齿轮热表处理.doc

齿轮表面淬火齿轮表面淬火1.表面淬火齿轮的技术条件a.硬化层分布形式 b.硬化层及心部技术条件2.齿轮的火焰表面淬火2.1齿轮火焰加热烧嘴2.2火焰加热淬火工艺a.预备热处理：火焰淬火齿轮的预备热处理一般采用调质，要求不高的齿轮也可采用正火处理。b.火焰加热淬火工艺参数3.齿轮的感应加热淬火3.1感应加热的频率特性不同频率电流透入深度不同，在根据淬硬层深度选择频率，制作感应器选择施感导体壁厚以及选择导磁体材料时都与高频电流的透入深度有关。3.2全齿套圈感应加热淬火a.最佳电流频率的选择b.感应圈（1）感应圈的结构尺寸（2）感应圈的喷孔设计c.电热规范的选择（1）加热功率的确定（2）设备功率（3）感应加热电源设备的选择（4）加热和冷却规范3.3齿轮的单齿淬火a.单齿同时加热淬火b.单齿连续加热淬火34齿轮沿齿加热淬火a.V形感应器沿齿沟淬火b.形感应器沿齿轮沟淬火c.沿齿沟淬火的冷却3.5低淬透性钢齿轮的感应淬火模数2.58mm的齿轮采用沿齿沟淬火比较困难，而套圈加热淬火后不是将整个齿淬透，就是只能淬到节圆以下约2/3的齿高处。为了克服工艺上的这种困难而研制了低淬透性钢。采用低淬透钢代替部分渗氮齿轮，可以节约能源，在齿轮生产上具有一定意义。目前较常用的低淬透性钢有三种：55Ti、60Ti、70Ti。a.预备热处理：低淬透性钢的预备热处理一般采用正火工艺，正火工艺规范的选择根据低渗透性钢的临界点及晶粒长大倾向来制定。b.淬火工艺（1）.频率选择在生产中，常用频率不匹配而难于实现沿齿廓的硬化层分布，为此可采取一些补救的措施。一种是采用低的比功率，间断加热方法，以使齿轮能获得足够的加热深度而齿顶又不加热。另一种方式是加热到齿根接近淬火温度的一瞬间，迅速接通自动附加电容，强化齿根加热，当加热深度达到要求时立即淬火。 （2）.淬火温度及加热温度低淬火透性钢的上临界点较低，淬火温度通常控制在830850之间。加热速度不宜过大，以避免齿顶与齿根温度差悬殊，通常采用0.30.5kW/cm2的比功率。（3）.冷却低淬透性钢的临界冷却速度很高，达4001000，所以要求淬火冷却速度很高。为了取得良好的冷却效果，可以采取相应措施。为了避免开裂，可采用5%15%的PAG水溶液淬火。3.6表面淬火齿轮的变形a.全齿淬火齿轮的变形b.减少齿轮表面淬火变形的一般性措施 齿轮调质齿轮调质1.调质齿轮副的硬度选配调质齿轮的硬度配合要合适2齿轮钢材调质硬度的确定调质齿轮淬火后的最低硬度主要决定于所要求的强度，并考虑有足够的韧性。齿轮所需强度越高，相应其硬度也就要求越高，因此淬火时马氏体转变就应当越完全。相对硬度值的大小对调质钢的强度、塑性和韧性有影响，特别是在高强度时这种影响就显得更大。3齿轮钢材的调质深度较大齿轮调质淬火时，由于受到钢材淬透性和冷却条件的限制。往往很难使整个截面淬透。不同种类的钢材，在不同冷却条件下，根据截面尺寸大小的不同，其催透深度是不一样的。4.大模数齿轮的开齿调质大模数齿轮采用整体毛坯调质，由于受到钢材淬透性的限制，往往在齿根部位不能获得要求的调质组织和硬度，因此，当齿轮模数较大时，如碳素钢齿轮模数大于12时应采用先开齿再调质的工艺。采用开齿调质，由于改善了齿部的冷却条件，可以采用催透性较低的含合金元素少的钢材，从而降低成本。齿轮热处理齿轮热处理主要包括：调质、表面淬火、渗碳和碳氮共渗以及渗氮等工业 齿轮热处理：渗碳淬火渗碳淬火齿轮具有良好的综合强度性能，但是热处理工艺较为复杂，因而影响因素比较多。齿轮渗碳及碳氮共渗1、齿轮渗碳及碳氮共渗技术参数：渗层深度、渗层表面碳（氮）的质量分数、表层组织及心部硬度。2、齿轮渗碳及碳氮共渗热处理工艺2.1 齿轮毛坯的热处理如果设备允许，为了减少渗碳淬火中的齿轮变形，尽可能选用高于渗氮温度3050正火。