表面具有硬貝氏體組織齒輪的製造工藝的製作方法

2023-10-04 04:35:59 2

專利名稱：表面具有硬貝氏體組織齒輪的製造工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及基礎機械零件製造技術領域，它是利用材料成分決定組織的原理，通過正確設計合金成分和滲碳使齒輪表面和內部的貝氏體相變溫度和馬氏體相變溫度不同，結合相應的熱處理技術獲得表層為硬貝氏體心部為回火馬氏體組織，從而獲得熱處理變形小而綜合機械性能優異的齒輪和軸承等基礎機械零件。
背景技術：
眾所周知，齒輪是機械設備中的關鍵零件，它既要具有優良的耐磨性、又要具備高的抗接觸疲勞和抗彎曲疲勞性能，齒輪質量的優劣直接關係到整個設備的使用壽命。而齒輪質量的好壞在很大程度上取決於齒輪材料及其熱處理工藝。因此，國內外機械領域都極為重視齒輪材料及其熱處理技術的研究開發，並先後開發出一系列新型齒輪材料及先進的熱處理工藝。我國還將這類部件的製造技術的創新列入中長期規劃，並進行重點攻關。
傳統的齒輪用材主要有20CrMnTi、20CrMo、20CrMnMo以及20Cr和30Mn等低碳低合金鋼，對於一些重要的齒輪用鋼主要為12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA鋼。近年來又發展出許多用於製造齒輪的新材料。比如應用於重載條件的大型齒輪，開發出了成本較低的無鎳或低鎳鋼齒輪鋼15CrMn2SiMo，用以代替價格較高的12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA鋼。這種無鎳齒輪鋼與12Cr2Ni4A鋼的靜彎強度接近，其衝擊值甚至優於12Cr2Ni4A鋼，疲勞性能也可與其相媲美。低碳空冷貝氏體鋼是另外一種新型齒輪用鋼，與傳統20CrMnTi鋼相比，它不但滲碳工藝性能良好，力學性能優良，而且可採用滲碳氣冷淬火而減少齒輪滲碳淬火變形量，從而可較經濟的提高其製造精度和性能，它特別適合於製造轎車變速葙齒輪、後橋齒輪等零件。目前國內生產的空冷低碳貝氏體鋼主要有兩大類，Mn-B系列和Si-Mn-Mo系列，這種齒輪使用狀態的組織是表層為馬氏體、碳化物及殘餘奧氏體，心部為貝氏體。還有準貝氏體滲碳鋼，準貝氏體鋼具有高強高韌、工藝簡單、成本低廉等優點，已得到廣泛應用，其中齒輪就是其中一個重要的應用領域。準貝氏體鋼經過滲碳處理並空淬以後的組織是，表層為高碳馬氏體和少量殘餘奧氏體，心部為板條馬氏體或者準貝氏體。另外，還有ZG35SiMn、ZG42SiMn等鑄鋼齒輪用鋼。鑄鋼的力學性能不及鍛軋制鋼材，但其強度與球墨鑄鐵相近，而衝擊韌度和疲勞強度均比球墨鑄鐵高得多。鑄鋼常用於製造對強度要求不很高，但形狀複雜、直徑較大的齒輪。還開發出了諸如鑄態球鐵齒輪、等溫淬火球鐵齒輪和奧2貝球鐵齒輪等等。
齒輪母體常用的傳統熱處理工藝是正火，隨著汽車工業的發展，人們越來越重視齒輪鍛坯的預先熱處理。利用等溫退火工藝代替原來的正火工藝就是一個新的發展，等溫退火後的齒坯能獲得較均勻的片狀珠光體+鐵素體組織及較均勻的硬度，經等溫退火後的齒坯有良好的切削加工性能，減少刀具的損耗，延長刀具的壽命，另外也不同程度地穩定零件最終熱處理的淬火變形規律。齒輪的最終熱處理目前主要有高頻感應電阻加熱表面淬火，它是利用高頻電源和電觸頭對工件同時進行感應加熱和電阻加熱，根據集膚效應，使工件表面升溫到Ac3+(30～50)℃以上，再急劇冷卻而使工件表面獲得很高硬度的一種表面淬火方法，另外，還有雷射熱處理、滲碳處理以及滲氮處理等。

發明內容
