本發(fā)明屬于材料熱處理領(lǐng)域，特別是涉及一種齒輪鋼20CrMnTi等溫正處理方法，通過此項熱處理工藝處理后，齒輪鋼毛坯零件的的組織和硬度得到優(yōu)化，非常適合用于切屑加工，為后續(xù)零件的精加工和熱處理提供組織性能保證。

　　背景技術(shù)：

　　：汽車生產(chǎn)中，齒輪是必不可少的基本零件。齒輪尤其后橋齒輪變速箱齒輪的質(zhì)量較低時，會出現(xiàn)裝配困難、噪音大及齒面磨損問題。滲碳淬火變形是影響總成質(zhì)量的原因之一。在影響變形因素中，往往集中在滲碳淬火方面，容易忽視鍛坯預(yù)先熱處理對變形的影響。汽車齒輪、傳動軸等這類鋼材是汽車用合金結(jié)構(gòu)鋼中使用最廣、用量最大的鋼種之一。目前，各國標準中滲碳鋼鋼號比較多，汽車齒輪采用的主要是低碳合金鋼，其中cr鋼、Mn鋼和Mo鋼用于小尺寸齒輪，Ni鋼、Cr-Mn鋼、Cr-Mo鋼，Mn-Mo鋼和Cr-Ni-Mo鋼用于尺寸較大的零件。這類產(chǎn)品都需要鍛造、預(yù)先熱處理、切削加工、滲碳、淬火、回火等多道冷熱加工工序，獲得高表面硬度和好的韌性，使工件耐磨、耐疲勞和耐點蝕。國內(nèi)對滲碳鋼齒坯采用正火處理，將鋼材或鋼件加熱到臨界點Ac3或Acm以上的適當溫度，保持一定時間后再空冷，得到珠光體類組織。正火是一種傳統(tǒng)的工藝，設(shè)備、工藝要求簡單，能耗少。不同應(yīng)用領(lǐng)域，對于材料最終性能要求不同，其等溫正火的工藝也會有所不同。例如再CN101487077A中公開了一種風力發(fā)電機用齒輪等溫正火方法，其最終得到產(chǎn)品硬度為173HBW，晶粒度為7。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，特別是引進車型用鋼材料的多樣化，普通的正火處理已達不到齒坯預(yù)先熱處理的目的。齒輪鋼正火需要獲得比較合適的硬度，一般在150-160HB范圍內(nèi)，過高的硬度容易導(dǎo)致加工困難，甚至出現(xiàn)燒刀，而過低的硬度，容易導(dǎo)致切削的料削粘刀。現(xiàn)行的ZBT4001—88汽車滲碳齒輪金相標準是按鍛后奧氏體化正火工藝提出的，要求晶粒度小于5級，實際上目前普遍存在零件切削后表面光潔度差，刀具壽命低，變形波動較大等問題，這些問題與正火顯微組織不良，硬度不佳有密切的關(guān)系。所以，普通正火處理難以滿足要求。不僅要求硬度在一個較窄的范圍之內(nèi)(鋼件切削加工時易斷屑，表面光潔)，而且要求獲得穩(wěn)定組織(粗鐵素體加細珠光體)，以改善加工性能及淬火后變形規(guī)律。為了滿足要求，需對正火工藝改進，以獲得正火所要求的顯微組織和硬度范圍。等溫正火是指合金鋼件經(jīng)奧氏體化后直接進入等溫爐或隨爐冷至等溫溫度保持一定時間使其完成珠光體相變而后出爐空冷的工藝過程，適合于相變溫度范圍窄的中高碳合金鋼種。70年代前無等溫正火這個名詞，80年代以來出現(xiàn)。合金滲碳齒輪鋼鍛件的等溫處理稱為等溫正火。齒坯采用等溫正火，能對相變進行控制，使相變在等溫溫度下進行，等溫正火能夠有效地控制帶狀組織、馬氏體、殘奧等組織。汽車齒輪毛坯其正火工藝一般為930℃奧氏體化，用50min將鋼件均勻冷至550℃，再用100min將鋼件均勻冷至250℃后空冷，控制較為困難，而且工藝一般不穩(wěn)定。例如在中國專利CN101429587A中公開了一種轎車差速器齒輪等溫正火處理，其僅僅在氮氣風冷條件下將鍛件降溫到600－720攝氏度，并且沒有限冷卻速度、氮氣溫度、氮氣速度等條件，造成其最終材料性能不穩(wěn)定，硬度不均勻，合格率低。通常為使鍛造余熱等溫正火獲得最佳效果，必須控制三個主要參數(shù)，即等溫前冷卻速度，等溫溫度及等溫保持時間。等溫前的冷卻速率要保證冷卻的均勻性和合理性，既保證獲得合理的齒輪鋼零件坯料的組織、硬度，又要保證冷卻均勻。等溫溫度決定組織中珠光體的片層形態(tài)，進而影響最終的性能，等溫時間保證珠光體轉(zhuǎn)變的完整性，防止出現(xiàn)殘奧在后期冷卻中出現(xiàn)馬氏體組織。本發(fā)明基于對齒輪鋼20CrMnTiH長期的熱處理和用戶使用反饋的基礎(chǔ)上，深入分析了等溫正火工藝對齒坯組織性能，尤其是切削性能、淬火變形規(guī)律的影響，最終提出了暖風冷卻、分區(qū)等溫正火的技術(shù)思路，非常適合于熱處理企業(yè)推廣。