为了改善切削性能，得到较高的表面质量，一般采用以下方法：（1）提高正火温度：采用合适的上限温度，或同时增加冷却速度。（2）采用不完全淬火工艺2.2齿轮渗碳及碳氮共渗热处理工艺方式的选择2.3齿轮渗碳及碳氮共渗热处理设备2.4齿轮的渗碳工艺a.工艺模式b.渗碳温度和时间：渗碳生产中一般采用920930。渗碳时间主要根据渗碳深度确定，同时与渗碳温度、炉内气氛等因素有关。c.渗碳介质d.炉火碳势的控制炉火碳势可采用露点仪，CO2红外仪及氧探头进行测检。2.5齿轮的碳氮共渗工艺a.碳氮共渗介质 b.碳氮共渗温度和时间齿轮碳氮共渗温度随钢种而定，一般在820870范围内。c.气氛2.6深层渗碳工艺大型轧钢机的人字齿轮轴及减速机大齿轮，大型挖掘机减速器齿轮，以及其他一些重载大模数齿轮，国外已多采用渗碳淬火工艺，国内也已开始采用，已提高承载能力和使用寿命。这类大模数齿轮的渗层深度一般大于3mm，通常46mm，最深可达8mm，这就形成了所谓“深层渗碳”工艺。a.深层渗碳工艺b.深层渗碳齿轮深层的球化退火由于深层渗碳的周期长，深层中碳化物的形状和分布难于达到技术要求，所以要进行一次球化退火，以提高齿轮的接触疲劳强度。c.渗碳层深度的判定 齿轮渗碳过程中深度的检查一般以碳的质量分数达到0.4%作为界限，但技术要求硬化层深度从表面测至550HV处，这两者之间将由于钢材料化学成分、零件截面尺寸大小及冷却介质等的不同而有不同的对应关系。d.齿轮深层渗碳淬火工艺2.7稀土低温渗碳工艺1.稀土的作用稀土在渗碳过程中具有催渗和微合金双重作用。加稀土可以使渗速提高（约30%），即使渗碳温度降低为860880时，也可以使渗碳周期与原工艺相当。加稀土渗碳后，由于稀土的微合金化作用，使渗层中的碳化物呈细小、弥散、颗粒状分布，渗层基体组织为板条马氏体+细片状马氏体，过共析层的晶粒显著细化，力学性能明显提高。2.稀土低温渗碳工艺要点稀土低温渗碳工艺方式与传统渗碳工艺基本相同，不同点为：温度由930降到860880，渗碳剂为媒介，稀释剂和催渗剂为甲醇+Re（稀土），同时亦可在稀释剂中加入少量尿素。采用稀土低温渗碳工艺应注意的问题（1）稀土加入量：与炉型、装炉量、温度以及碳化物数量等因素有直接关系（2）渗碳温度：稀土在低温渗碳过程中有明显的催渗作用，860880稀土低温高含量渗碳的效率与930渗碳工艺的接近。（3）渗碳时间：由于稀土渗入深度较浅，因此稀土催化效果随渗层深度增加而逐渐减弱。总而来讲，稀土渗碳工艺较适用于要求渗碳层深度较浅的零件，一般渗碳层深在1.0mm左右，渗碳时间46h为宜。（4）碳势的控制：由于稀土的合金化作用，使表面形成的碳化物呈细小、弥散、颗粒分布，因此与普通渗碳法相比可适当放宽碳势控制精度。3.稀土低温渗碳组织、性能由于稀土元素的维合金化作用，使渗层表面碳化物呈细小弥散分布，碳化物尺寸一般2.5m深度约为0.51.5m。其组织克服了表面硬度低的现象。正是由于稀土的微合金化作用，使其性能得到明显提高。2.8 大型焊接齿轮的渗碳淬火工艺大型齿轮由整体锻件改为采用焊接结构，具有节约原材料和制造成本低等特点，但由于不同材料及焊缝使渗碳淬火工艺具有一定的复杂性，增大了热处理工艺的难度。1.焊接齿轮结构2.焊接齿轮材料3.焊接齿轮制造工艺路线大型焊接齿轮的渗碳淬火技术关键是防止在制造（尤其是渗碳淬火）过程中的焊缝开裂，因此措施上保证十分重要的。2.9渗碳、碳氮共渗淬火冷却工艺参数渗碳、碳氮共渗后淬火冷却工艺参数与齿轮的内在质量和精度有密切的关系。淬火冷却工艺参数主要有介质温度、介质流动速度、介质流动方向，淬火介质的含量及冷却性能，工件在介质中的位置等。1.淬火槽淬火槽应具有加热、冷却、控温、搅拌及灭火功能。2.淬火介质用于齿轮的淬火介质有油和硝酸，PAG类水基介质也开始用于齿轮淬火。