一种高强度合金钢锥齿轮的热处理方法

技术领域

本发明涉及锥齿轮生产技术领域，尤其涉及一种高强度合金钢锥齿轮的热处理方法。

背景技术

汽车驱动桥主减速器主/从动锥齿轮是整个驱动桥的核心动力传输部件，主/从动锥齿轮广泛地用于中、重型汽车驱动桥，整个动力传输链如下：发动机输出动力，经传动轴将动力传给主动锥齿轮，主动锥齿轮带动从动锥齿轮啮合传动，通过减速增扭，将更大动力传给从动锥齿轮，从动锥齿轮带动差速器壳总成转动，借助左右两个半轴齿轮将动力传递给左右半轴，左右半轴带动左右车轮转动，汽车行驶。

为了满足客户需要，需要对主从动锥齿轮的强度及使用寿命进一步提高。20Cr2Ni4A为一种高强度耐磨合金钢，具有优异的耐疲劳性能和耐腐蚀性能，用20Cr2Ni4A生产主从动锥齿轮能使锥齿轮的性能及使用寿命进一步得到提高，但是这种高强度合金钢在热处理过程中容易存在组织均匀性差的问题，容易导致产品硬度不均匀、组织均匀性差、力学性能下降。基于上述问题，急需研究一种高强度合金钢锥齿轮的热处理方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高强度合金钢锥齿轮的热处理方法，本发明将工件先进行加热预处理，再继续加热至870-890℃再进行渗碳，渗碳分为加热升温阶段、强渗阶段、扩散阶段和降温均温阶段，本发明对工件逐步提升温度后再进行渗碳处理，并通过合理控制渗碳各个阶段的温度及碳势，并配合通入合适流量的天然气、甲醇和氮气，使产品表面硬度、有效硬化层等性能指标达到要求。工件渗碳处理后，依次经过一次低温回火、高温回火、二次加热后再进行淬火、二次低温回火。本发明通过合理控制一次低温回火、高温回火、二次加热和二次低温回火中的温度、保温时间等工艺参数，使产品的内部组织更加均匀。本发明通过各个步骤的协同配合使制备得到的产品组织均匀性高，产品表面硬度、马氏体级别和残余奥氏体级别均能达到要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种高强度合金钢锥齿轮的热处理方法，包括如下步骤：

(1)将工件放入加热炉中加热预处理，先加热至温度为470-490℃，然后继续加热至温度为870-890℃；

(2)将预处理后的工件进行渗碳，渗碳包括加热升温阶段、强渗阶段、扩散阶段和降温均温阶段；加热升温阶段的温度为890-910℃，碳势为1.05±0.1C％；强渗阶段的温度为910-920℃，碳势为1.15±0.1C％；扩散阶段的温度为870-890℃，碳势为0.9±0.1C％；降温均温阶段的温度为830-850℃，碳势为0.8±0.1C％；

(3)渗碳完成后将工件空冷至室温，再升温进行一次低温回火；

(4)一次低温回火后将工件冷却，再升温进行高温回火，高温回火的温度为640-660℃，碳势为0.8±0.1C％；

(5)高温回火后将工件冷却至室温，再升温进行二次加热，二次加热的温度为700-720℃，碳势为0.8±0.1C％；

(6)二次加热完成后将工件进行淬火、二次低温回火。

优选的，步骤(1)中，加热至470-490℃后，保温100-120min；加热至870-890℃后，保温100-120min。

优选的，步骤(2)中，渗碳时向加热炉中通入天然气、甲醇和氮气，天然气的通入流量为0.3-1.0m

优选的，步骤(2)中，渗碳过程中，加热升温阶段的时间为140-150min，强渗阶段的时间为280-300min，扩散阶段的时间为280-300min，降温均温阶段的时间为220-240min。

