小模数齿轮的热处理方法与流程

本发明涉及齿轮加工技术领域，特别是指一种小模数齿轮的热处理方法。

背景技术：

小模数齿轮是农用机械、减速机、精密机械等设备驱动桥的关键零件，是后驱动桥实现传递扭矩、增大扭矩、改变扭矩的传递方向及降低转速等关键部件。其通过一组齿轮副来实现减速和改变力的传递方向，齿轮副包括主动锥齿轮和从动锥齿轮，两者相啮合来传递动力。低噪音、高传动效率，高精度、高承载能力、低成本将是小模数齿轮发展趋势，目前全国小模数齿轮制造行业每年有100亿元以上的产值，在制造业中占的比例越来越大，随着机械产品精密化、小型化、自动化的发展趋势，小模数齿轮制造业成长性良好。

小模数齿轮在驱动桥的传动扭矩过程中会受到较大的冲击载荷及表面磨损，渗碳热处理过程中的变形控制使齿轮在传动过程中更平稳，噪音更小，使齿轮可以高精度啮合传动，从而可以减少齿轮齿面的磨损，增加它的使用寿命，并且能够有效的保障齿轮在传动过程中更好的发挥作用。

现有的渗碳热处理过程，通常分为3个阶段，如cn103710714a公开了一种汽车变速箱齿轮渗碳淬火的热处理方法，渗碳过程包括从室温升至900±5℃以渗碳，渗碳分为起始阶段、强渗阶段和扩散阶段，起始阶段碳势cp0.95±0.03c％，强渗阶段cp1.06±0.03c％，扩散阶段cp0.85±0.03c％。另外，cn106119507b公开了一种减小齿轮轴键槽变形的热处理工艺，渗碳步骤包括：830±5℃均温20±1min，cp为0.60±0.025c％；900±5℃均温60±1min，cp为0.95±0.025c％；880±5℃均温40±1min，cp为0.80±0.025c％；830±5℃均温35±1min，cp为0.65±0.025c％。上述渗碳工艺步骤及参数的设计并不能满足采用20crmntih材料制备的小模数齿轮在达到规定金相组织标准下减少组织转变应力。

技术实现要素：

本发明提出一种小模数齿轮的热处理方法，减少组织转变应力，产品推料周期缩短了4min，齿形精度保证在8级以内，平面变形控制在0.1mm以内，内孔变形控制在0.08mm以内。

本发明的技术方案是这样实现的：小模数齿轮的热处理方法，小模数齿轮包括主动锥齿轮和与主动锥齿轮配合的从动锥齿轮，从动锥齿轮采用单排连续炉进行渗碳处理，周期为单排30±5min，包括以下步骤：

(1)预处理：将从动锥齿轮放置于料盘架上，并送至预处理炉，预处理炉的温度460±10℃，预处理炉的料盘架料位为3个；

(2)加热一区：从动锥齿轮随料盘架进入加热一区，加热一区的温度为860±5℃，甲醇流量为20±5ml/min，加热一区的料盘架料位为5个；

(3)起始渗碳二区：从动锥齿轮随料盘架进入渗碳二区，渗碳二区的温度为870±5℃，碳势为0.95±0.05％，甲醇流量为25±5ml/min，丙酮流量为20±3ml/min，渗碳二区的料盘架料位为3个；

(4)强渗碳三区：从动锥齿轮随料盘架进入渗碳三区，渗碳三区的温度为880±5℃，碳势为1.05±0.05％，甲醇流量为30±5ml/min，丙酮流量为20±3ml/min，渗碳二区的料盘架料位为5个；

(5)扩散渗碳四区：从动锥齿轮随料盘架进入渗碳四区，渗碳四区的温度为870±5℃，碳势为0.88±0.05％，甲醇流量为25±5ml/min，丙酮流量为0-10ml/min，空气流量为0-1m³/h，渗碳四区的料盘架料位为5个；

(6)淬火渗碳五区：从动锥齿轮随料盘架进入渗碳五区，渗碳五区的温度为830±5℃，碳势为0.8±0.05％，甲醇流量为20±5ml/min，丙酮流量为0-10ml/min，空气流量为0-1m³/h，渗碳五区的料盘架料位为3个。

