輪，但因多種原因，現已停止使用。齒輪，尤其是柴油機齒輪是一個受力複雜(既有交變彎曲疲勞載荷，又有周期性衝擊載荷，還要經受摩擦磨損等)，綜合機械性能和可靠性要求較高的零件，所以目前國內生產的齒輪，特別是柴油機齒輪基本都是氮化鋼齒輪或20CrMnTi滲碳淬火鋼齒輪。奧貝球鐵齒輪與鋼齒輪相比其主要特點是可顯著降低齒輪噪聲，減輕齒輪重量(約10％)等，但奧貝球鐵齒輪生產應用存在的主要技術難點是1、如何保證獲得高質量的球鐵齒輪鑄件。即保證球鐵齒輪奧貝等淬熱處理後獲得較高性能所要求的化學成分，鑄態組織，尤其是不能有氣孔、縮松、夾雜等鑄造缺陷，而齒輪是一個結構較複雜，不易鑄造的零件；2、奧貝球鐵齒輪的優良力學性能是通過奧貝等淬熱處理獲得的，如何保證奧貝等淬熱處理生產穩定獲得較高性能，且均勻一致的奧貝球鐵齒輪有難度，既有工藝上的，也有設備上的(國內尚無正規的等溫淬火熱處理設備)；3、由於奧貝球鐵材料加工性較差(比調質鋼差)，所以奧貝球鐵齒輪的加工也是一個難題。

發明內容
本發明的目的在於克服上述不足之處，從而提供一種能降低齒輪噪聲，減輕齒輪重量；具有良好的綜合力學性能，良好的耐磨性，較高的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度的用於柴油機上的奧貝(上貝)球鐵齒輪的製造工藝。
本發明的主要解決方案是這樣實現的本發明奧貝(上貝)球鐵齒輪製造工藝步驟如下1、鐵模製造齒輪採用鐵模覆砂鑄造，首先根據齒輪產品圖單邊加餘量製作鑄件毛坯圖，在鑄件毛坯圖的基礎上單邊加覆砂層製造鐵模；2、造型在熱芯射芯機上製作鐵模覆砂砂型，採用電熱管對鐵模加熱，加熱溫度220-240℃，然後吹入覆膜砂，形成鐵模覆砂砂型，覆膜砂採用酚醛樹脂覆膜砂；3、熔煉用電爐熔煉鐵水，熔煉鐵水原料配方為生鐵為50-70重量％、回爐鐵為20-40重量％、廢鋼為10-20重量％，鐵水熔煉到1480-1520℃出爐；球化處理，先在澆包中放入球化劑及覆蓋劑，用衝入法在澆包中進行球化處理；在球化處理後的鐵水中放入孕育劑進行孕育處理；處理配方為鐵水97.2～98.4重量％、稀土鎂矽鐵球化劑1～1.6重量％、75矽鐵覆蓋劑0.3～0.7重量％、75矽鐵孕育劑0.3～0.5重量％；4、澆注球化處理和孕育處理後的鐵水溫度應控制在1380-1450℃，將鐵水澆入上述已合箱的鐵模覆砂砂型中，澆注應在8分鐘內澆完，待鐵水凝固並冷卻至500-600℃後開箱，清理鐵型，敲掉鑄件披縫，用砂輪機清除澆口殘根；5、退火退火在箱式電爐中進行，溫度為880-920℃，保溫時間2-4小時後隨爐冷卻至600℃以下出爐；6、超聲波檢測先對齒輪兩端面進行車削加工，使兩端面粗糙度達到6.3級，並使兩平面保持平行，校準超聲波檢測儀，進行全數零件探傷，以保證齒輪鑄件中無氣孔、縮松；7、粗加工粗車齒坯，即車內孔、車外圓，車齒輪輪輻和齒輪總寬等；8、半精加工夾齒輪外圓、半精車端面、輪輻、鏜內孔、孔口倒角；反撐內孔、靠準端面基準面車齒輪外圓、半精車齒輪另一端面和輪輻；