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種齒輪鋼20CrMnTiH等溫正火處理方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，適用于材料熱處理行業(yè)，優(yōu)化加工后的齒輪鋼毛坯零件的組織性能。經(jīng)過本發(fā)明工藝處理的齒坯的硬度可以達到165-180HB，珠光體片層間距控制在0.18-0.24μm，帶狀組織控制在1-1.5級，切削性能良好，淬火后變形能夠穩(wěn)定控制，不合格率基本為零。其工藝步驟如下：(1)奧氏體化加熱后采用暖風分區(qū)冷卻工藝：一區(qū)，暖風溫度50-55℃，風速控制在8-12m/s，零件的風冷時間控制在2-3min；二區(qū)，風溫55-60℃，風速5-8m/s，零件的風冷時間控制在3-4min(2)調(diào)整等溫正火爐分為兩段控制：第一段溫度控制在550-570℃，保溫時間1-1.5h；第二段溫度控制在570-600℃，等溫1-1.5h。(3)等溫正火后，進入風冷室，風溫控制在30-40℃，風速控制在5-8m/s,冷卻至200-250℃后，空冷。申請人對發(fā)明中各個步驟對最終產(chǎn)品性能影響做了深入研究，其具體如下：奧氏體化加熱齒坯的奧氏體化加熱工藝為930-950℃，保溫1-1.5h。充分保證組織的奧氏體化，使合金元素充分擴散，減少由于坯料帶狀和偏析造成的成分不均勻性，同時控制齒坯的加熱速率，80-100℃/h,保證加熱的均勻性。對不同的加熱溫度后的奧氏體晶粒度進行了研究，如表所示。表1不同加熱工藝下的奧氏體晶粒度850℃900℃950℃1000℃0.5h8級7級6級5級1h7.5級6級5級4.5級1.5h7級5.5級4.5級4級2h6.5級5級4級3級可以發(fā)現(xiàn)隨著加熱溫度和加熱時間的延長，晶粒度不斷降低，在900-950℃，保溫1-1.5小時內(nèi)，可以將晶粒度控制在5級以下。加熱溫度和加熱時間如果過長，一方面導(dǎo)致熱處理成本提高，生產(chǎn)效率降低，也會導(dǎo)致脫碳，晶粒粗大和淬火變形加大。奧氏體化后暖風冷卻奧氏體化加熱后采用進行暖風分區(qū)冷卻工藝：一區(qū)，暖風溫度50-55℃，風速控制在8-12m/s，零件的風冷時間控制在2-3min；二區(qū)，風溫55-60℃，風速5-8m/s，零件的風冷時間控制在3-4min。暖風冷卻是本發(fā)明的創(chuàng)新點，其區(qū)別于常規(guī)等溫正火前冷卻工藝的最大特點就是工藝穩(wěn)定。常規(guī)工藝由于冷卻介質(zhì)溫度不控制，會導(dǎo)致齒坯的冷速波動很大，通過控制暖風的風速和溫度，可以精確控制齒輪進等溫正火爐之前的冷速，為等溫正火轉(zhuǎn)變提供穩(wěn)定的工藝前保證。分區(qū)控制就是保證等溫正火前工藝柔性控制，因為齒坯在不同溫度下在和冷卻介質(zhì)空氣接觸時的換熱系數(shù)是不同的，將冷卻工藝分區(qū)后，可以根據(jù)齒坯的大小重量、形狀進行進一步的工藝細分。等溫正火調(diào)整等溫正火爐分為兩段控制：第一段溫度控制在550-570℃，保溫時間1-1.5h第二段溫度控制在570-600℃，等溫1-1.5h。等溫正火分區(qū)控制為本發(fā)明的另一大創(chuàng)新，對于齒輪鋼20CrMnTiH的等溫正火范圍一般控制在550-600℃。但為保證組織的均勻性，在等溫過程進行分區(qū)控制，主要目的就是在奧氏體化冷卻后保證一定的過冷度，第一段采用較低的等溫正火溫度，因為在正火過程齒輪坯發(fā)生相變，產(chǎn)生部分相變熱，所以采用在等溫正火過程控制工藝的下限，一方面控制組織硬度，同時控制帶狀組織的級別。第二段控制較高的溫度是保證奧氏體充分轉(zhuǎn)變完成。表2不同等溫正火工藝的組織硬度分區(qū)控制等溫正火工藝，也是工藝柔性化控制的表現(xiàn)，可以根據(jù)產(chǎn)品的特性進行不同單元化工藝設(shè)計，經(jīng)過分區(qū)等溫正火控制的硬度波動可以精確控制在±5HB。等溫正火后冷卻等溫正火后，進入風冷室，風溫控制在30-40℃，風速控制在5-8m/s,冷卻至200-250℃后，空冷。一般的材料等溫正火后采用普通空冷工藝，這種工藝簡單，但是容易造成同一批料的性能波動。