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一种齿轮及其制备方法
申请号	CN202111681211.2	申请日	2021-12-31	公开(公告)号	CN115181847B	公开(公告)日	2024-05-07
申请人	常熟天地煤机装备有限公司; 中国矿业大学;			发明人	张云平; 陶庆; 陈烜; 王健; 沈刚; 薛雨; 沈承金; 卢昊;
摘要	本发明公开了一种齿轮及其制备方法，属于齿轮技术领域，解决了现有的18Cr2Ni4WA渗碳淬火制备的齿轮的机加工性较差的问题。制备方法包括：将齿轮整体进行渗碳处理；将渗碳后的齿轮整体随炉冷却；然后将齿轮整体进行高温回火；然后将齿轮整体进行淬火处理；然后将齿轮整体进行冰冷处理；对齿轮的内圈进行变频感应退火；对齿轮整体进行低温回火。本发明的制备方法制备的齿轮实现了高强韧高硬度渗碳齿面与低硬度易加工内圈的性能良好结合。
权利要求	1.一种齿轮的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：步骤1、将齿轮整体进行渗碳处理；步骤2、将渗碳后的齿轮整体随炉冷却；步骤3、然后将齿轮整体进行高温回火；步骤4、然后将齿轮整体进行淬火处理；步骤5、然后将齿轮整体进行冰冷处理；步骤6、对齿轮的内圈进行变频感应退火；步骤7、对齿轮整体进行低温回火；所述齿轮的材料为18Cr2Ni4WA；所述齿轮内圈的直径为220～260mm，所述齿轮的齿根圆的直径为410～430mm，齿轮的内圈的高度为120～140mm；所述步骤6中，变频感应退火工艺包括： S1、施加低频预热齿轮内圈至齿轮内圈表面温度维持在200～300℃；此步骤的加热速率40～60℃/min； S2、感应频率在500HZ～20kHZ内缓慢调节，达到目标值5kHZ～15kHZ后，再继续改变电流大小至齿轮内圈表面达到预定加热温度并保温；其中，预定加热温度低于完全奥氏体化温度；此步骤的加热速率40～60℃/min S3、冷却：先缓慢调节感应频率值至500～1kHZ后，齿轮内圈表面温度下降至200～300℃后，此步骤的冷却速率40～60℃/min，再降低电流大小至功率降为零，完成感应退火；所述S2中，保温时间t与预定加热温度T有如下关系：当T＝600～700℃时，t＝10s～10min；当T＝500～600℃时，t＝5min～20min；当T＝400～500℃时，t＝10min～40min；当T＝300～400℃时，t＝20min～120min；变频感应退火后，内圈的感应层深为3～10mm，硬度为35～40HRC，组织为低碳回火马氏体+缓冷珠光体组织，其中，低碳回火马氏体的体积百分比为85％以上。 2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述齿轮内圈的直径为220～254mm，所述齿轮的齿根圆的直径为410～426mm，齿轮的内圈的高度为130～140mm。 3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1之前还包括对齿轮的内圈及两侧基准端面进行防渗碳处理。 4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤6中，变频感应退火时将齿轮放置在定位感应加热台架上，通过控制加热参数，对齿轮内圈进行感应加热退火。 5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，内圈加热温度≥400℃，同时内圈的感应层深≥3mm时，齿轮外齿面需进行喷水冷却，确保齿轮外齿面温度保持在170℃以下。 6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，冰冷处理包括：将淬火后的齿轮整体进行吹液氮冷却，冷却温度为‑160℃～‑70℃，冷却时间为1～5h。 7.一种齿轮，其特征在于，采用所述权利要求1‑6任一项所述的制备方法制备得到。 8.根据权利要求7所述的齿轮，其特征在于，所述齿轮的齿面硬度为58～62HRC，齿轮内圈的感应层深为3～10mm，感应层深度范围内，硬度为35～40HRC。
