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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410720449.5(22)申请日 2014.12.02C23F 17/00(2006.01)C21D 1/18(2006.01)C21D 9/32(2006.01)C23C 8/22(2006.01)(71)申请人 南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司地址 213011 江苏省常州市戚墅堰区五一路258 号(72)发明人 陈强 刘康 吴刚 刘聪敏(74)专利代理机构 南京苏科专利代理有限责任公司 32102代理人 何朝旭(54) 发明名称一种圆柱齿轮渗碳淬火方法(57) 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。
2、。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。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书5页 附图1页(10)申请公布号 CN 104498965 A(43)申请公布日 2015.04.08CN 104498965 A1/。
3、1 页21.一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 -50 ；第二步、再预热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 Ac1 以下 20 -30 ；第三步、渗碳操控渗碳炉，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、高温回火将渗碳完成后的圆柱齿轮加热到 500 -650，保温后出炉冷却；第五步、淬火处理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。
4、后迅速冷却 ；第六步、低温回火将淬火后的圆柱齿轮加热到 150 -250，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/255)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。
5、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。权 利 要 求 书CN 104498965 A1/5 页3一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。
6、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。
7、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。
8、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 -50 ；0008 第二步、再预热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 Ac1 以下 20 -30 ；0009 第三步、渗碳操控渗碳炉，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 。
9、；说 明 书CN 104498965 A2/5 页40010 第四步、高温回火将渗碳完成后的圆柱齿轮加热到500-650，保温后出炉冷却 ；0011 第五步、淬火处理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、低温回火将淬火后的圆柱齿轮加热到 150 -250，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。
10、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 Ac1 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。
11、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。
12、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) 工艺简单针对圆。
13、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 ；说 明 书CN 104498965 A3/5 页50021 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。附图说明。
14、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 Ac1 点为 738，Ac3 点为 815，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 -。
15、 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。研究表明，上述钢材在加热至 500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。
16、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。
17、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 根据上述研究分析结果，申请人提出了如下圆柱齿轮热处理步骤 ：初预热 - 再预说 明 书CN 104498965 A4/5 页6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、。
18、初预热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10-50，由于18CrNiMo7-6的弹塑性转变温度为500，则第一温度控制在510 -550，本实施例中初预热温度为 520。第一时间 t 按 t (30H/255)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、再预热升温至。
19、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 Ac1 以下 20 -30，18CrNiMo7-6 的 Ac1 为 738，则第二温度控制在708 -718，本实施例中再预热温度为 710，所述第二时间的计算与第一时间相同。0038 第三步、渗碳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出炉空冷。0039 第四步、高温回火将渗碳完成后的圆柱齿轮加。
20、热到500-650，本实施例高温回火温度为 640 10，保温第一时间 t 加 2 小时后出炉冷却。0040 第五步、淬火处理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 10 -30，18CrNiMo7-6Ac3 为 815，因此加热至 825 -845，本实施例淬火温度为 830，保温第一时间 t 后迅速冷却。0041 第六步、低温回火将淬火后的圆柱齿轮加热到 170 -240，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。
21、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入炉，快速升温至 920进行渗碳处理，渗碳完成后随炉冷至 860出炉空冷，然后在 640高温回火，再以原装炉方式重新入炉直接升温至 830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 说 明 书CN 104498965 A5/5 页70045 表 2 本实施例齿轮的热处理变形0046 0047 0048 从表1和表2的数据可以看出，采用本发明的方法后，低碳合金钢圆柱齿轮渗碳后墩粗效应明显减小，外径和公法线变化减小，虽由于高温蠕变和炉膛温度的不均匀仍有部分齿轮出现了一定的锥度，但经反置淬火后锥度基本消除，获得了理想的抑制热处理变形的效果。0049 实践证明，采用本发明方法进行渗碳淬火处理的圆柱齿轮，由于分别针对圆柱齿轮热处理各阶段的主要变形原因采取了相应措施，因此有效避免了变形，从而允许设计时减小齿轮磨齿余量及磨齿时间，为进一步降低此类圆柱齿轮的制造成本创造了条件。0050 以上说明以及特定的实施例只是本发明的优选实施方式，本领域的技术人员，可据此进行变更以及改进。说 明 书CN 104498965 A1/1 页8图1图2图3图4图5说 明 书 附 图CN 104498965 A。