本發(fā)明采用等溫正火后暖風冷卻的工藝思路，可以保證同一爐號，不同坯料之間硬度±5HB的硬度波動。附圖說明圖1采用本發(fā)明獲得20CrMnTiH等溫正火后的電鏡組織具體實施方式實施例1本發(fā)明在對40mm齒輪鋼20CrMnTiH齒坯鍛造后等溫正火中得到應(yīng)用，其步驟如下：(a)奧氏體化加熱后采用暖風分區(qū)冷卻工藝：一區(qū)，暖風溫度50℃，風速控制在12m/s，零件的風冷時間控制在3min；二區(qū)，風溫55℃，風速8m/s，零件的風冷時間控制在4minb)調(diào)整等溫正火爐分為兩段控制：第一段溫度控制在550℃，保溫時間1.5h；第二段溫度控制在570℃，等溫1.5h。(c)等溫正火后，進入風冷室，風溫控制在30℃，風速控制在8m/s,冷卻至250℃后，空冷。經(jīng)過該工藝處理的齒坯的硬度可以達到165-180HB，珠光體片層間距控制在0.21-0.24μm，帶狀組織控制在1.5級，切削性能良好，淬火后變形能夠穩(wěn)定控制，不合格率基本為零。實施例2本發(fā)明在對30mm齒輪鋼20CrMnTiH齒坯鍛造后等溫正火中得到應(yīng)用，其步驟如下：(1)奧氏體化加熱后采用暖風分區(qū)冷卻工藝：一區(qū)，暖風溫度55℃，風速控制在8m/s，零件的風冷時間控制在2min；二區(qū)，風溫60℃，風速5m/s，零件的風冷時間控制在3min(2)調(diào)整等溫正火爐分為兩段控制：第一段溫度控制在570℃，保溫時間1h；第二段溫度控制在600℃，等溫1h。(3)等溫正火后，進入風冷室，風溫控制在40℃，風速控制在5m/s,冷卻至200℃后，空冷。經(jīng)過該工藝處理的齒坯的硬度可以達到165-180HB，珠光體片層間距控制在0.18-0.24μm，帶狀組織控制在1級，切削性能良好，淬火后變形能夠穩(wěn)定控制，不合格率基本為零。對比例1本發(fā)明在對30mm齒輪鋼20CrMnTiH齒坯鍛造后等溫正火中得到應(yīng)用，其步驟如下：(a)奧氏體化加熱后常規(guī)風冷，控制溫度到600℃，b)調(diào)整等溫正火爐分為兩段控制：第一段溫度控制在570℃，保溫時間1h；第二段溫度控制在600℃，等溫1h。(c)等溫正火后，進入風冷室，風溫控制在40℃，風速控制在5m/s,冷卻至200℃后，空冷。經(jīng)過該工藝處理的齒坯的硬度可以達到150-185HB，珠光體片層間距控制在0.15-0.27μm，帶狀組織控制在2級，切削性能會出現(xiàn)“掉肉”，淬火后變形控制不佳，不合格率基本為2％。對比例2本發(fā)明在對30mm齒輪鋼20CrMnTiH齒坯鍛造后等溫正火中得到應(yīng)用，其步驟如下：(a)奧氏體化加熱后采用進行暖風分區(qū)冷卻工藝：一區(qū)，暖風溫度55℃，風速控制在8m/s，零件的風冷時間控制在2min；二區(qū)，風溫60℃，風速5m/s，零件的風冷時間控制在3minb)調(diào)整等溫正火爐溫度600℃，等溫時間2h。(c)等溫正火后，進入風冷室，風溫控制在40℃，風速控制在5m/s,冷卻至200℃后，空冷。經(jīng)過該工藝處理的齒坯的硬度可以達到145-165HB，珠光體片層間距控制在0.25-0.3μm，帶狀組織控制在2級，切削出現(xiàn)“粘刀”，淬火后變形控制不佳，不合格率達到4％。通過上述實施例和對比例的數(shù)值可以看出，本發(fā)明提出的分區(qū)冷卻和分區(qū)等溫正火的柔性化控制技術(shù)方法，很好的解決了硬度控制不均和帶狀組織問題，對于提高齒坯鍛造后切削加工性能，控制性能波動具有非常好的效果，適合熱處理廠推廣使用。有益效果本發(fā)明的等溫正火處理方法通過精確控制暖風溫度、暖風速度，并分為兩個區(qū)域進行暖風降溫，同時通過分區(qū)等溫正火有效控制了產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性，得到了具有合適硬度、晶粒度，適合用于齒輪的優(yōu)質(zhì)鋼20CrMnTiH。上述僅對本發(fā)明中的幾種具體實施例加以說明，但并不能作為本發(fā)明的保護范圍，凡是依據(jù)本發(fā)明中的設(shè)計精神所作出的等效變化或修飾或等比例放大或縮小等，均應(yīng)認為落入本發(fā)明的保護范圍。當前第1頁1 2 3 

