專利名稱：連續(xù)爐汽車變速箱齒輪微變形稀土碳共滲方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種滲碳方法，具體涉及一種利用稀土共滲劑在連續(xù)式滲碳爐中對汽車變速箱齒輪進行滲碳的方法。
背景技術：
目前我國汽車變速箱齒輪普遍采用20CrMnTi或20CrMoH鋼，由于20CrMnTi鋼滲碳前后尺寸變化較大，而且規(guī)律性不強難以控制，所以主要采用20CrMoH(或22CrMoH)鋼，但是生產證明，這種鋼材的變形如果工藝不當，也同樣達不到國際標準。為了滿足國際標準，不得不采用磨齒工序，而磨齒是一道工效低下、費用昂貴的工序，不僅延長了生產周期，還增加了生產成本。眾所周知，解決齒輪變形是一個系統(tǒng)工程，涉及鋼材的冶煉質量、鋼材的軋制、齒輪毛坯的鍛造與退火、機械加工及最后的滲碳淬火工序。是否需要磨齒，要看齒輪的鍛造滲碳淬火前后的尺寸公差與精度是否達到設計要求而定。我國的齒輪加工行業(yè)普遍裝備了數(shù)控加工機床與加工中心，公差尺寸與加工精度完全達到了國際標準，一般均能達到4～5級。但滲碳后由于變形增至7～8級超過標準，要么磨齒，要么降級使用，售價下調，經(jīng)濟效益受損。生產實踐指出，滲碳淬火成了關鍵工序。經(jīng)過大量研究，影響滲碳淬火變形的關鍵因素是滲碳溫度，因此欲減少滲碳淬火后的變形，首先必須降低滲碳溫度。
隨著溫度的升高，鋼的屈服強度σ0.2下降，這是一種物理現(xiàn)象。當溫度達到900℃以上時σ0.2已經(jīng)很低，工件自身的重量已經(jīng)足以引起變形，只不過這種變形速度極其緩慢，這種溫度和自重引起的緩慢變形叫做蠕變，因此滲碳引起的變形和蠕變有關，這是主要原因。此外，加熱速度過快、加熱不均勻、淬火冷卻均勻性差都足以引起變形(包括工件形狀因素與截面尺寸差在內)。從理論上分析，只要降低滲碳溫度或縮短滲碳時間就能明顯減少變形，當然引起變形的其他因素也不能忽視。
就傳統(tǒng)滲碳工藝技術而言，900℃以下溫度的氣體滲碳是不被采用的，其原因是滲碳介質分解過程緩慢、不充分，滲碳氣體成分達不到要求，同時滲碳速度極其緩慢，滲碳速度大幅度下降，無法生產應用，沒有利用價值，若想在840～880℃范圍內進行滲碳更不可能。ZL88104204.8中公開了一種“固態(tài)稀土化學熱處理催滲劑”，CN1061443A中公開了一種“稀土低溫高濃度氣體滲碳方法”，該方法使用了ZL88104204.8中公開的催滲劑，使840～880℃稀土滲碳不僅可以實施，而且取代了常規(guī)的碳氮共滲，在井式爐中推廣多年，取得了很好的技術效果。
就滲碳設備而言，可分為井式滲碳爐、箱式氣體滲碳多用爐及連續(xù)式氣體滲碳爐三大類。前兩種屬于周期作業(yè)式氣體滲碳，多用于單件或小批量生產，而連續(xù)式氣體滲碳爐則屬于大批量生產應用設備。
連續(xù)式滲碳爐的結構特點在于按工件直線推進方向將滲碳工藝流程劃分為五個不同的工作區(qū)間I、II、III、IV、V，如表1所示，各區(qū)的功能與工藝參數(shù)各不相同。在這五個區(qū)間中真正進行滲碳的僅為III區(qū)，其余四個區(qū)僅起到輔助作用，有效利用滲碳的區(qū)間太短，顯然不合理，其結果必定是低滲速、低效率、高能耗。
表1