9、滾齒先滾齒、倒稜、銑槽；10、等淬熱處理用汽油清洗零件，去除零件上油汙，在井式保護氣氛電爐中加熱奧氏體化，硝鹽爐中等溫淬火，加熱奧氏體化溫度為880-920℃，保溫1-2小時，等溫淬火溫度為350-390℃，保溫1-2小時，淬火後用清水洗淨殘鹽，進行力學性能和金相組織檢查，力學性能達到抗拉強度σb≥1000Mpa，延伸率δ≥7％，金相組織應為上貝氏體+10-40％殘餘奧氏體，硬度26-35HRC；11噴丸處理齒輪熱處理後再用熱鹼水進行中和處理，熱鹼水溶液酸鹼度為PH11-13，溫度100℃，在噴丸機上進行噴丸處理；12、精加工節徑定位磨內孔、磨基準端面；靠基準端面、精車或磨另一端面、保證齒輪兩平面的平行度；拉鍵槽。此時齒輪的加工(車、銑、鑽、拉鍵槽及剃齒等)應採用低速、大進刀量(切削深度應大於加工硬化層深度)加工，刀具儘量採用有TiN、TiAlN等鍍層刀具。
13、磨齒剃齒或磨齒；14、檢驗打標識、成品檢驗、清洗、上防鏽油、包裝入庫。
本發明與已有技術相比具有以下優點本發明由於通過試驗確定了齒輪鑄件的化學成分和鑄造工藝，保證鑄件有良好的球化率，無縮松、夾雜等鑄造缺陷，鑄件經退火成鐵素體態；保證奧貝(上貝)球鐵齒輪性能的關鍵是等淬熱處理，所以我們通過試驗確定了球鐵齒輪的等淬熱處理工藝，從而獲得合格的金相組織和保證達到力學性能指標；奧貝球鐵的加工性能比調質鋼差，所以我們通過試驗確定了球鐵齒輪最合理的加工工藝路線，並通過採用鍍層刀具，降低切削速度等，較好的解決了奧貝球鐵齒輪加工難的問題；通過試驗，成功實現在≤280馬力車用柴油機上的批生產應用。本發明奧貝(上貝)球鐵齒輪與鋼齒輪相比可顯著降低齒輪噪聲，減輕齒輪重量約10％；奧貝球鐵(上貝)齒輪具有良好的綜合力學性能，高於調質態齒輪鋼；良好的耐磨性，高於氮化鋼齒輪；較高的接觸疲勞強度(高於氮化鋼齒輪，接近20CrMnTi滲碳鋼齒輪)和彎曲疲勞強度。


圖1為本發明奧貝(上貝)球鐵齒輪的工藝流程圖。
圖2為本發明奧貝(上貝)球鐵齒輪的外形圖。
具體實施例方式
下面本發明將結合附圖中的實施例作進一步描述實施例一本發明實施例中1005037AB-6DF1奧貝(上貝)球鐵曲軸正時齒輪如圖2照片所示該齒輪的主要技術要求和尺寸為模數mn＝3，齒數Z＝42，齒形角α＝20°，齒輪內孔尺寸φ104H7(0+0.035)，粗糙度1.6，齒頂圓尺寸φ132h11(-0.250)，齒輪寬36±0.1，端面粗糙度3.2，有效齒寬170+0.5，齒面粗糙度0.8。
奧貝(上貝)球鐵曲軸正時齒輪的生產工藝步驟如下1、鐵模設計製造該齒輪採用鐵模覆砂鑄造，所以首先根據該齒輪產品圖，單邊加1.5-3.5mm餘量製作鑄件毛坯圖，在毛坯圖的基礎上單邊加5-25mm覆砂層設計製造鐵模；球鐵齒輪鑄件的化學成分與金相組織指標我們通過材料基礎試驗確定奧貝(上貝)球鐵齒輪為非合金奧貝(上貝)球鐵齒輪，即鑄件的化學成分中不含Cu，Ni，Mo等合金元素，其化學成分為3.6-3.9％C，2.4-3.0％Si，≤0.3％Mn，≤0.06％P，≤0.02％S，0.03-0.05％Mg，0.01-0.03％RE，其中C、Si、Mn為主要元素，需嚴格控制，P、S為雜質元素，越低越好，Mg、RE為球化元素，以保證達到要求的球化率；鑄件的金相組織為球化率≤3級，石墨大小≥5級，鐵素體量≥85％，碳化物≤2％，磷共晶≤2％。
2、造型在熱芯射芯機上製作鐵模覆砂砂型，開始生產時鐵模需用電熱管加熱，加熱溫度220-240℃，正常生產後只要利用鐵模餘熱即可，然後吹入覆膜砂，形成鐵模覆砂砂型，覆膜砂採用的是酚醛樹脂覆膜砂。
3、熔煉用電爐熔煉鐵水，熔煉鐵水原料配方為50重量％的生鐵、35重量％回爐鐵、15重量％的廢鋼，鐵水熔煉到1480-1520℃出爐；用衝入法在澆包中進行球化處理，球化處理時在澆包鐵水98.4重量％中放入1重量％的稀土鎂矽鐵中間合金球化劑及0.3重量％的75矽鐵覆蓋劑，隨後放入孕育劑進行孕育處理，孕育劑配方為0.3重量％的75矽鐵，處理後的化學成分必須符合上述化學成分指標要求。