优选的，高温回火和二次加热时向加热炉中通入天然气、甲醇和氮气，天然气的通入流量为0.3-1.0m

优选的，步骤(3)中，空冷时通氮气作为保护气。

优选的，步骤(4)中，一次低温回火后将工件冷却至70℃，并保温3h。

优选的，步骤(4)中，高温回火的保温时间为220-240min，升温速度为50℃/h。

优选的，步骤(5)中，二次加热的保温时间为100-120min，升温速度为50℃/h。

优选的，步骤(6)中，淬火是将工件放入温度为70-100℃的淬火油中冷却。

优选的，步骤(6)中，二次低温回火温度为170-190℃，时间为3h。

优选的，工件淬火后先进行清洗再进行二次低温回火，清洗时利用70-90℃的清洗液清洗。

优选的，清洗液为5％的碳酸钠水溶液。

优选的，锥齿轮的材质为20Cr2Ni4A。

本发明的第二方面，提供利用上述热处理方法制备得到的锥齿轮。

本发明的有益效果为：

1、本发明将工件先进行加热预处理，再继续加热至870-890℃再进行渗碳，渗碳分为加热升温阶段、强渗阶段、扩散阶段和降温均温阶段，本发明对工件逐步提升温度后再进行渗碳处理，并通过合理控制渗碳各个阶段的温度及碳势，并配合通入合适流量的天然气、甲醇和氮气，使产品表面硬度、有效硬化层均达到要求。

2、工件渗碳处理后，依次经过一次低温回火、高温回火、二次加热后再进行淬火、二次低温回火，本发明通过合理控制一次低温回火、高温回火、二次加热和二次低温回火中的温度、保温时间等工艺参数，使产品的内部组织更加均匀。本发明通过各个步骤的协同配合使制备得到的产品组织均匀性高，提高了产品的合格率，使产品表面硬度、马氏体级别和残余奥氏体级别均能达到要求。

附图说明

图1为本发明齿轮一处节圆位置放大400X的金相图；

图2为本发明齿轮一处节圆位置放大400X的金相图；

图3为本发明齿轮一处节圆位置放大400X的金相图；

图4为本发明齿轮一处节圆位置放大400X的金相图；

图5为本发明齿轮一处节圆位置放大400X的金相图；

图6为本发明齿轮一处节圆位置放大400X的金相图；

图7为本发明的产品照片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

实施例1：一种高强度合金钢锥齿轮的热处理方法，包括如下步骤：

(1)将工件放入加热炉中加热预处理，先加热至温度为470℃，保温时间为120min，继续加热至温度为870℃，保温时间为120min，工件的材质为20Cr2Ni4A；

(2)将预处理后的工件进行渗碳，渗碳包括加热升温阶段、强渗阶段、扩散阶段和降温均温阶段；加热升温阶段的温度为910℃，碳势为1.05±0.1C％，时间为140min，强渗阶段的温度为920℃，碳势为1.15±0.1C％，时间为280min，扩散阶段的温度为890℃，碳势为0.9±0.1C％，时间为280min，降温均温阶段的温度为850℃，碳势为0.8±0.1C％，时间为220min；渗碳时向加热炉中通入天然气、甲醇和氮气，天然气的通入流量为0.3-1.0m

(3)渗碳完成后将工件空冷至室温，空冷时通氮气作为保护气，再升温进行一次低温回火；

(4)一次低温回火后将工件冷却至70℃，并保温3h，再升温进行高温回火，升温速度为50℃/h，高温回火的温度为660℃，保温时间为220min，碳势为0.8±0.1C％；

(5)高温回火后将工件冷却至室温，再升温进行二次加热，升温速度为50℃/h，二次加热的温度为720℃，保温时间为100min，碳势为0.8±0.1C％；

高温回火和二次加热时向加热炉中通入天然气、甲醇和氮气，天然气的通入流量为0.3-1.0m

(6)二次加热完成后将工件进行淬火、二次低温回火，淬火是将工件放入温度为70-100℃的淬火油中冷却，工件淬火后先进行清洗再进行二次低温回火，清洗时利用70-90℃的5％的碳酸钠水溶液进行清洗；二次低温回火温度为190℃，时间为3h。

经检测，经过上述方法处理后的工件，其表面硬度为61HRC，心部硬度为40HRC，有效硬化层1.8mm，表面0.1mm处硬度688HV，表面非马组织深度0.02mm，碳化物级别1级，马氏体级别3级，残余奥氏体级别3级。