為了克服現有的齒輪材料和處理工藝存在的不足，本發明提供一種表面具有硬貝氏體組織齒輪的製造技術，硬貝氏體是高碳含量鋼中的無碳化物貝氏體組織，它是通過在略高於材料的Ms點溫度等溫淬火而獲得亞結構尺寸非常細小且不存在碳化物的貝氏體組織。它具有淬火馬氏體的硬度和較高的韌度，因此，表現出十分優異的綜合力學性能，是一種十分有應用前景的新型組織材料。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是製造齒輪的原材料為MnSiAl、MnSiMoAl、MnSiWAl、CrSiMoAl、CrSiWAl、MnCrNiSiMoAl和MnCrNiSiWAl系列含鋁滲碳鋼，該系列含鋁滲碳鋼含鋁量為0.5-2.0wt％。
其製造工藝為首先將鍛態或者軋態含鋁滲碳鋼機械加工成齒輪，之後對齒輪表面進行滲碳處理，滲碳工藝為滲碳溫度900℃-950℃、滲碳時間1-5h；最後將齒輪進行最終熱處理；最終熱處理工藝為加熱到850℃-920℃進行奧氏體化處理，然後在溫度為180℃-350℃的介質中保持0.1-20h後空冷，最後在150℃-350℃保溫1-3h回火。
本發明提出通過合理的齒輪母體材料化學成分設計並結合相應的滲碳處理工藝以及最終的熱處理工藝處理，製造出表層為硬貝氏體組織心部為回火馬氏體的高性能齒輪，為基礎機械零部件的製造提供了一種新的工藝技術。
首先對齒輪用鋼原材料的化學成分進行優化設計，一方面保證其淬透性能，使之經過淬火後心部得到馬氏體組織，另一方面保證其表層易於獲得貝氏體組織，並且貝氏體應是無碳化物貝氏體。因此確定含Mn、Si、Al的低碳低合金鋼作為齒輪母體材料，對淬透性要求更高的，可以加入Cr、Ni、Mo、W等元素。在此基礎上，研究了其滲碳工藝，確定適合於不同工況條件的最佳的滲碳層深度和齒輪表層碳成分梯度。研究了滲碳後的熱處理工藝，確定合適的等溫淬火溫度和回火溫度，使處理後的齒輪心部為回火馬氏體組織，而表層為硬貝氏體組織。利用金相和TEM觀察了齒輪表層、過渡層以及母體的組織結構，測試了齒輪表層的硬度梯度的變化規律。利用X射線分析了滲碳層的應力分布，發現了如此處理的齒輪的表層殘餘應力狀態為壓應力，這有利於提高齒輪的抗滾動接觸疲勞性能。測試分析了母體材料組織狀態為回火馬氏體組織時的拉力和衝擊等常規力學性能。系統研究了不同滲碳層深度、成分梯度，並由此獲得的不同表層組織結構梯度的齒輪的滾動接觸疲勞壽命，發現本發明的表層具有硬貝氏體組織的齒輪的滾動接觸疲勞壽命是傳統20CrMnTi鋼滲碳齒輪疲勞壽命的1.5倍。利用摩擦磨損試驗機測試了這種硬貝氏體組織鋼的摩擦磨損性能，發現其抗齒輪使用工礦條件的摩擦磨損性能是滲碳20CrMnTi鋼的1.5倍。
本發明的有益效果是由此心部獲得回火馬氏體而表面為硬貝氏體組織的使用性能優異的齒輪，同時，齒輪的熱處理變形得以顯著減小。在中等應力條件下，其使用壽命比目前廣泛應用的滲碳而後淬火低溫回火20CrMnTi鋼齒輪提高50％以上。
具體實施例方式
實施例1利用本發明製造的港口輸煤系統中使用的齒輪，其母體化學成分是(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，其餘為Fe。該鋼的Ms溫度為368℃。其熱處理工藝為在920℃滲碳3小時，空冷後加熱到880℃保溫1小時，然後直接淬入溫度為250℃的硝鹽中等溫4小時，最後再加熱到200℃進行回火處理。經此熱處理後鋼的表層硬度為HRC60，心部硬度為HRC42，滲碳層深度為1.2mm。這種齒輪應用於港口輸煤系統中，收到很好的使用效果。