4、澆注球化處理和孕育處理後的鐵水溫度應控制在1380-1450℃，將鐵水澆入上述已合箱的鐵模覆砂砂型中，澆注應在8分鐘內澆完，待鐵水凝固並冷卻至500-600℃後開箱，清理鐵型，敲掉鑄件披縫，用砂輪機清除澆口殘根。
5、退火退火在75kw箱式電爐中進行，退火溫度880-920℃，保溫2-3小時後隨爐冷至600℃以下出爐，退火處理後鑄件的金相組織為球化率≤3級，石墨大小≥6級，石墨球數≥120個/mm2，鐵素體量≥90％，碳化物+磷共晶≤3％，其餘為珠光體，Y試塊(δ＝25mm)機械性能抗拉強度σb≥400Mpa，延伸率δ≥15％，硬度170-200HB。
6、超聲波檢測先對齒輪兩端面進行車削加工，使兩端面粗糙度達到6.3級，並使兩平面保持平行，校準超聲波檢測儀，按《奧貝球鐵齒輪超聲波探傷操作規程》要求進行全數零件探傷，不合格的給予報廢處理，以保證齒輪鑄件中無氣孔、縮松等鑄造質量問題，機加工後齒輪因鑄造缺陷造成的廢品率≤2％，檢驗合格鑄件打上鑄件標識，入庫待加工。
7、粗加工按粗車圖粗車齒坯，內孔車到φ102±0.2，外圓車到φ133±0.2，齒輪總寬車到370+0.5，有效齒寬190+0.5，粗糙度12.5。
8、半精加工夾齒輪外圓，光小端面，擴內孔至φ104.50+0.1，深7.1，精鏜內孔至φ103.30+0.03，孔口倒角1.1×45°，保證端面跳動小於0.04，精車答子外圓至φ117-0.350，長30+0.1，精車錐面，保證尺寸φ123，兩錐面夾角為31.4°，答子倒角1.2×45°；反撐內孔，靠準平面，車齒輪外圓至φ132-0.250，精車齒輪寬到36.30+0.1，保證端面跳動小於0.05，倒外圓角1.2×45°，內孔角1.5×45°。
9、滾齒按m＝3，z＝42，Fr＝0.03，Fw＝0.025，w＝41.86-41.89進行滾齒，然後倒稜，銑槽，槽寬5+0.07+0.10，深6.60+0.1，並保證定位齒與鍵槽中心夾角為40°±15′，鍵槽對內孔中心的對稱度小於0.025；按產品規程進行熱處理前檢驗。
10、等淬熱處理用汽油清洗零件，去除零件上油汙，用專用夾具裝架，在井式保護氣氛電爐中加熱奧氏體化，硝鹽爐中等溫淬火，其熱處理溫度為880-920℃保溫1-1.5小時奧氏體化，370-390℃保溫1-1.5小時等溫淬火，淬火後用清水洗淨殘鹽，用隨爐試樣進行力學性能和金相組織檢查，力學性能應達到抗拉強度σb≥1000Mpa，延伸率δ≥7％，金相組織應為上貝氏體+10-40％殘餘奧氏體，硬度26-35HRC。
11、噴丸處理齒輪熱處理後再用熱鹼水進行中和處理，保證清洗乾淨殘鹽，熱鹼水溶液酸鹼度為PH11-13，溫度100℃；在噴丸機上進行噴丸處理，從而起到清除零件表面熱處理氧化皮和提高齒輪彎曲疲勞性能的作用。
12、精加工節徑定位磨內孔到φ1040+0.035，磨出小端面，保證齒輪總寬360+0.2，並保證端面跳動小於0.02；靠準小端面，磨大端面，保證齒輪總寬36±0.1，兩平面的平行度小於0.03。
13、磨齒按m＝3，z＝42，Fr＝0.05，Fw＝0.036，w＝41.48-41.51，Ff＝0.013，Fβ＝0.011進行磨齒，按產品檢驗規程進行出車間檢驗，打標識，成品檢驗，清洗、上防鏽油、包裝入庫。
