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CN111500834A - 一种汽车变速箱用齿轮钢的热处理工艺 - Google Patents

一种汽车变速箱用齿轮钢的热处理工艺 Download PDF

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CN111500834A CN202010461213.XA CN202010461213A CN111500834A CN 111500834 A CN111500834 A CN 111500834A CN 202010461213 A CN202010461213 A CN 202010461213A CN 111500834 A CN111500834 A CN 111500834A
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赵小军
蔡雪贞
徐书成
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Jiangsu Soviet Peak Industry Co ltd
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Abstract

本发明提供了一种汽车变速箱用齿轮钢的热处理工艺，采用正火、粗半精切削加工、渗碳、淬火、低温回火、抛丸清理和加工检验的工序，渗碳过程中增加有预加热和预渗碳工艺，用以清洗钢坯表面附着的杂质、油渍等，使钢坯内外温度一致，为下一步的升温奠定基础，缩短加热时间，减少能耗；控制渗碳过程中的温度以及渗碳时间，以获得平缓的碳浓度分布，减小由于渗碳热处理导致的应力，有效提高钢坯表面的力学性能和耐磨性能，同时控制钢坯成分、加热温度、保温时间、冷却速度等工艺参数，对钢坯进行升、降碳势处理，并优化正火、淬火、回火的流程，缩短了生产周期，降低能源消耗和生产成本，适用于各种规格的汽车变速箱用齿轮钢的生产。

Description

一种汽车变速箱用齿轮钢的热处理工艺
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种汽车变速箱用齿轮钢的热处理工艺。
背景技术
齿轮是变速箱传送机构中最关键的零部件之一，在传动过程中承受冲击载荷的作用，而且在啮合传动过程中，齿面容易产生疲劳点蚀。随着变速箱对传动平稳性、噪音等要求越来越高，对齿轮钢的加工工艺，特别是热处理工艺也提出了更高的要求。现有的汽车变速箱用低磷齿轮钢通过脱磷溢渣等操作有效实现了低磷控制，减少磷化物局部富集，具有良好的切削加工性能，通过表面渗碳处理后可获得高的齿面硬度而心部又有足够的韧性和较高的抗弯曲疲劳强度，承载能力高，使用寿命长。但其在传统的在井式渗碳炉进行渗碳热处理，齿轮钢不可避免地会产生变形，且因为渗碳所需温度较高，奥氏晶粒粗大，残余奥氏体多达8～10％，从而导致齿轮钢耐磨性降低，后续淬火过程中容易出现开裂的问题，且整个热处理过程制备时间长，效率低，能耗高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种汽车变速箱用齿轮钢的热处理工艺，用以改善齿轮钢热处理过程中容易出现开裂的问题，并缩短热处理时间，提高生产效率，降低能耗。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种汽车变速箱用齿轮钢的热处理工艺，包括以下步骤：
(1)正火：加热齿轮钢坯至880～940℃并保温一段时间，之后速冷至680～720℃并保温一段时间，冷却速度为30～50℃/s；
(2)油冷至室温，然后进行粗、半精切削加工；
(3)渗碳：将加工后的钢坯放入可控气氛热处理炉中，经过清洗烘干后在380～420℃温度下预热一段时间，然后进入预渗碳阶段升温至840～880℃保温一段时间，接着第二次升温至880～920℃反应一段时间，反应结束后进行降温，并保温一段时间。
(4)淬火：取出钢坯，将其浸入淬火液中淬火一段时间，淬火过程中不断搅拌，冷却至100～120℃取出钢坯并对其清洗；
(5)低温回火：将清洗后的钢坯放入回火炉中，在160～240℃温度下回火处理一段时间，出炉室温下空冷；
(6)抛丸清理；
(7)加工检验后最终制得汽车变速箱用齿轮钢。