对于一般精度的齿轮，考虑经济性可选用普通淬火油，对于精度高、变形小的齿轮，应选择较高质量的淬火油。用硝盐作为等温淬火介质一般是硝酸盐、亚硝酸盐及其混合物。硝酸槽的尺寸应足够大，淬火是温升小。并应具有搅拌装置。3.淬火槽夜的监控淬火槽中的油基或水基介质在使用过程中将由于氧化、热分解、含水量增加、杂质污染和带出等原因导致介质冷却性能的变化，必须定期对淬火槽夜的冷却性能进行检测，并及时对槽液进行调整过滤，以保证冷却性能的稳定。能够同时检测油基和水基介质并适合于生产现场使用的检测手段有国产的KHR便携式冷却介质性能检测仪和瑞士生产的ivf冷却介质测定仪。齿轮热处理：渗氮齿轮渗氮由于在比较低温度（500-560C）下进行，而且没有相变发生，因面变形小时突出的优点。随着渗氮工艺的不断改进，渗氮在齿轮上的应用日益显现出良好的前景。长期来限制渗氮齿轮应用的原因很多，但最关键的是渗氮层太薄，难以承受齿面的接触载荷，因而要突破常规渗氮层深度的概念，采用“深层渗氮工艺”，根据国内外应用推荐，渗氮齿轮的应用范围一般在模数8mm以下。模数2-6mm，其深度0.6-0.8mm；模数6-9mm，深度0.8-1.1mm。齿轮渗氮齿轮的渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入齿轮表面的化学热处理工艺。齿轮渗氮的主要目的是提高齿轮表面的硬度、耐磨性、抗胶合性能、疲劳强度及抗腐蚀能力。渗氮硬化层具有很高的回火稳定性和低的缺口敏感性。同时，由于热处理温度低（一般在500570），变形小。 1齿轮渗氮的性能及技术参数 1、1影响渗氮齿轮力学和物理性能的主要因素接触疲劳强度、弯曲疲劳强度、耐磨性、抗胶合性渗氮层脆性、冲击韧度 1、2渗氮齿轮的技术参数1、渗氮层深度齿轮的渗氮层深度可以根据模数按下表中所推荐的数值选用齿轮渗氮层深度的选择模数公称深度/mm深度范围/mm1.251.52.5344.566 0.150.300.400.500.600.100.250.250.400.350.500.450.550.50对于某些重载齿轮，其渗氮层深度要求达0.81.2mm工程用齿轮的渗氮深度，除参考上表选择外，建议采用大于0.6mm的渗氮深度，这时齿轮的承载能力、抗磨损、抗疲劳性及抗胶合等综合性能均较好，具有较宽的工况适用性。2.渗氮层表面硬度3渗氮层组织及心部组织2齿轮的渗氮工艺2.1渗氮齿轮的制造工艺流程下表是根据齿轮制造精度要求而主要采用的工艺流程渗氮齿轮的制造工艺流程一般精度要求的齿轮锻造粗车调质（正火）精车滚齿（剃齿）渗氮精度要求高的齿轮锻造 正火或退火粗车调质半精滚齿去应力退火精滚齿剃齿渗氮行磨2.2渗氮齿轮的预备热处理和局部防渗方法1.渗氮齿轮的预备热处理预备热处理对渗氮层性能、渗氮齿轮的综合力学性能以及渗氮后齿轮的变形有显著影响。（1）调质或正火 渗氮齿轮的预备热处理一般都要求调质，正火只是适用于那些仅要求表面耐磨而承受载荷不高的齿轮。调质回火温度及回火时间对渗氮后表面硬度有一定影响，随着回火温度提高及回火时间延长，其表面硬度下降、渗氮层深度减薄。调质回火温度一般应比渗氮温度高30以上，回火时间2-4h。在工艺允许的情况下，建议调质硬度采用上限或大于280HBS，这样渗氮后的齿轮在承载能力、耐磨性、抗疲劳性等方面将有较大的提高。（2）去应力退火 渗氮前进行一次去应力退火处理对减小齿轮变形有显著效果。500去应力退火可将渗氮前齿轮因锻造、调质及机加工造成的内应力消除80%95%。低温时效处理对应力去除效果不大，所以不提倡200以下的时效处理。一般齿轮渗氮前的去应力退火温度低于调质回火温度，而高于渗氮温度2030。对于严格要求控制变形小的齿轮去应力退火可进行23次。2.局部防渗方法齿轮不需要渗氮的部位要进行防渗处理。