實施例二本發明實施例中1006041AB-6DF1奧貝(上貝)球鐵齒輪的主要技術要求和尺寸為模數mn＝3，齒數Z＝52，齒形角α＝20°，齒輪內孔尺寸φ680+0.030，粗糙度1.6，齒頂圓尺寸φ162-0.2500，齒輪寬17±0.2，端面粗糙度3.2，齒面粗糙度0.8。電爐熔煉鐵水熔煉鐵水原料配方為70重量％的生鐵、20重量％回爐鐵、10重量％的廢鋼，鐵水熔煉到1480-1520℃出爐，用衝入法在澆包中進行球化處理，球化處理時在澆包鐵水97.2重量％中放入1.6重量％的稀土鎂矽鐵中間合金球化劑及0.7重量％的75矽鐵覆蓋劑，隨後放入孕育劑進行孕育處理，孕育劑配方為0.5重量％75矽鐵，處理後的化學成分必須符合上述化學成分指標要求。球化處理和孕育處理後的鐵水溫度應控制在1380-1450℃；鐵水凝固並冷卻至500-600℃後開箱；退火溫度880-920℃，保溫3-4小時後隨爐冷至600℃以下出爐；等淬熱處理溫度為880-920℃保溫1.5-2小時奧氏體化，350-370℃保溫1.5-2小時等溫淬火。本發明實施例中採用上述熔煉鐵水原料配方及工藝條件，並基本採用實施例一中的工藝步驟及工藝參數，僅在粗加工和半精加工中增加了輪輻的車削加工及半精加工中增加了輪輻上孔的鑽削加工，製造的奧貝(上貝)球鐵齒輪同樣達到上述技術指標。
實施例三本發明實施例中1006042AB-6DF1奧貝(上貝)球鐵齒輪的主要技術要求和尺寸為模數mn＝3，齒數Z＝26，齒形角α＝20°，齒輪內孔尺寸φ52H7(0+0.030)，粗糙度1.6，齒頂圓尺寸φ84h11(-0.220)，齒輪寬46d9(-0.142-0.080)，端面粗糙度1.6，齒寬25.5±0.1，齒面粗糙度0.8。電爐熔煉鐵水熔煉鐵水原料配方為60重量％的生鐵、30重量％回爐鐵、10重量％的廢鋼，鐵水熔煉到1480-1520℃出爐，用衝入法在澆包中進行球化處理，球化處理時在澆包鐵水97.7重量％中放入1.3重量％的稀土鎂矽鐵中間合金球化劑及0.6％重量的75矽鐵覆蓋劑，隨後放入孕育劑進行孕育處理，孕育劑配方為0.4重量％75矽鐵。球化處理和孕育處理後的鐵水溫度應控制在1380-1450℃；鐵水凝固並冷卻至500-600℃後開箱；退火溫度880-920℃，保溫2-3小時後隨爐冷至600℃以下出爐；等淬熱處理溫度為880-920℃保溫1.2-1.7小時奧氏體化，360-380℃保溫1.2-1.7小時等溫淬火。本發明實施例中採用上述熔煉鐵水原料配方及工藝條件，並採用實施例一中的工藝步驟及工藝參數製造的奧貝(上貝)球鐵齒輪同樣達到上述技術指標。
奧貝(上貝)球鐵齒輪經柴油機臺架1000小時可靠性耐久試驗和小批量用戶道路運行跟蹤試驗通過後，成功實現在≤280馬力車用柴油機上的批生產應用。
本發明中採用的原材料均為市場所購，設備採用常規設備。
權利要求
1.一種用於柴油機上的奧貝(上貝)球鐵齒輪的製造工藝，其特徵是奧貝(上貝)球鐵齒輪製造工藝步驟如下(1)、鐵模製造齒輪採用鐵模覆砂鑄造，首先根據齒輪產品圖單邊加餘量製作鑄件毛坯圖，在鑄件毛坯圖的基礎上單邊加覆砂層製造鐵模；(2)、造型在熱芯射芯機上製作鐵模覆砂砂型，採用電熱管對鐵模加熱，加熱溫度220-240℃，然後吹入覆膜砂，形成鐵模覆砂砂型；(3)、熔煉用電爐熔煉鐵水，熔煉鐵水原料配方為生鐵50-70重量％、回爐鐵20-40重量％、廢鋼10-20重量％，鐵水熔煉溫度1480-1520℃出爐；球化處理，先在澆包