说明书全文	一种齿轮及其制备方法技术领域 [0001] 本发明属于齿轮技术领域，具体涉及一种齿轮及其制备方法。背景技术 [0002] 行走轮属于煤矿机械采掘装备中的重要传动零部件，为18Cr2Ni4WA 渗碳钢渗碳淬火制造。行走轮与销排开式配合，实现采煤机的行走传动，要求必须耐磨，同时具有很好的接触疲劳性能，即强韧性匹配较好。根据行走轮的服役特性，齿面的渗碳层深度达3mm～5.5mm，硬度 58～62HRC，内圈要与轴配合传动，行走轮在热处理后还需进行机加工，如插花键等，过高的硬度影响机加工性能。由于18Cr2Ni4WA具有较好的空冷淬硬性，在空冷条件下依然能得到马氏体或贝氏体组织，导致行走轮渗碳淬火热处理后，内圈的硬度偏高，不能满足机加工性能要求。因此，近年来，如何提高行走轮的机加工性受到研究者的重视。发明内容 [0003] 鉴于上述分析，本发明旨在提供一种齿轮及其制备方法，用于解决以下技术问题：现有的18Cr2Ni4WA渗碳淬火制备的齿轮的机加工性较差。 [0004] 本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的： [0005] 一方面，本发明提供了一种齿轮的制备方法，制备方法包括： [0006] 步骤1、将齿轮整体进行渗碳处理； [0007] 步骤2、将渗碳后的齿轮整体随炉冷却； [0008] 步骤3、然后将齿轮整体进行高温回火； [0009] 步骤4、然后将齿轮整体进行淬火处理； [0010] 步骤5、然后将齿轮整体进行冰冷处理； [0011] 步骤6、对齿轮的内圈进行变频感应退火； [0012] 步骤7、对齿轮整体进行低温回火。 [0013] 进一步的，齿轮的材料为18Cr2Ni4WA；齿轮内圈的直径为 220～260mm，齿轮的齿根圆的直径为410～430mm，齿的内圈的高度为 120～140mm。 [0014] 进一步的，步骤1之前还包括对齿轮的内圈及两侧基准端面进行防渗碳处理。 [0015] 进一步的，步骤6中，变频感应退火时将齿轮放置在定位感应加热台架上，通过控制加热参数，对齿轮内圈进行感应加热退火。 [0016] 进一步的，步骤6中，变频感应退火工艺包括： [0017] S1、施加低频预热齿轮内圈至齿轮内圈表面温度维持在200～300℃； [0018] S2、感应频率在500HZ～20kHZ内缓慢调节，达到目标值 5kHZ～15kHZ后，再继续改变电流大小至齿轮内圈表面达到预定加热温度并保温；其中，预定加热温度低于完全奥氏体化温度； [0019] S3、冷却：先缓慢调节感应频率值至500～1kHZ后，齿轮内圈表面温度下降至200～300℃后，再降低电流大小至功率降为零，完成感应退火。 [0020] 进一步的，S2中，保温时间t与预定加热温度T有如下关系： [0021] 当T＝600～700℃时，t＝10s～10min； [0022] 当T＝500～600℃时，t＝5min～20min； [0023] 当T＝400～500℃时，t＝10min～40min； [0024] 当T＝300～400℃时，t＝20min～120min。 [0025] 进一步的，内圈加热温度≥400℃，同时内圈的感应层深≥3mm时，齿轮外齿面需进行喷水冷却，确保齿轮外齿面温度保持在170℃以下。 [0026] 进一步的，步骤5中，冰冷处理包括：将淬火后的齿轮整体进行吹液氮冷却，冷却温度为‑160℃～‑70℃，冷却时间为1～5h。 [0027] 另一方面，本发明还提供了一种齿轮，采用上述制备方法制备得到。 [0028] 进一步的，齿轮的齿面硬度为58～62HRC，齿轮内圈的感应层深为 3～10mm，感应层深度范围内，硬度为35～40HRC。 [0029] 与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一： [0030] a)本发明的齿轮的制备方法通过采用渗碳，保护气氛冷却，高温回火，冰冷处理，内圈变频感应退火，低温回火的整体工艺步骤，并结合精确的内圈变频感应退火工艺步骤控制，内圈变频感应退火过程中，感应加热温度低于完全奥氏体化温度，实现低碳含量的内圈既保持退火平衡组织，同时兼具一定的强度要求，通过感应加热温度和加热时间的调控，可有效获取最佳性能指标，满足内圈后续机加工要求。 [0031] b)本发明的齿轮的制备方法制备的齿轮齿面硬度为58～62HRC，齿轮的内圈的感应层深为3～10mm，感应层深度范围内，硬度为35～40HRC，解决了齿轮整体渗碳淬火后内圈难以加工成型的难题，实现了渗碳大齿轮零件中，高强韧高硬度渗碳齿面与低硬度易加工内圈的性能良好结合。 [0032] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以来实现和获得。附图说明 [0033] 附图仅用于示出具体发明的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。 [0034] 图1是本发明提供的齿轮的整体结构示意图； [0035] 图2是本发明提供的齿轮的截面图及尺寸示意图； [0036] 图3是本发明的制备方法路线图。具体实施方式 [0037] 以下结合具体实施例对一种齿轮及其制备方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。 [0038] 为了方面描述，先对本发明的齿轮进行简单介绍，本发明的齿轮可以作为行走轮，齿轮的材料为18Cr2Ni4WA；如图1所示为齿轮的整体结构示意图，本发明的齿轮内圈的直径为220～260mm，齿根圆的直径为 410～430mm，内圈的高度为120～140mm。 [0039] 现有技术中，上述齿轮多采用渗碳淬火制备，由于8Cr2Ni4WA具有较好的淬硬性，导致行走轮渗碳淬火热处理后，内圈的硬度偏高(一般硬度达到43HRC以上)，不能满足机加工性能要求，在进行机加工时非常困难。 [0040] 本发明提供了一种齿轮的制备方法，包括： [0041] 步骤1、将齿轮整体进行渗碳处理； [0042] 步骤2、将渗碳后的齿轮整体随炉冷却； [0043] 步骤3、然后将齿轮整体进行高温回火； [0044] 步骤4、然后将齿轮整体进行淬火处理； [0045] 步骤5、然后将齿轮整体进行冰冷处理； [0046] 步骤6、对齿轮的内圈进行变频感应退火； [0047] 步骤7、对齿轮整体进行低温回火。 [0048] 具体的，为了防止齿轮内圈渗碳，上述步骤1之前还包括对齿轮的内圈及两侧基准端面进行防渗碳处理。 [0049] 具体的，防渗碳处理可以是在齿轮内圈及两侧基准端面均匀涂抹0.5mm～1mm的抗氧化涂层，室温风干。 [0050] 具体的，上述步骤1中，渗碳处理在多用炉或井式炉中进行。 [0051] 具体的，上述步骤2中，控制齿轮整体随炉冷却可以在保护气氛中进行。 [0052] 具体的，上述步骤3中，高温回火的加热温度为600～650℃。 [0053] 具体的，上述步骤4中，淬火是指将齿轮整体加热进行高温奥氏体化后进行介质冷却；其中，奥氏体化温度为780～860℃，冷却介质为油或水。经过淬火后，齿轮的齿面获得高碳马氏体、贝氏体及5％～30％体积分数的残余奥氏体组织，齿轮的内圈获得马氏体或贝氏体组织。 [0054] 具体的，上述步骤5中，冰冷处理包括：将淬火后的齿轮整体进行吹液氮冷却，冷却温度为‑160℃～‑70℃，冷却时间为1～5h，冰冷处理的目的是促进残余奥氏体的转化，冰冷处理后的齿轮的齿面硬度为 58～62HRC，齿轮的内圈的硬度为43～46HRC。 [0055] 具体的，上述步骤6中，发明人在长期深入研究发现，18Cr2Ni4WA 材料的淬透性非常好，并且本发明的齿轮尺寸较大，感应退火的工艺控制如果不当会造成齿面硬度降低或者齿圈硬度过高或过低、内圈感应层深不合适、加热冷却时导热时间长，应力大，不好控制等各种问题，因此，发明人经过深入研究，制定了下述变频感应退火工艺。 [0056] 具体的，上述步骤6中，变频感应退火时将齿轮放置在定位感应加热台架上，通过控制加热参数，对齿轮内圈进行感应加热退火。 [0057] 具体的，上述步骤6中，变频感应退火工艺包括： [0058] S1、施加低频预热齿轮内圈至齿轮内圈表面温度维持在200～300℃；此步骤的加热速率40～60℃/min； [0059] S2、感应频率在500HZ～20kHZ内缓慢调节，达到目标值 5kHZ～15kHZ后，再继续改变电流大小至齿轮内圈表面达到预定加热温度并保温；其中，预定加热温度低于完全奥氏体化温度；此步骤的加热速率40～60℃/min； [0060] S3、冷却：先缓慢调节感应频率值至500～1kHZ后，齿轮内圈表面温度下降至200～300℃(此步骤的冷却速率40～60℃/min)后，再降低电流大小至功率降为零，完成感应退火。 [0061] 具体的，上述S2中，预定加热温度低于完全奥氏体化温度，如此能够保证内圈既保持退火平衡组织，同时兼具足够的强度要求。 [0062] 具体的，上述S2中，预定加热温度为300℃～700℃，对应此温度范围的感应加热的有效深度为3～10mm，即内圈内表面至零件内部方向 3～10mm。感应加热的有效深度h(也称为感应层深)的确定与后续机加工的最大进刀量p有如下关系：p+0.2mm≤h≤p+1.0mm。 [0063] 具体的，上述S2中，保温时间t与预定加热温度T有如下关系： [0064] 当T＝600～700℃时，t＝10s～10min； [0065] 当T＝500～600℃时，t＝5min～20min； [0066] 当T＝400～500℃时，t＝10min～40min； [0067] 当T＝300～400℃时，t＝20min～120min。 [0068] 具体的，上述步骤6中，为避免外齿面受感应加热的影响，在内圈加热温度≥400℃，同时内圈的感应层深≥3mm时，外齿面需加冷却喷淋系统，进行高压喷水冷却，确保齿轮外齿面温度保持在170℃以下。 [0069] 需要说明的是，上述步骤6中，对齿轮的内圈进行变频感应加热，加热到温并保温后，无级调频，控制温度缓慢下降，而不是直接关闭加热，这样的目的是能够控制冷速，获得一部分平衡组织。即变频感应退火后，内圈的感应层深为3～10mm，硬度为35～40HRC，组织为低碳回火马氏体+缓冷珠光体组织，其中，低碳回火马氏体的体积百分比为85％以上。 [0070] 具体的，上述步骤7中，低温回火包括：将齿轮整体放入低温回火炉中，在170～230℃范围内回火。低温回火的作用是去除淬火应力的同时调整微观组织结构，以稳定齿面渗碳层的残余奥氏体，低温回火后保证齿轮齿面的高硬度58～62HRC，齿轮的内圈3～10mm感应层深度范围内，硬度保持在35～40HRC。 [0071] 本发明还提供了一种齿轮，采用上述制备方法制备得到。齿轮的齿面硬度为58～62HRC，齿轮的内圈的感应层深为3～10mm，感应层深度范围内，硬度为35～40HRC。 [0072] 与现有技术相比，本发明的齿轮的制备方法通过采用渗碳，保护气氛冷却，高温回火，冰冷处理，内圈变频感应退火，低温回火的整体工艺步骤，并结合精确的内圈变频感应退火工艺步骤控制，内圈变频感应退火过程中，感应加热温度低于完全奥氏体化温度，实现低碳含量的内圈既保持退火平衡组织，同时兼具一定的强度要求，通过感应加热温度和加热时间的调控，可有效获取最佳性能指标，满足内圈后续机加工要求。 [0073] 本发明的齿轮的制备方法制备的齿轮齿面硬度为58～62HRC，齿轮的内圈的感应层深为3～10mm，感应层深度范围内，硬度为35～40HRC，解决了齿轮整体渗碳淬火后内圈难以加工成型的难题，实现了渗碳大齿轮零件中，高强韧高硬度渗碳齿面与低硬度易加工内圈的性能良好结合。 [0074] 实施例1 [0075] 本实施例提供了一种齿轮及其制备方法。 [0076] 本实施例的齿轮的材料为18Cr2Ni4WA；如图1所示为齿轮的整体结构示意图，齿轮内圈的直径为254mm，齿根圆的直径为426mm，内圈的高度为130mm。进刀量7.5mm。 [0077] 本实施例提供了一种齿轮的制备方法，包括： [0078] 渗碳处理之前先对齿轮内圈及两侧基准端面进行防渗碳处理；然后进行： [0079] 步骤1、将齿轮整体进行渗碳处理；渗碳处理之前还包括对齿轮内圈及两侧基准端面进行防渗碳处理； [0080] 步骤2、将渗碳后的齿轮整体随炉冷却； [0081] 步骤3、然后将齿轮整体进行高温回火；高温回火的加热温度为 630℃； [0082] 步骤4、然后将齿轮整体进行淬火处理； [0083] 步骤5、然后将齿轮整体进行冰冷处理；冷却温度为‑160℃，冷却时间为1.5h； [0084] 步骤6、对齿轮的内圈进行变频感应退火，变频感应退火包括： [0085] S1、施加低频预热齿轮内圈至齿轮内圈表面温度维持在250℃；此步骤的加热速率50℃/min； [0086] S2、感应频率在500HZ～20kHZ内缓慢调节，达到目标值 5kHZ～15kHZ后，再继续改变电流大小至齿轮内圈表面达到预定加热温度630℃(此步骤的加热速率50℃/min；)并保温8min；在内圈加热温度≥400℃时，外齿面进行高压喷水冷却，确保齿轮外齿面温度保持在170℃以下； [0087] S3、冷却：先缓慢调节感应频率值至500～1kHZ后，齿轮内圈表面温度下降至250℃(此步骤的冷却速率50℃/min；)后，再降低电流大小至功率降为零，完成感应退火。 [0088] 步骤7、对齿轮整体在180℃进行低温回火。 [0089] 本实施例制备得到的齿轮的齿面硬度为59～61HRC，齿轮的内圈的感应层深为8mm，感应层深度范围内，硬度为36～38HRC，满足机加工性能要求。并将本实施例的齿轮进行耐磨实验，耐磨性能优异。 [0090] 实施例2 [0091] 本实施例提供了一种齿轮及其制备方法。 [0092] 本实施例的齿轮与实施例1的材料和结构相同，不同之处在于：进刀量8.5mm。 [0093] 本实施例的齿轮制备方法与实施例1的基本相同，在此不一一赘述，不同之处在于： [0094] 步骤3中，高温回火的加热温度为620℃； [0095] 步骤5中，冷却温度为‑150℃，冷却时间为2h； [0096] S2中，预定加热温度550℃并保温18min； [0097] 步骤7中，在190℃进行低温回火。 [0098] 本实施例制备得到的齿轮的齿面硬度为58～61HRC，齿轮的内圈的感应层深为9mm，感应层深度范围内，硬度为35～37HRC，满足机加工性能要求。并将本实施例的齿轮进行耐磨实验，耐磨性能优异。 [0099] 实施例3 [0100] 本实施例提供了一种齿轮及其制备方法。 [0101] 本实施例的齿轮与实施例1的材料和结构相同，不同之处在于：进刀量2.5mm。 [0102] 本实施例的齿轮制备方法与实施例1的基本相同，在此不一一赘述，不同之处在于： [0103] 步骤3中，高温回火的加热温度为630℃； [0104] 步骤5中，冷却温度为‑130℃，冷却时间为3h； [0105] S2中，预定加热温度350℃并保温20min； [0106] 步骤7中，在190℃进行低温回火。 [0107] 本实施例制备得到的齿轮的齿面硬度为58～61HRC，齿轮的内圈的感应层深为3mm，感应层深度范围内，硬度为37～40HRC，满足机加工性能要求。并将本实施例的齿轮进行耐磨实验，耐磨性能优异。 [0108] 对比例1 [0109] 本对比例提供了一种齿轮及其制备方法。 [0110] 本对比例的齿轮与实施例1的材料和结构相同，不同之处在于：进刀量4.5mm。 [0111] 本对比例的齿轮制备方法与实施例1的基本相同，在此不一一赘述，不同之处在于： [0112] 步骤3中，高温回火的加热温度为630℃； [0113] 步骤5中，冷却温度为‑100℃，冷却时间为4h； [0114] S2中，预定加热温度350℃并保温2min； [0115] 步骤7中，在190℃进行低温回火。 [0116] 本对比例制备得到的齿轮的齿面硬度为58～61HRC，齿轮的内圈的感应层深为2mm，感应层深度范围内，硬度为43～45HRC，不满足机加工性能要求。 [0117] 对比例2 [0118] 本对比例提供了一种齿轮及其制备方法。 [0119] 本对比例的齿轮与实施例1的材料和结构相同，不同之处在于：进刀量11.5mm。 [0120] 本对比例的齿轮制备方法与实施例1的基本相同，在此不一一赘述，不同之处在于： [0121] 步骤3中，高温回火的加热温度为620℃； [0122] 步骤5中，冷却温度为‑150℃，冷却时间为2h； [0123] S2中，预定加热温度650℃并保温120min； [0124] 步骤7中，在200℃进行低温回火。 [0125] 本对比例制备得到的齿轮的齿面硬度为58～62HRC，齿轮的内圈的感应层深为12mm，感应层深度范围内，硬度为26～28HRC，过软化，不满足机加工性能要求。 [0126] 以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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