　　技術(shù)特征：

　　1.一種齒輪鋼20CrMnTiH等溫正火處理方法，其包括以下步驟：

　　(1)奧氏體化加熱后采用暖風分區(qū)冷卻工藝：一區(qū)，暖風溫度50-55℃，風速控制在8-12m/s，零件的風冷時間控制在2-3min；二區(qū)，風溫55-60℃，風速5-8m/s，零件的風冷時間控制在3-4min；

　　(2)調(diào)整等溫正火爐分為兩段控制：第一段溫度控制在550-570℃，保溫時間1-1.5h；第二段溫度控制在570-600℃，等溫1-1.5h；

　　(3)等溫正火后，進入風冷室，風溫控制在30-40℃，風速控制在5-8m/s,冷卻至200-250℃后，空冷。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪鋼20CrMnTiH等溫正火處理方法，其特征在于：步驟(1)中奧氏體化加熱具體步驟為:930-950℃，保溫1-1.5h。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的齒輪鋼20CrMnTiH等溫正火處理方法，其特征在于：

　　步驟(1)中一區(qū)，暖風溫度52℃，風速控制在10m/s；二區(qū)，風溫58℃，風速7m/s；

　　步驟(2)中第一段溫度控制在560℃；第二段溫度控制在580℃；

　　步驟(3)中風溫控制在35℃，風速控制在6m/s,冷卻至230℃后，空冷。

　　技術(shù)總結(jié)

　　一種齒輪鋼20CrMnTiH等溫正火處理方法，屬于材料熱處理領(lǐng)域。步驟為：奧氏體化加熱后采用進行暖風分區(qū)冷卻工藝：一區(qū)，暖風溫度50?55℃，風速控制在8?12m/s，零件的風冷時間控制在2?3min；二區(qū)，風溫55?60℃，風速5?8m/s，零件的風冷時間控制在3?4min；調(diào)整等溫正火爐分為兩段控制：第一段溫度控制在550?570℃，保溫時間1?1.5h；第二段溫度控制在570?600℃，等溫1?1.5h；等溫正火后，進入風冷室，風溫控制在30?40℃，風速控制在5?8m/s,冷卻至200?250℃后，空冷。經(jīng)過該工藝處理的齒坯的硬度可以達到165?180HB，珠光體片層間距控制在0.18?0.24μm，帶狀組織控制在1?1.5級，切削性能良好，淬火后變形能夠穩(wěn)定控制，不合格率基本為零。

　　技術(shù)研發(fā)人員：王猛;崔京玉;羅志俊;王麗萍;王立峰;李舒笳;佟倩;王曉晨;楊子森;孔祥濤

　　受保護的技術(shù)使用者：首鋼總公司

　　文檔號碼：201610875008

　　技術(shù)研發(fā)日：2016.09.30

　　技術(shù)公布日：2017.01.25