中放入球化劑及覆蓋劑，用衝入法在澆包中進行球化處理；在球化處理後的鐵水中放入孕育劑進行孕育處理；處理配方為鐵水97.2～98.4重量％、球化劑1～1.6重量％、覆蓋劑0.3～0.7重量％、孕育劑0.3～0.5重量％；(4)、澆注球化處理和孕育處理後的鐵水溫度應控制在1380-1450℃，將鐵水澆入上述已合箱的鐵模覆砂砂型中，澆注應在8分鐘內澆完，待鐵水凝固並冷卻至500-600℃後開箱，清理鐵型，敲掉鑄件披縫，用砂輪機清除澆口殘根；(5)、退火退火在箱式電爐中進行，溫度為880-920℃，保溫時間2-4小時後隨爐冷卻至600℃以下出爐；(6)、超聲波檢測先對齒輪兩端面進行車削加工，使兩端面粗糙度達到6.3級，並使兩平面保持平行，校準超聲波檢測儀，進行全數零件探傷，以保證齒輪鑄件中無氣孔、縮松；(7)、粗加工粗車齒坯，即車內孔、車外圓，車齒輪總寬；(8)、半精加工夾齒輪外圓、半精車端面、輪輻、鏜內孔、孔口倒角；反撐內孔、靠準端面基準面車齒輪外圓、半精車齒輪另一端面和輪輻；(9)、滾齒先滾齒、後倒稜、銑槽；(10)、等淬熱處理用汽油清洗零件，去除零件上油汙，在井式保護氣氛電爐中加熱奧氏體化，硝鹽爐中等溫淬火，加熱奧氏體化溫度為880-920℃，保溫1-2小時，等溫淬火溫度為350-390℃，保溫1-2小時，淬火後用清水洗淨殘鹽，硬度26-35HRC；(11)、噴丸處理齒輪熱處理後再用熱鹼水進行中和處理，在噴丸機上進行噴丸處理；(12)、精加工節徑定位磨內孔、磨出基準端面，端面跳動小於0.02；靠準基準端面、磨另一端面、保證齒輪兩平面的平行度小於0.03；(13)、磨齒剃齒或磨齒；(14)、檢驗打標識、成品檢驗、清洗、上防鏽油、包裝入庫。
2.根據權利要求1所述的一種用於柴油機上的奧貝(上貝)球鐵齒輪的製造工藝，其特徵在於所述的覆膜砂採用酚醛樹脂覆膜砂。
3.根據權利要求1所述的一種用於柴油機上的奧貝(上貝)球鐵齒輪的製造工藝，其特徵在於所述的熱鹼水溶液酸鹼度為PH11-13，溫度為100℃。
4.根據權利要求1所述的一種用於柴油機上的奧貝(上貝)球鐵齒輪的製造工藝，其特徵在於所述的球化劑為稀土鎂矽鐵中間合金球化劑。
5.根據權利要求1所述的一種用於柴油機上的奧貝(上貝)球鐵齒輪的製造工藝，其特徵在於所述的覆蓋劑為75矽鐵覆蓋劑。
6.根據權利要求1所述的一種用於柴油機上的奧貝(上貝)球鐵齒輪的製造工藝，其特徵在於所述的孕育劑為75矽鐵。
全文摘要
本發明涉及一種用於柴油機上的奧貝(上貝)球鐵齒輪的製造工藝，具體地說是將上貝氏體+殘餘奧氏體之奧貝(上貝)球鐵製造齒輪，並應用於大功率車用柴油機上，屬於機械部件技術領域。其製造方法為鐵模製造、覆膜砂造型、電爐熔煉、球化處理、澆注、退火、超聲波檢測、粗加工、半精加工、滾齒、等淬熱處理、噴丸處理、精加工、剃齒或磨齒、打標識、成品檢驗、清洗、上防鏽油、包裝入庫。本發明奧貝(上貝)球鐵齒輪與鋼齒輪相比可顯著降低齒輪噪聲，減輕齒輪重量約10％，奧貝球鐵(上貝)齒輪具有良好的綜合力學性能，高於調質態齒輪鋼，良好的耐磨性，高於氮化鋼齒輪，較高的接觸疲勞強度，高於氮化鋼齒輪，接近20CrMnTi滲碳鋼齒輪，較高的彎曲疲勞強度。
文檔編號B23P15/14GK1861313SQ20061003884
公開日2006年11月15日 申請日期2006年3月15日 優先權日2006年3月15日
發明者錢魯陽, 楊鈞強 申請人:中國第一汽車集團公司無錫柴油機廠