气体渗氮和离子渗氮的常用局部防渗方法局部防渗氮方法渗氮工艺方法局部防渗方法气体渗氮1.镀锡膜：一般锡膜厚0.0030.015。当锡膜厚度大于0.01mm时，为防止流锡，可在350左右加热12h匀锡处理2.镀铜膜：镀层应无孔隙，镀铜层厚0.010.02mm3.镀镍膜：镀层厚0.020.04mm,防渗氮效果最好，但费用高4.其他有机或无机涂料涂膜离子渗氮1机械屏蔽防渗：屏蔽物与屏蔽工件处得间隙小于0.5mm2.金属防渗氮涂料2.3齿轮的气体渗氮工艺1.工艺方法齿轮的气体渗氮主要有三种典型的工艺方法，可以根据渗氮齿轮的材料及设计技术要求进行选择。2.气体渗氮工艺参数对渗氮层性能的影响气体渗氮温度通常为500560，渗氮温度的选择与齿轮用钢、渗氮层渗氮及齿面硬度等要求有关。渗氮温度和时间对渗氮层深度及表面硬度都有影响。3.气体渗氮中的催渗工艺方法（1）点解气相催渗渗氮工艺方法（2）氯化铵催渗渗氮工艺方法（3）稀土元素催渗渗氮工艺方法 稀土元素可以提高渗氮的速度约30%，同时还能提高渗氮层的韧性、耐磨性和抗腐蚀性能2.4齿轮的离子渗氮工艺离子渗氮是在低于一个大气压的渗氮气氛中利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺方法。离子渗氮工艺比普通气相渗氮工艺有渗氮快、变形小、化合物层的相组成易控和渗层韧性好等优点。不过，影响工艺稳定性的因素较多，设备维护及操作水平也要求高些。齿轮经离子渗氮后耐磨性能、抗疲劳性能、抗胶合性能及抗腐蚀性能均得到提高。同时简化了加工工序，因而在齿轮制造中的应用日益增多。2.5 齿轮的氮碳共渗及多元共渗工艺1齿轮的氮碳共渗工艺氮碳共渗工艺的实质是以渗氮为主的低温碳氮共渗。经氮碳共渗工艺处理的齿轮其耐磨性、抗胶合和抗擦伤能力以及耐疲劳性能均有显著提高。（1）氮碳共渗用介质（2）氮碳共渗温度：一般气体和液体氮碳共渗的温度为570。低于此温度渗速度慢、渗层浅、高于此温度表面易产生疏松结构。离子氮碳共渗温度一般选在570600范围。（3）氮碳共渗时间 氮碳共渗开始阶段，化合物层深度增加较迅速，以后便显著减缓，所以氮碳共渗时间不宜过长，一般24h，对大型齿轮，可达56h。各种表面硬化齿轮的心部硬度心部硬度是表面硬化处理齿轮硬化层的支承基础，显然，心部硬度低会影响齿轮的承载能力。 对感应（或火焰）淬火齿轮及渗氮齿轮常常因为心部硬度低而早期失效，根据试验和应用表面，心部硬度通常不应低于300HBS。 对于渗氮淬火齿轮，心部硬度存在一个最佳范围，过高的心部硬度会降低表面有利于的残余压应力而影响齿轮弯曲疲劳强度，同时还会增大淬火变形倾向。通常心部硬度在35-45HRC之间。齿轮热处理：感应（或火焰）表面淬火齿轮感应（或火焰）表面淬火 具有效率高、钢材成本低及变形小等优点，因而得到广泛应用。但是表面淬火的质量控制比较困难，这是影响使用寿命的关键所在。在各种影响因素中，尤其硬化层分布形式对齿轮承载能力影响最大。残余应力分析和强度试验以及现场应用表面，仅只齿面局部淬火的齿轮其接触疲劳强度和弯曲疲劳强度均很低，甚至低于未经表面淬火的调质齿轮，所以，应尽量采用沿齿廓淬火硬化。一、感应加热表面淬火的应用：承受扭转、弯曲等交变负荷作用的工件，要求表面层承受比心部更高的应力或耐磨性，需对工件表面提出强化要求，适于含碳量We=0.400.50%钢材。二、工艺方法快速加热与立即淬火冷却相结合。通过快速加热使待加工钢件表面达到淬火温度，不等热量传到中心即迅速冷却，仅使表层淬硬为马氏体，中心仍为未淬火的原来塑性、韧性较好的退火（或正火及调质）组织。 三、主要方法：感应加热表面淬火（高频、中频、工频）,火焰加热表面淬火，电接触加热表面淬火，电解液加热表面淬火，激光加热表面淬火，电子束加热表面淬火。四、感应加热