进一步地，步骤(6)渗碳完成后，从动锥齿轮进行淬火回火处理，包括以下步骤：

1)淬火：介质为y15-ii快速淬火油，温度80±10℃，淬火时间8min；

2)清洗：从动齿轮淬火后进入碱水槽，碱水槽的温度为80±10℃，浸洗10min，然后进入清水槽，清水槽的温度为80±10℃，喷淋8min；

3)回火：温度180±5℃，回火时间5h。

进一步地，从动锥齿轮进行渗碳处理前，先进行等温正火处理，包括以下步骤：

a、将从动锥齿轮放置于料盘架上，送入等温正火炉加热，加热温度为940±10℃，加热时间120-150min；

b、然后从动锥齿轮进行风冷，风冷时间为2-4min，温度从940±10℃降至640±10℃；

c、风冷后的从动锥齿轮在640±10℃的温度下，等温加热200-250min，最后空冷。

进一步地，料盘架包括底板，底板的上端对称设置有竖向的定位桶，定位桶上套装有圆形垫板，圆形垫板上设置有用于套装定位桶的定位孔，圆形垫板的上端沿周向间隔设置有斜槽，斜槽一端位于定位孔处，另一端沿径向倾斜向下延伸至圆形垫板的侧壁上，相邻斜槽之间的圆形垫板上端设置有若干个连通槽，相邻斜槽之间通过连通槽相通。

进一步地，主动锥齿轮采用双排连续炉进行渗碳处理，周期为双排30±5min，包括以下步骤：

(1)预处理：将主动锥齿轮放置于料架上，并送至预处理炉，预处理炉的温度460±10℃，预处理炉的料架料位为3个；

(2)加热一区：主动锥齿轮随料架进入加热一区，加热一区的温度为870±5℃，甲醇流量为20±5ml/min，加热一区的料架料位为10个；

(3)起始渗碳二区：主动锥齿轮随料架进入渗碳二区，渗碳二区的温度为885±5℃，碳势为0.95±0.05％，甲醇流量为25±5ml/min，丙酮流量为20±3ml/min，渗碳二区的料架料位为6个；

(4)强渗碳三区：主动锥齿轮随料架进入渗碳三区，渗碳三区的温度为900±5℃，碳势为1.05±0.05％，甲醇流量为30±5ml/min，丙酮流量为20±3ml/min，渗碳二区的料架料位为10个；

(5)扩散渗碳四区：主动锥齿轮随料架进入渗碳四区，渗碳四区的温度为880±5℃，碳势为0.88±0.05％，甲醇流量为25±5ml/min，丙酮流量为0-10ml/min，空气流量为0-1m³/h，渗碳四区的料架料位为10个；

(6)淬火渗碳五区：主动锥齿轮随料架进入渗碳五区，渗碳五区的温度为820±5℃，碳势为0.8±0.05％，甲醇流量为20±5ml/min，丙酮流量为0-10ml/min，空气流量为0-1m³/h，渗碳五区的料架料位为6个。

本发明的有益效果：

采用本发明的热处理方法，小模数齿轮热处理后齿形精度保证在8级以内，齿轮研齿、配对检验噪音、接触区及传动平稳性均100％合格；小模数齿轮热处理后平面变形控制在0.1mm以内，内孔变形控制在0.08mm以内，通过测量从动锥齿轮的大平面翘曲及内孔椭圆度，从动锥齿轮产品的合格率从79.2％提高到了94.1％。

本发明采用等温正火处理工艺，保证带状0-2级，有利于后续渗碳淬火后组织应力得到极大改善，减小齿轮变形；细小均匀的奥氏体晶粒度对零件的强度、韧性均有特使贡献，特别对提高齿轮的断裂韧性，提高齿轮的脆断抗力具有重要意义，控制淬透性带宽在4hrc以内，在同等条件的渗碳工艺下，产品变形更小，热处理后获得表面及内部组织更好。

本发明的渗碳热淬火处理工艺在达到规定金相组织标准下减少组织转变应力，淬火后获得更好的内部组织，产品推料周期缩短了4min，减少了应力变形，通过测量从动锥齿轮的大平面翘曲及内孔椭圆度，从动锥齿轮产品的合格率从79.2％提高到了94.1％。

本发明的料盘架取消了漏油孔，减小了料盘架在热处理的变形，将直槽改为斜槽，斜槽有利于排油，通过连通槽连通相邻的斜槽，有利于周向均匀排油。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明从动锥齿轮的结构示意图；