进一步，所述汽车变速箱用齿轮钢坯化学成分以重量百分比计为：C：0.18～0.20％、Si：0.20～0.24％、Mn：0.93～0.97％、P：0～0.012％、S：0～0.01％、Al：0.025～0.030％、Ti：0.03～0.05％、Cr：1.08～1.14％、Ni：0～0.10％，其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步，所述步骤(1)中加热轮钢坯至880～940℃保温0.5～1h，速冷至680～720℃后保温1～2h。
进一步，步骤(3)中钢坯清洗烘干后在380～420℃预热40～60min；所述步骤(3)中钢坯升温至840～880℃预渗碳30～50min；所述步骤(3)中第二次升温过程分为强渗阶段和扩散阶段，强渗阶段的温度控制在900～920℃，扩散阶段的温度控制在860～880℃。
进一步，所述强渗阶段的渗碳时间为200～240min，强渗阶段前半段时间可控气氛热处理炉内的碳势为0.96～1.02％，后半段时间可控气氛热处理炉内的碳势为0.96～1.02％；所述扩散阶段的扩散时间为30～60min，扩散阶段可控气氛热处理炉内的碳势为0.78～0.84％。
进一步，所述步骤(3)中钢坯在反应结束后降温至810～830℃，降温过程中通入氮气，氮气的流量为6～6.5L/h，钢坯在降温结束后保温30～60min。
进一步，所述步骤(4)中钢坯浸入淬火液中淬火15～20min，淬火液为PVP淬火液；所述步骤(4)中钢坯冷却后取出并用汽油对其进行清洗。
进一步，所述步骤(5)中钢坯在160～240℃温度下回火处理2～3h；所述步骤(5)中回火炉为辊底式热处理炉。
本发明的有益效果在于：
1.本发明在渗碳过程中增加有预加热和预渗碳工艺，用以清洗钢坯表面附着的杂质、油渍等，使钢坯内外温度一致，又不破坏内部晶体机构，进而为下一步的升温奠定基础，缩短加热时间，减少能耗；通过控制渗碳过程中的温度以及渗碳时间，以获得平缓的碳浓度分布，减小由于渗碳热处理导致的应力，有效提高钢坯表面的力学性能和耐磨性能，使其表面硬度达到56～60HRC，齿根弯曲疲劳极限达到640～680MPa，避免后续淬火过程中出现开裂的问题。
2.本发明通过控制钢坯成分、加热温度、保温时间、冷却速度等工艺参数，进一步避免在热处理过程中出现开裂报废等现象，使其具有强度高、耐磨性好、热处理变形小的优点；采用可控气氛热处理炉，对钢坯进行升、降碳势处理，并优化正火、淬火、回火的流程，比传统的热处理工艺时间缩短了20～30％，缩短了生产周期，降低能源消耗和生产成本。
附图说明
图1为本发明所述汽车变速箱用齿轮钢的热处理工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。
本发明提供了一种汽车变速箱用齿轮钢的热处理工艺，包括渗碳工艺，所述渗碳工艺包括预热阶段、预渗碳阶段、强渗阶段、扩散阶段、降温阶段和保温阶段，控制所述强渗阶段的温度为900～920℃，强渗阶段前半段时间可控气氛热处理炉内的碳势为0.96～1.02％，后半段时间的碳势为0.78～0.84％，控制所述扩散阶段热处理炉内的碳势为0.78～0.84％，控制扩散阶段的温度控制在860～880℃。
实施例1
本发明提供了一种汽车变速箱用齿轮钢的热处理工艺，包括正火工艺、粗半精切削加工工艺后、渗碳工艺、淬火工艺、低温回火工艺、抛丸清理和加工检验工艺，具体包括以下步骤：
(1)正火工艺中使用的钢坯的化学成分以重量百分比计为：C：0.18％、Si：0.20％、Mn：0.93％、P：0.008％、S：0.005％、Al：0.025％、Ti：0.03％、Cr：1.08％、Ni：0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。正火段的温度880℃，保温0.5h，之后速冷至680℃并保温1h，速冷采用风冷或喷雾冷却的方式，冷却速度为30℃/s；
(2)油冷至室温，然后进行粗、半精切削加工；所述室温指20℃。
(3)所述控制预热阶段的温度为380℃，预热60min；所述预渗碳阶段的温度为840℃，保温30min；所述强渗阶段的温度为900℃，渗碳240min，过程中添加有稀土化合物或氯化物；所述扩散阶段的温度为880℃，扩散时间为30min；所述降温阶段的温度为810℃，并通以6L/h的氮气；所述保温阶段的温度为830℃，保温时间为60min。
(4)取出钢坯，将其浸入淬火液中淬火15min，淬火液为PVP淬火液。
(5)淬火后的钢坯用汽油进行清洗，清洗后放入回火炉中，在160℃温度下回火处理2h，出炉室温下空冷。
(6)对回火后的钢坯进行抛丸清理，再对铸坯表面进行磁粉探伤检查，对超出标准要求的表面缺陷进行修磨处理。
(7)加工检验后最终制得汽车变速箱用齿轮钢。
