阅读说明：本技术 一种改进的牙轮用钢淬火工艺 (Improved quenching process for steel for gear wheel ) 是由 宋仁伯 陈驰 苏盛睿 王永金 李佳康 于 2019-09-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种改进的牙轮用钢淬火工艺,属于金属热处理技术领域。该工艺首先选取热锻好的牙轮,然后经过多阶段气体渗碳、两次的高温回火、精加工,以及最后在临界区的淬火和低温回火。该工艺采用临界区淬火,即淬火温度在表面渗碳层的A<Sub>ccm</Sub>点以上,在心部基体的A<Sub>c3</Sub>点以下,以及较短的淬火保温时间,这样一方面保证了牙轮心部的硬度、强度和冲击韧性,另一方面细化了牙轮外表面渗碳层的组织,在满足牙轮生产基本力学性能的前提下,显著提高了渗碳层的硬度,从而提高牙轮的使用寿命。(The invention provides an improved steel quenching process for a cone, and belongs to the technical field of metal heat treatment. The process comprises the steps of selecting a hot forged cone, then performing multi-stage gas carburization, twice high-temperature tempering, fine machining, and finally quenching and low-temperature tempering in a critical area. The process adopts critical zone quenching, namely quenching temperature is A of a surface carburized layer ccm At least, A of the heart base c3 the hardness, the strength and the impact toughness of the core part of the cone are ensured, the structure of a carburized layer on the outer surface of the cone is refined, and the hardness of the carburized layer is obviously improved on the premise of meeting the basic mechanical property of cone production, so that the service life of the cone is prolonged.)

一种改进的牙轮用钢淬火工艺

技术领域

本发明涉及金属热处理技术领域，特别是指一种改进的牙轮用钢淬火工艺。

背景技术

矿用牙轮钻头是应用于大型露天矿山、土石开凿、水井和地热井等工程中的作业工具。在钻凿过程中，牙轮钻头通过与岩石的接触，在钻机旋转时产生的回转力和加压机构施加在钻头上的轴向力的作用下，以冲击、剪切、压碎岩石的方法实现钻进。

为了节约资源与成本，牙轮的寿命必须得以保证。针对钻头恶劣的工作条件，要求牙轮具有良好的强韧性匹配以保证其高疲劳强度及抗冲击性能，即牙轮表面具有高的硬度保证其耐磨性，心部具有很好的韧性使其不易断裂。

牙轮热处理的常规步骤包括：退火态轧材→热模锻→多阶段气体渗碳→一次或多次高温回火→淬火→低温回火。淬火工艺处于热处理的最后阶段，对成品的性能的好坏起着关键作用。采用高于表面渗碳层的A_ccm点，略低于心部基体的A_c3点的临界区淬火工艺，一方面可以保证心部的基本力学性能，另一方面可以细化渗碳层的片状马氏体，显著提高显微硬度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在保证心部基本力学性能的前提下进一步提高牙轮的表面硬度，从而提高牙轮的使用寿命，本发明提供一种改进的牙轮用钢淬火工艺。

该工艺包括步骤如下：

(1)经过渗碳后的工件需要进行一次或多次的高温回火；

(2)选择合适的淬火温度和淬火保温时间；

(3)经过油淬和低温回火后得到最终产品。

其中，步骤(1)中的多次高温回火工艺，采用到温入炉，使用N₂保护防止表面氧化脱碳；一般回火温度控制在600℃～650℃，每次保温时间在2h以上，然后随炉冷却到400℃左右出炉空冷，目的是让工件在渗碳后表层形成的马氏体基本分解成碳化物。

步骤(2)中的淬火温度为临界区淬火温度，即高于渗碳层的A_ccm点(加热后二次渗碳体完全溶入奥氏体的温度)，低于心部基体的A_c3点(加热后完全奥氏体化的温度)；高于A_ccm点约20℃，低于A_c3点10～20℃，目的是采用较低的淬火温度使得权利要求2中所述的碳化物能够保留一部分，从而降低残余奥氏体的稳定性，降低残余奥氏体的数量，同时细化表层马氏体。

步骤(2)中的淬火保温时间为：试样的半径r(mm)×3～r(mm)×6min，不适用于尺寸特别大的工件(保温时间超过3h)，目的是采用较短的淬火时间使得权利要求2中所述的碳化物能够保留一部分，从而降低残余奥氏体的稳定性，降低残余奥氏体的数量，同时细化表层马氏体。