图2为从动锥齿轮的等温正火工艺图；

图3为实施例一等温正火后的珠光体组织的金相图；

图4为实施例一等温正火后的从动锥齿轮的内部晶粒金相图；

图5为主动锥齿轮的结构示意图；

图6为实施例一从动锥齿轮齿顶的碳化物组织的金相图；

图7为实施例一从动锥齿轮齿面的奥氏体及马氏体组织的金相图

图8为实施例一从动锥齿轮内部的心部铁素体组织的金相图；

图9为圆形垫板的结构示意图；

图10为图9中a-a的剖视图；

图11为料盘架的结构示意图；

图12为料盘架的俯视图。

圆形垫板1，定位孔2，斜槽3，连通槽4，底板5，定位桶6，从动锥齿轮7。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

小模数齿轮的热处理方法，小模数齿轮的材质采用20crmntih，20crmntih的化学成分质量百分比如下表所示：

20crmntih的非金属夹杂物：

包

与cgma001-2004车辆齿轮用钢技术条件中规定相比，本发明的20crmntih降低了氧百分含量，限制了s百分含量的下限，降低了非金属夹杂物的尺寸、数量等，氧化物夹杂物是疲劳裂纹源，降低含氧量，从而使非金属夹杂物含量随之降低，提到钢的冲击韧性和齿轮的疲劳强度。

小模数齿轮括主动锥齿轮和与主动锥齿轮配合的从动锥齿轮，从动锥齿轮采用单排连续炉进行渗碳处理，炉压(水柱高度差)6-10mm，周期为单排30±5min，包括以下步骤：

(1)预处理：将从动锥齿轮放置于料盘架上，并送至预处理炉，预处理炉的温度460±10℃，预处理炉的料盘架料位为3个；预处理的作用，去除产品表面水渍、油脂等，产品预先加热可减小产品与主炉温度差，减小产品变形；

(2)加热一区：从动锥齿轮随料盘架进入加热一区，加热一区的温度为860±5℃，甲醇流量为20±5ml/min，加热一区的料盘架料位为5个；

(3)起始渗碳二区：从动锥齿轮随料盘架进入渗碳二区，渗碳二区的温度为870±5℃，碳势为0.95±0.05％，甲醇流量为25±5ml/min，丙酮流量为20±3ml/min，渗碳二区的料盘架料位为3个；

(4)强渗碳三区：从动锥齿轮随料盘架进入渗碳三区，渗碳三区的温度为880±5℃，碳势为1.05±0.05％，甲醇流量为30±5ml/min，丙酮流量为20±3ml/min，渗碳二区的料盘架料位为5个；

(5)扩散渗碳四区：从动锥齿轮随料盘架进入渗碳四区，渗碳四区的温度为870±5℃，碳势为0.88±0.05％，甲醇流量为25±5ml/min，丙酮流量为0-10ml/min，空气流量为0-1m³/h，渗碳四区的料盘架料位为5个；

(6)淬火渗碳五区：从动锥齿轮随料盘架进入渗碳五区，渗碳五区的温度为830±5℃，碳势为0.8±0.05％，甲醇流量为20±5ml/min，丙酮流量为0-10ml/min，空气流量为0-1m³/h，渗碳五区的料盘架料位为3个。

步骤(1)-(6)，各个阶段的处理时间为料盘架料位数×周期时间。

实施例一采用步骤(3)-(6)，采用丙酮，与丙烷相比，丙酮在高温裂解下产生更多的活性炭原子，且杂质气氛少，通过控制流量，从而控制炉内碳势，保证碳化物含量及渗碳层深度。