實施例2利用本發明製造的煤礦機械重載齒輪，其原材料化學成份(wt.％)為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，其餘為Fe。920℃滲碳4h空冷後加熱到900℃奧氏體化，然後在260℃的流態粒子冷床中等溫淬火10h，最後在180℃回火2h。處理後表面硬度HRC62，心部硬度HRC44。
實施例3利用本發明製造的港口輸煤系統中使用的齒輪，其母體化學成分是(wt％)C 0.16，Mn 1.22，Si 1.32，Al 0.63，Cr 1.36，W 0.66，S 0.013，P0.023，其餘為Fe。該鋼的Ms溫度為326℃。其熱處理工藝為在920℃滲碳4小時，空冷後加熱到880℃保溫1小時，然後直接淬入溫度為240℃的流態粒子冷床中保溫8小時後空冷，最後再加熱到250℃進行回火處理。經此熱處理後鋼的表層硬度為HRC62，心部硬度為HRC40，滲碳層深度為1.5mm。這種齒輪正應用於港口輸煤系統中，使用效果很好。
實施例4利用本發明製造的挖掘機齒輪，其母體化學成分是(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，其餘為Fe。該鋼的Ms溫度為344℃。其熱處理工藝為在920℃滲碳3小時，空冷後加熱到880℃保溫1小時，然後直接淬入溫度為240℃的硝鹽中保溫5小時後空冷，最後再加熱到200℃進行回火處理。經此熱處理後鋼的表層硬度為HRC60，心部硬度為HRC42，滲碳層深度為1.3mm。
權利要求
1.一種表面具有硬貝氏體組織齒輪的製造工藝，其特徵是齒輪的製造工藝為(1)加工齒輪的原材料為系列含鋁滲碳鋼，該系列含鋁滲碳鋼含鋁量為0.5-2.0wt％；(2)將鍛態或者軋態含鋁滲碳鋼機械加工成齒輪，對齒輪表面進行滲碳處理，滲碳工藝為滲碳溫度900℃-950℃、滲碳時間1-5h；(3)然後將齒輪進行最終熱處理，最終熱處理工藝為a.加熱到850℃-920℃進行奧氏體化處理；b.然後在溫度為180℃-350℃的介質中保持0.1-20h後空冷；c.最後在150℃-350℃保溫1-3h回火；(4)經上述工序製作的齒輪的心部為回火馬氏體表面為硬貝氏體組織，且熱處理變形得以顯著減小，在中等應力條件下，其使用壽命比目前廣泛應用的滲碳而後淬火低溫回火20CrMnTi鋼齒輪提高50％以上。
2.根據權利要求1所述的表面具有硬貝氏體組織齒輪的製造工藝，其特徵是系列含鋁滲碳鋼為MnSiAl、MnSiMoAl、MnSiWAl、CrSiMoAl、CrSiWAl、MnCrNiSiMoAl和MnCrNiSiWAl。
全文摘要
本發明公開一種表面具有硬貝氏體組織齒輪的製造工藝。它是一種原材料為含鋁滲碳鋼，含鋁滲碳鋼的含鋁量為0.5－2.0wt％；製造工藝為將鍛態或者軋態含鋁滲碳鋼機械加工成要求的齒輪，對齒輪表面進行滲碳處理，然後將齒輪進行最終熱處理，最終熱處理工藝為加熱到850℃－920℃進行奧氏體化處理，然後在溫度為180℃－350℃的介質中保持0.1－20h後空冷，最後在150℃－350℃保溫1－3h回火。由此心部獲得回火馬氏體而表面為硬貝氏體組織的使用性能優異的齒輪，同時，齒輪的熱處理變形得以顯著減小。在中等應力條件下，其使用壽命比目前廣泛應用的滲碳而後淬火低溫回火20CrMnTi鋼齒輪提高50％以上。
文檔編號F16H55/06GK1944715SQ20061010202
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月13日 優先權日2006年10月13日
發明者張福成, 鄭煬曾, 趙品, 王天生, 張明 申請人:燕山大學