实施例2：一种高强度合金钢锥齿轮的热处理方法，包括如下步骤：

(1)将工件放入加热炉中加热预处理，先加热至温度为490℃，保温时间为100min，继续加热至温度为890℃，保温时间为100min，工件的材质为20Cr2Ni4A；

(2)将预处理后的工件进行渗碳，渗碳包括加热升温阶段、强渗阶段、扩散阶段和降温均温阶段；加热升温阶段的温度为910℃，碳势为1.05±0.1C％，时间为140min，强渗阶段的温度为910℃，碳势为1.15±0.1C％，时间为280min，扩散阶段的温度为890℃，碳势为0.9±0.1C％，时间为280min，降温均温阶段的温度为850℃，碳势为0.8±0.1C％，时间为220min；渗碳时向加热炉中通入天然气、甲醇和氮气，天然气的通入流量为0.3-1.0m

(3)渗碳完成后将工件空冷至室温，空冷时通氮气作为保护气，再升温进行一次低温回火；

(4)一次低温回火后将工件冷却至70℃，并保温3h，再升温进行高温回火，升温速度为50℃/h，高温回火的温度为640℃，保温时间为240min，碳势为0.8±0.1C％；

(5)高温回火后将工件冷却至室温，再升温进行二次加热，升温速度为50℃/h，二次加热的温度为700℃，保温时间为120min，碳势为0.8±0.1C％；

高温回火和二次加热时向加热炉中通入天然气、甲醇和氮气，天然气的通入流量为0.3-1.0m

(6)二次加热完成后将工件进行淬火、二次低温回火，淬火是将工件放入温度为70-100℃的淬火油中冷却，工件淬火后先进行清洗再进行二次低温回火，清洗时利用70-90℃的5％的碳酸钠水溶液进行清洗；二次低温回火温度为170℃，时间为3h。

经检测，经过上述方法处理后的工件，其表面硬度60HRC，心部硬度为38HRC，有效硬化层2.0mm，表面0.1处硬度685HV，表面非马组织深度0.02mm，碳化物级别2级，马氏体级别2级，残余奥氏体级别3级。

实施例3：一种高强度合金钢锥齿轮的热处理方法，包括如下步骤：

(1)将工件放入加热炉中加热预处理，先加热至温度为480℃，保温时间为110min，继续加热至温度为880℃，保温时间为110min，工件的材质为20Cr2Ni4A；

(2)将预处理后的工件进行渗碳，渗碳包括加热升温阶段、强渗阶段、扩散阶段和降温均温阶段；加热升温阶段的温度为900℃，碳势为1.05±0.1C％，时间为145min，强渗阶段的温度为920℃，碳势为1.15±0.1C％，时间为290min，扩散阶段的温度为880℃，碳势为0.9±0.1C％，时间为290min，降温均温阶段的温度为840℃，碳势为0.8±0.1C％，时间为230min；渗碳时向加热炉中通入天然气、甲醇和氮气，天然气的通入流量为0.3-1.0m

(3)渗碳完成后将工件空冷至室温，空冷时通氮气作为保护气，再升温进行一次低温回火；

(4)一次低温回火后将工件冷却至70℃，并保温3h，再升温进行高温回火，升温速度为50℃/h，高温回火的温度为650℃，保温时间为230min，碳势为0.8±0.1C％；

(5)高温回火后将工件冷却至室温，再升温进行二次加热，升温速度为50℃/h，二次加热的温度为710℃，保温时间为110min，碳势为0.8±0.1C％；

高温回火和二次加热时向加热炉中通入天然气、甲醇和氮气，天然气的通入流量为0.3-1.0m

(6)二次加热完成后将工件进行淬火、二次低温回火，淬火是将工件放入温度为70-100℃的淬火油中冷却，工件淬火后先进行清洗再进行二次低温回火，清洗时利用70-90℃的5％的碳酸钠水溶液进行清洗；二次低温回火温度为180℃，时间为3h。

经检测，经过上述方法处理后的工件，其表面硬度61.5HRC，心部硬度为45HRC，有效硬化层2.2mm，表面0.1处硬度695HV，表面非马组织深度0.02mm，碳化物级别2级，马氏体级别1级，残余奥氏体级别2级。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。