步骤(5)-(6)，丙酮流量和空气流量的控制，根据炉内的碳势，当碳势较低时，增加丙酮流量，关闭空气阀门，碳势较高停止通入丙酮，打开空气阀门，稀释碳浓度。

步骤(6)渗碳完成后，从动锥齿轮进行淬火回火处理，包括以下步骤：

1)淬火：介质为y15-ii快速淬火油，温度80±10℃，淬火时间8min；

2)清洗：从动齿轮淬火后进入碱水槽，碱水槽的温度为80±10℃，浸洗10min，然后进入清水槽，清水槽的温度为80±10℃，喷淋8min；

3)回火：温度180±5℃，回火时间5h。

从动锥齿轮淬火回火处理后，进行强力喷丸处理，采用机械离心式喷丸设备进行喷丸，弹丸材质采用陶瓷弹丸，弹丸显微硬度为660hv-750hv，弹丸直径为0.25-0.75mm，喷嘴到从动锥齿的距离为120-150mm，喷丸流量为1.0-2.5kg/min，喷丸时间为6-7min，喷射角度θ＝40°-65°。采用本强力喷丸工艺，对从动锥齿轮的强力喷丸检验，喷丸强度的弧高值为0.5-0.6mma，表面覆盖率≥200％。采用强力抛丸工艺，将切削刀痕尖角打平，使齿面更加圆滑，同时抛丸产生的压应力减小了齿面组织转变产生的拉应力，提高齿轮疲劳断裂抗力和应力腐蚀断裂抗力，其结果使齿轮的可靠性和耐久性获得提高。

实施例一至四从动锥齿轮采用的20crmntih的化学成分质量百分比如下表所示：

实施例一至四20crmntih的非金属夹杂物：

实施例一所述的热处理工艺制备的从动锥齿轮，对从动齿轮进行以下检测：采用洛氏硬度计(hr-150dt)进行表面硬度和心部硬度的检测，采用金相显微镜(wy-c)进行金相组织检测，实施例一的金相组织图见图6-8。

采用显微硬度计(h1/s-1000)对实施例一的硬化深度进行检验，硬化深度为0.9mm。

对比例一

本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于：20crmntih氧的质量百分数为

20crmntih的非金属夹杂物：

周期为单排34±5min，步骤(3)起始渗碳二区：渗碳二区的温度为860±5℃；步骤(4)强渗碳三区：渗碳三区的温度为870±5℃；步骤(5)扩散渗碳四区：渗碳四区的温度为865±5℃。

本发明实施例一所述的渗碳处理工艺与对比例一相比，本发明通过对氧百分含量、非金属夹杂物的控制，在渗碳过程中即使温度有所提高但组织应力较之前小，热处理后产品变形情况较对比例一明显好转；同时由于提高了渗碳温度从而减少了渗碳时间。在达到规定金相组织标准下减少组织转变应力，本发明的产品推料周期缩短了4min，一定程度上减少了变形，通过测量从动锥齿轮的大平面翘曲及内孔椭圆度，从动锥齿轮产品的合格率从79.2％提高到了94.1％。

实施例五

实施例一至四中所述的从动锥齿轮进行渗碳处理前，先进行等温正火处理，包括以下步骤：

a、将从动锥齿轮放置于料盘架上，送入等温正火炉加热，加热温度为940±10℃，加热时间120-150min，该步骤用于从动锥齿轮的加热与奥氏体均匀化；

b、然后从动锥齿轮进行风冷，风冷时间为2-4min，温度从940±10℃降至640±10℃；

c、风冷后的从动锥齿轮在640±10℃的温度下，等温加热200-250min，最后空冷。

等温正火炉采用周期式推料，工作周期是16min，120-150min是从动锥齿轮进入炉膛至从动锥齿轮进入风冷前的时长，等温正火工艺相比于普通正火工艺能够均匀一致的显微组织和硬度，能够可靠地获得良好切削加工性能和稳定的淬火变形规律。

从动锥齿轮经等温正火处理后，采用布什硬度计进行硬度检测，采用金相显微镜进行金相组织和晶粒度的检测，具体检测结果如下表，实施例一金相组织及晶粒度的金相图见图3和4：

实施例一的低倍组织级别为

正火后从动锥齿轮的带状组织直接决定了热后产品的变形情况，采用实施例五所述的等温正火处理工艺，保证带状0-2级，有利于后续渗碳淬火后组织应力得到极大改善，减小齿轮变形；细小均匀的奥氏体晶粒度对零件的强度、韧性均有特使贡献，特别对提高齿轮的断裂韧性，提高齿轮的脆断抗力具有重要意义，控制淬透性带宽在4hrc以内，在同等条件的渗碳工艺下，产品变形更小，热处理后获得表面及内部组织更好。

实施例六

实施例一至四所述的料盘架包括底板5和圆形垫板1，圆形垫板1上设有同轴线的定位孔2，圆形垫板1的上端沿周向间隔设有斜槽3，斜槽3一端位于定位孔2处，另一端沿径向倾斜向下延伸至圆形垫板1的侧壁上，相邻斜槽3之间的圆形垫板1上端从内向外设置有3个弧形的连通槽4，相邻斜槽3之间通过连通槽4相通。