采用上述工艺得到的汽车变速箱用齿轮钢表面硬度为56HRC，心部硬度为26HRC，齿根弯曲疲劳极限为640MPa，齿轮钢表面硬度和抗磨性能的质量指标均符合相关标准，改善淬火过程中容易出现开裂的问题；同时控制渗碳总工艺时间为7.5h，缩短了热处理时间，提高了生产效率，降低了生产成本，节约了能耗，适用于各种规格的汽车变速箱用齿轮钢的生产。
实施例2
本发明提供了一种汽车变速箱用齿轮钢的热处理工艺，包括正火工艺、粗半精切削加工工艺后、渗碳工艺、淬火工艺、低温回火工艺、抛丸清理和加工检验工艺，具体包括以下步骤：
(1)正火工艺中使用的钢坯的化学成分以重量百分比计为：C：0.19％、Si：0.22％、Mn：0.95％、P：0.01％、S：0.008％、Al：0.027％、Ti：0.04％、Cr：1.10％、Ni：0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。正火段的温度880℃，保温0.8h，之后速冷至700℃并保温1.5h，速冷采用风冷或喷雾冷却的方式，冷却速度为40℃/s；
(2)油冷至室温，然后进行粗、半精切削加工；所述室温指20℃。
(3)所述控制预热阶段的温度为400℃，预热60min；所述预渗碳阶段的温度为860℃，保温30min；所述强渗阶段的温度为910℃，渗碳240min，过程中添加有稀土化合物或氯化物；所述扩散阶段的温度为890℃，扩散时间为30min；所述降温阶段的温度为830℃，并通以6L/h的氮气；所述保温阶段的温度为835℃，保温时间为60min。
(4)取出钢坯，将其浸入淬火液中淬火20min，淬火液为PVP淬火液。
(5)淬火后的钢坯用汽油进行清洗，清洗后放入回火炉中，在200℃温度下回火处理2.5h，出炉室温下空冷。
(6)对回火后的钢坯进行抛丸清理，再对铸坯表面进行磁粉探伤检查，对超出标准要求的表面缺陷进行修磨处理。
(7)加工检验后最终制得汽车变速箱用齿轮钢。
采用上述工艺得到的汽车变速箱用齿轮钢表面硬度为58.4HRC，心部硬度为28.6HRC，齿根弯曲疲劳极限为656MPa，齿轮钢表面硬度和抗磨性能的质量指标均符合相关标准，改善淬火过程中容易出现开裂的问题；同时控制渗碳总工艺时间为7.0h，缩短了热处理时间，提高了生产效率，降低了生产成本，适用于各种规格的汽车变速箱用齿轮钢的生产。
实施例3
本发明提供了一种汽车变速箱用齿轮钢的热处理工艺，包括正火工艺、粗半精切削加工工艺后、渗碳工艺、淬火工艺、低温回火工艺、抛丸清理和加工检验工艺，具体包括以下步骤：
(1)正火工艺中使用的钢坯的化学成分以重量百分比计为：C：0.20％、Si：0.24％、Mn：0.97％、P：0.012％、S：0.01％、Al：0.030％、Ti：0.05％、Cr：1.14％、Ni：0.10％，其余为Fe和不可避免的杂质。正火段的温度880℃，保温01h，之后速冷至720℃并保温2h，速冷采用风冷或喷雾冷却的方式，冷却速度为50℃/s；
(2)油冷至室温，然后进行粗、半精切削加工；所述室温指20℃。
(3)所述控制预热阶段的温度为420℃，预热60min；所述预渗碳阶段的温度为880℃，保温30min；所述强渗阶段的温度为920℃，渗碳240min，过程中添加有稀土化合物或氯化物；所述扩散阶段的温度为900℃，扩散时间为30min；所述降温阶段的温度为850℃，并通以6.5L/h的氮气；所述保温阶段的温度为840℃，保温时间为30min。
(4)取出钢坯，将其浸入淬火液中淬火20min，淬火液为PVP淬火液。
(5)淬火后的钢坯用汽油进行清洗，清洗后放入回火炉中，在200℃温度下回火处理2.5h，出炉室温下空冷。
(6)对回火后的钢坯进行抛丸清理，再对铸坯表面进行磁粉探伤检查，对超出标准要求的表面缺陷进行修磨处理。
(7)加工检验后最终制得汽车变速箱用齿轮钢。
采用上述工艺得到的汽车变速箱用齿轮钢表面硬度为60HRC，心部硬度为27.4HRC，齿根弯曲疲劳极限为680MPa，齿轮钢表面硬度和抗磨性能的质量指标均符合相关标准，改善淬火过程中容易出现开裂的问题；同时控制渗碳总工艺时间为6.5h，缩短了热处理时间，提高了生产效率，降低了生产成本，适用于各种规格的汽车变速箱用齿轮钢的生产。
对比例1
本对比例提供了一种车变速箱用齿轮钢的热处理工艺，所述方法除了步骤(3)的强渗阶段温度、扩散阶段温度为1010℃以及缺少预处理和预渗碳阶段外，其他条件均与实施例1相同。
采用上述方法得到的汽车变速箱用齿轮钢表面硬度为48.7HRC，心部硬度为31.6HRC，齿根弯曲疲劳极限为549Mpa。
