[发明专利]一种齿轮钢20CrMnTiH等温正火处理方法

说明书

技术领域

本发明属于材料热处理领域，特别是涉及一种齿轮钢20CrMnTi等温正处理方法，通过此项热处理工艺处理后，齿轮钢毛坯零件的的组织和硬度得到优化，非常适合用于切屑加工，为后续零件的精加工和热处理提供组织性能保证。

背景技术

汽车生产中，齿轮是必不可少的基本零件。齿轮尤其后桥齿轮变速箱齿轮的质量较低时，会出现装配困难、噪音大及齿面磨损问题。渗碳淬火变形是影响总成质量的原因之一。在影响变形因素中，往往集中在渗碳淬火方面，容易忽视锻坯预先热处理对变形的影响。汽车齿轮、传动轴等这类钢材是汽车用合金结构钢中使用最广、用量最大的钢种之一。目前，各国标准中渗碳钢钢号比较多，汽车齿轮采用的主要是低碳合金钢，其中cr钢、Mn钢和Mo钢用于小尺寸齿轮，Ni钢、Cr-Mn钢、Cr-Mo钢，Mn-Mo钢和Cr-Ni-Mo钢用于尺寸较大的零件。这类产品都需要锻造、预先热处理、切削加工、渗碳、淬火、回火等多道冷热加工工序，获得高表面硬度和好的韧性，使工件耐磨、耐疲劳和耐点蚀。

国内对渗碳钢齿坯采用正火处理，将钢材或钢件加热到临界点Ac3或Acm以上的适当温度，保持一定时间后再空冷，得到珠光体类组织。正火是一种传统的工艺，设备、工艺要求简单，能耗少。不同应用领域，对于材料最终性能要求不同，其等温正火的工艺也会有所不同。例如再CN101487077A中公开了一种风力发电机用齿轮等温正火方法，其最终得到产品硬度为173HBW，晶粒度为7。随着汽车工业的发展，特别是引进车型用钢材料的多样化，普通的正火处理已达不到齿坯预先热处理的目的。齿轮钢正火需要获得比较合适的硬度，一般在150-160HB范围内，过高的硬度容易导致加工困难，甚至出现烧刀，而过低的硬度，容易导致切削的料削粘刀。现行的ZBT4001—88汽车渗碳齿轮金相标准是按锻后奥氏体化正火工艺提出的，要求晶粒度小于5级，实际上目前普遍存在零件切削后表面光洁度差，刀具寿命低，变形波动较大等问题，这些问题与正火显微组织不良，硬度不佳有密切的关系。所以，普通正火处理难以满足要求。不仅要求硬度在一个较窄的范围之内(钢件切削加工时易断屑，表面光洁)，而且要求获得稳定组织(粗铁素体加细珠光体)，以改善加工性能及淬火后变形规律。为了满足要求，需对正火工艺改进，以获得正火所要求的显微组织和硬度范围。

等温正火是指合金钢件经奥氏体化后直接进入等温炉或随炉冷至等温温度保持一定时间使其完成珠光体相变而后出炉空冷的工艺过程，适合于相变温度范围窄的中高碳合金钢种。70年代前无等温正火这个名词，80年代以来出现。合金渗碳齿轮钢锻件的等温处理称为等温正火。齿坯采用等温正火，能对相变进行控制，使相变在等温温度下进行，等温正火能够有效地控制带状组织、马氏体、残奥等组织。

汽车齿轮毛坯其正火工艺一般为930℃奥氏体化，用50min将钢件均匀冷至550℃，再用100min将钢件均匀冷至250℃后空冷，控制较为困难，而且工艺一般不稳定。例如在中国专利CN101429587A中公开了一种轿车差速器齿轮等温正火处理，其仅仅在氮气风冷条件下将锻件降温到600－720摄氏度，并且没有限冷却速度、氮气温度、氮气速度等条件，造成其最终材料性能不稳定，硬度不均匀，合格率低。通常为使锻造余热等温正火获得最佳效果，必须控制三个主要参数，即等温前冷却速度，等温温度及等温保持时间。等温前的冷却速率要保证冷却的均匀性和合理性，既保证获得合理的齿轮钢零件坯料的组织、硬度，又要保证冷却均匀。等温温度决定组织中珠光体的片层形态，进而影响最终的性能，等温时间保证珠光体转变的完整性，防止出现残奥在后期冷却中出现马氏体组织。

本发明基于对齿轮钢20CrMnTiH长期的热处理和用户使用反馈的基础上，深入分析了等温正火工艺对齿坯组织性能，尤其是切削性能、淬火变形规律的影响，最终提出了暖风冷却、分区等温正火的技术思路，非常适合于热处理企业推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种齿轮钢20CrMnTiH等温正火处理方法，解决了现有技术中的上述不足，适用于材料热处理行业，优化加工后的齿轮钢毛坯零件的组织性能。经过本发明工艺处理的齿坯的硬度可以达到165-180HB，珠光体片层间距控制在0.18-0.24μm，带状组织控制在1-1.5级，切削性能良好，淬火后变形能够稳定控制，不合格率基本为零。其工艺步骤如下：