步骤(3)中的低温回火温度为140℃～200℃，低温回火保温时间为1h～5h，低温回火之后空冷至室温。

步骤(3)中的油淬过程采用N₂保护，防止表面氧化脱碳。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，对于渗碳后经过高温回火的工件，相比于传统的淬火工艺，即淬火温度高于心部基体A_c3点20℃～30℃，本发明通过临界区淬火工艺，即控制淬火温度在表面渗碳层的A_ccm点以上，在心部基体的A_c3点以下，淬火保温时间更短，可以有效的细化渗碳层的片状马氏体，同时使得表层碳化物的数量增多，减少残余奥氏体含量，显著提高表面硬度。

附图说明

图1为本发明的临界区淬火工艺得到的渗碳层硬度与传统工艺的对比；

图2为经过两次高温回火之后渗碳层的SEM图；

图3为采用传统工艺的渗碳层SEM图；

图4为采用临界区淬火工艺的渗碳层SEM图；

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种改进的牙轮用钢淬火工艺。

该工艺包括步骤如下：

(1)经过渗碳后的工件需要进行一次或多次的高温回火；

(2)选择合适的淬火温度和淬火保温时间；

(3)经过油淬和低温回火后得到最终产品。

其中，步骤(1)中的多次高温回火工艺，采用到温入炉，使用N₂保护防止表面氧化脱碳；一般回火温度控制在600℃～650℃，每次保温时间在2h以上，然后随炉冷却到400℃左右出炉空冷，目的是让工件在渗碳后表层形成的马氏体基本分解成碳化物。

步骤(2)中的淬火温度为临界区淬火温度，即高于渗碳层的A_ccm点(加热后二次渗碳体完全溶入奥氏体的温度)，低于心部基体的A_c3点(加热后完全奥氏体化的温度)；高于A_ccm点约20℃，低于A_c3点10～20℃，目的是采用较低的淬火温度使得权利要求2中所述的碳化物能够保留一部分，从而降低残余奥氏体的稳定性，降低残余奥氏体的数量，同时细化表层马氏体。

步骤(2)中的淬火保温时间为：试样的半径r(mm)×3～r(mm)×6min，不适用于尺寸特别大的工件(保温时间超过3h)，目的是采用较短的淬火时间使得权利要求2中所述的碳化物能够保留一部分，从而降低残余奥氏体的稳定性，降低残余奥氏体的数量，同时细化表层马氏体。

步骤(3)中的低温回火温度为140℃～200℃，低温回火保温时间为1h～5h，低温回火之后空冷至室温。

步骤(3)中的油淬过程采用N₂保护，防止表面氧化脱碳。

下面结合具体实施过程予以说明。

当牙轮材料为15MnNi4MoA钢时，其尺寸为：其合金成分含量如表1所示(单位：wt.％)：

表1 15MnNi4MoA钢的合金元素成分

采用热膨胀实验，得到的相变点数据为：渗碳层的A_ccm点为745℃，心部基体的A_c3点为785℃。

从渗碳开始，到淬火阶段之前的详细工艺过程如下：

渗碳过程是采用气体渗碳的方式，渗碳的气氛为丙酮+空气，渗碳的具体工艺参数为：第一阶段，渗碳炉内温度达到900℃之后装入试样，然后用时2h加热到950℃，炉内碳势为0.4％C；第二阶段，在950℃保温0.5h，炉内碳势为0.8％C；第三阶段，在950℃保温15.5h，炉内碳势为1.05％C；第四阶段，用时0.7h降温至920℃，炉内碳势为0.92％C；第五阶段，在920℃保温1h，炉内碳势为0.92％C；第六阶段，用时1.5h降温至860℃，炉内碳势为0.85％C；第七阶段，在860℃保温0.5h，炉内碳势为0.85％C。渗碳完成后空冷至室温。

采用两次高温回火，采用N₂保护，防止试样在加热过程中氧化脱碳，到温入炉，在630℃保温2h，然后炉冷至400℃，这个过程大概用时10h，然后空冷至室温。两次高温回火的工艺参数完全相同，高温回火处理后，其显微组织如图2所示。

淬火阶段采用两种不同的淬火工艺进行对比，分别是传统工艺和临界区淬火工艺，如表2所示：

表2 传统工艺和临界区淬火工艺的工艺参数

热处理完成之后，渗碳层的显微硬度分布如表3所示：

表3 两种工艺下渗碳层的显微硬度分布

传统工艺和临界区淬火工艺的渗碳层的显微组织的SEM图分别如图3(传统工艺)和图4(临界区淬火工艺)所示。

使用本发明所公开的热处理工艺可用于对表面渗碳层硬度要求高，对心部基体力学性能要求不高的渗碳牙轮牙爪，以及渗碳齿轮等产品。同时，淬火保温时间应根据实际调整，得到的较优性能的显微组织应该如图4所示。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。