对比例2
本对比例提供了一种车变速箱用齿轮钢的热处理工艺，所述方法中步骤(3)除了未采用可控气氛热处理炉控制碳势，其他条件均与实施例2相同。
采用上述方法得到的汽车变速箱用齿轮钢表面硬度为46.9HRC，心部硬度为30.1HRC，齿根弯曲疲劳极限为539Mpa，渗碳总工艺时间为8.5h，耗能约为实施例2耗能的130～150％。
通过实施例1-3以及对比例1-2可以看出，本发明提供的汽车变速箱用齿轮钢的热处理工艺中，渗碳过程的温度以及时间的控制十分重要，只有保证控制渗碳过程中的温度以及时间在本发明权利要求所给出的范围内，才能有效减小渗碳热处理导致的应力，有效提高钢坯表面的力学性能和耐磨性能，避免后续淬火过程中出现开裂的问题，同时对钢坯进行升、降碳势处理，，并优化正火、淬火、回火的流程，缩短了生产周期，降低能源消耗和生产成本。
本发明提供的一种汽车变速箱用齿轮钢可有效提高齿轮钢表面的力学性能和耐磨性能，使表面硬度为60HRC，心部硬度为27.4HRC，齿根弯曲疲劳极限为680MPa，明显优于对比例1和2采用现有技术加工的汽车变速箱用齿轮钢的表面硬度、心部硬度和齿根弯曲疲劳极限；同时可控制渗碳总工艺时间为6.5h，明显低于对比例2中渗碳总工艺时间为8.5h，缩短了生产周期，降低能源消耗和生产成本。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种汽车变速箱用齿轮钢的热处理工艺，其特征在于，所述热处理工艺包括以下步骤：
(1)正火：加热齿轮钢坯至880～940℃并保温，之后速冷至680～720℃并保温，冷却速度为30～50℃/s；
(2)油冷至室温，然后进行粗、半精切削加工；
(3)渗碳：将加工后的钢坯放入可控气氛热处理炉中，经过清洗烘干后在380～420℃温度下预热，然后进入预渗碳阶段升温至840～880℃保温，接着第二次升温至880～920℃反应，反应结束后进行降温，并保温。
(4)淬火：取出钢坯，将其浸入淬火液中淬火，淬火过程中不断搅拌，冷却至100～120℃取出钢坯并对其清洗；
(5)低温回火：将清洗后的钢坯放入回火炉中，在160～240℃温度下回火处理，出炉室温下空冷；
(6)抛丸清理；
(7)加工检验后最终制得汽车变速箱用齿轮钢。
2.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述齿轮钢坯化学成分以重量百分比计为：C：0.18～0.20％、Si：0.20～0.24％、Mn：0.93～0.97％、P：0～0.012％、S：0～0.01％、Al：0.025～0.030％、Ti：0.03～0.05％、Cr：1.08～1.14％、Ni：0～0.10％，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(1)中加热轮钢坯至880～940℃保温0.5～1h，速冷至680～720℃后保温1～2h。
4.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(3)中钢坯清洗烘干后在380～420℃预热40～60min；所述步骤(3)中钢坯升温至840～880℃预渗碳30～50min；所述步骤(3)中第二次升温过程分为强渗阶段和扩散阶段，强渗阶段的温度控制在900～920℃，扩散阶段的温度控制在860～880℃。
5.根据权利要求4所述的热处理工艺，其特征在于，所述强渗阶段的渗碳时间为200～240min，强渗阶段前半段时间可控气氛热处理炉内的碳势为0.96～1.02％，后半段时间可控气氛热处理炉内的碳势为0.96～1.02％；所述扩散阶段的扩散时间为30～60min，扩散阶段可控气氛热处理炉内的碳势为0.78～0.84％。
6.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(3)中钢坯在反应结束后降温至810～830℃，降温过程中通入氮气，氮气的流量为6～6.5L/h，钢坯在降温结束后保温30～60min。
7.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(4)中钢坯浸入淬火液中淬火15～20min，淬火液为PVP淬火液；所述步骤(4)中冷却后取出钢坯并用汽油对其进行清洗。
8.根据权利要求1所述的热处理工艺，其特征在于，所述步骤(5)中钢坯在160～240℃温度下回火处理2～3h；所述步骤(5)中回火炉为辊底式热处理炉。
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