底板5的上端固定有竖向的定位桶6，定位桶6包括2个，对称固定于底板5的上端。圆形垫板1通过定位孔2套装在定位桶6上，且置于底板5的上端。圆形垫板的厚度为30mm，外圆直径为250mm。

本实施例的使用方法：将圆形垫板1通过定位孔2套装在定位桶6上，圆形垫板1的下端置于底板5的上端，然后将多个从动锥齿轮7沿竖向套装在定位桶6上即可。通过斜槽3进行排油，连通槽4连通相连的斜槽3，便于周向均匀排油；使用时将垫板放置于底板5上，将从动锥齿放置于垫板上。

现有的从动锥齿轮料盘架的垫板通常采用通用盆齿垫板，接触面处为直通平槽和漏油孔，由于需要兼顾多个品种产品，垫板内孔偏大，且垫板上漏油孔会使垫板在热处理过程中产生变形。而且从动锥齿轮装盘数量少，不利于大批量从动锥齿轮的热处理。实施例三的圆形垫板取消了漏油孔，减小了料盘架在热处理的变形，将直槽改为斜槽，斜槽有利于排油，通过连通槽连通相邻的斜槽，有利于周向均匀排油，保证了产品热处理时有足够的支撑面且在淬火过程中能够及时冷却；圆形垫板的厚度为30mm，外圆直径为250mm，可以在底板上对称放置两垛，与以前料盘架相比增加一倍装盘量，而且又有利于保证圆形垫板的强度，避免变形。

实施例七

实施例一至四所述的主动锥齿轮采用双排连续炉进行渗碳处理，炉压(水柱高度差)6-10mm，周期为双排30±5min，包括以下步骤：

(1)预处理：将主动锥齿轮放置于料架上，并送至预处理炉，预处理炉的温度460±10℃，预处理炉的料架料位为3个；

(2)加热一区：主动锥齿轮随料架进入加热一区，加热一区的温度为870±5℃，甲醇流量为20±5ml/min，加热一区的料架料位为10个；

(3)起始渗碳二区：主动锥齿轮随料架进入渗碳二区，渗碳二区的温度为885±5℃，碳势为0.95±0.05％，甲醇流量为25±5ml/min，丙酮流量为20±3ml/min，渗碳二区的料架料位为6个；

(4)强渗碳三区：主动锥齿轮随料架进入渗碳三区，渗碳三区的温度为900±5℃，碳势为1.05±0.05％，甲醇流量为30±5ml/min，丙酮流量为20±3ml/min，渗碳二区的料架料位为10个；

(5)扩散渗碳四区：主动锥齿轮随料架进入渗碳四区，渗碳四区的温度为880±5℃，碳势为0.88±0.05％，甲醇流量为25±5ml/min，丙酮流量为0-10ml/min，空气流量为0-1m³/h，渗碳四区的料架料位为10个；

(6)淬火渗碳五区：主动锥齿轮随料架进入渗碳五区，渗碳五区的温度为820±5℃，碳势为0.8±0.05％，甲醇流量为20±5ml/min，丙酮流量为0-10ml/min，空气流量为0-1m³/h，渗碳五区的料架料位为6个。

步骤(1)-(6)，各个阶段的处理时间为料盘架料位数×周期时间。

步骤(6)渗碳完成后，主动锥齿轮进行淬火回火处理，包括以下步骤：

1)淬火：介质为y15-ii快速淬火油，温度80±10℃，淬火时间8min；

2)清洗：从动齿轮淬火后进入碱水槽，碱水槽的温度为80±10℃，浸洗10min，然后进入清水槽，清水槽的温度为80±10℃，喷淋8min；

3)回火：温度180±5℃，回火时间5h。

对比例二

本实施例与实施例七基本相同，不同之处在于：20crmntih氧的质量百分数为

20crmntih的非金属夹杂物：

周期为双排34±5min，步骤(3)起始渗碳二区：渗碳二区的温度为880±5℃；(4)强渗碳三区：渗碳三区的温度为890±5℃；(5)扩散渗碳四区：渗碳四区的温度为870±5℃；

本发明实施例四与对比例二相比，缩短了周期时间，提到了生产效率，而且主动锥齿轮的杆部跳动在渗碳热处理后明显减小，减少渗碳热处理后主动锥齿轮的杆部校直工作量，且金相组织全部可以达到2级以下。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。