[发明专利]一种圆柱齿轮渗碳淬火方法

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

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。

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：

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Ac3以上，保温后迅速冷却；

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。

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。

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。