發(fā)明內容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有滲碳方法低滲速、低效率、高能耗的不足，提供一種高滲速、高效率、低能耗的連續(xù)式滲碳爐稀土共滲低溫等溫滲碳方法。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的a、將預處理的工件送入每個區(qū)間都裝有稀土共滲劑的連續(xù)式滲碳爐中，工件進入I區(qū)，在溫度為840～890℃的條件下進行預熱和預滲處理；b、依次進入II區(qū)和III區(qū)，在溫度為840～890℃、碳勢為1.15～1.25％的條件下進行滲碳處理；c、然后進入IV區(qū)，在溫度為840～890℃、碳勢為0.8～1.05％的條件下進行擴散處理；d、最后進入V區(qū)，在溫度為840～890℃、碳勢為0.8～1.05％的條件下等待出爐、淬火。本發(fā)明的工藝方法不僅適用于連續(xù)式氣體滲碳爐，它還適用于井式滲碳爐、箱式氣體滲碳多用爐。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下特點1、在連續(xù)爐中加入了稀土共滲劑，它是一種具有催滲與滲入雙重功能的高效稀土共滲催滲劑，它的加入可以改變連續(xù)爐的其他功能。
2、I～IV區(qū)皆可以在840～890℃同一溫度下進行低溫稀土滲碳，只要工件溫度達到840℃后在稀土的作用下，就可以實現(xiàn)較快滲碳的目的，它專用于1.2mm以下的淺層滲碳或1.5mm以下機動車變速箱傳動齒輪或機床變速箱齒輪，以減小常規(guī)高溫滲碳變形和傳動噪音，從而挖掘出在連續(xù)滲碳爐中實施低溫滲碳的潛在功能，這為解決汽車變速箱齒輪的微變形滲碳、取消磨齒工序創(chuàng)造了關鍵性條件。
3、改變了I、II區(qū)的功能，使?jié)B碳爐的滲碳空間尺寸增大。如表2所示，加入稀土以后，連續(xù)式滲碳爐的I區(qū)由預熱區(qū)變?yōu)轭A熱加預滲區(qū)，II區(qū)變?yōu)闈B碳區(qū)，加上原來的III區(qū)(滲碳區(qū))，使爐子有效滲碳區(qū)明顯增長，滲碳效率自然明顯提高，達到了降溫、節(jié)能、增效同步提高的目的。
表2

4、可以更有效的實施可控稀土低溫高濃度氣體滲碳工藝，保證獲得最佳的金相組織，稀土滲碳最佳的金相組織定義為過共析區(qū)沉淀析出細小彌散顆粒狀碳化物，基體為超細隱晶馬氏體與奧氏體(500倍下不可見)。這種組織具有良好的機械性能、高的耐磨性、良好的沖擊韌性與斷裂韌性、高的彎曲疲勞與接觸疲勞性能。由于連續(xù)爐的功能按工藝流程排序，故從工藝控制角度比較容易達到良好的穩(wěn)定性，從而生產出高工藝水平、高性能的產品。
5、II區(qū)和III區(qū)的爐氣碳勢選用Cp＝1.2％實施高濃度滲碳，一般而言，此濃度均超出滲碳鋼在860℃時奧氏體飽和濃度，從而在滲碳過程中以稀土原子作為結晶核心，沉淀析出細小彌散顆粒狀碳化物，獲得稀土滲碳最佳金相組織，使性能指標大幅度提高。
6、采用稀土碳共滲技術，在稀土催化作用下，即使在860℃溫度下滲碳介質煤油也能完全裂解，氣體成分符合滲碳要求，而且滲速也較快。
7、本發(fā)明首次將稀土碳共滲技術用于處理20CrMoH和22CrMoH鋼汽車變速箱齒輪，在連續(xù)式氣體滲碳爐大批量生產上應用，并取得了極其良好的效果。例如某大型汽車制造廠變速箱分廠引進日本日野公司全套變速箱生產技術，材料選用20CrMoH鋼，齒輪模數(shù)為4～7，滲碳層深度為0.8～1.5mm，滲碳溫度為920℃，推料周期為30～45分鐘，滲碳淬火后需要100％磨齒，其中的同步器滑套(帶內外齒)滲碳淬火后變形超差嚴重，需要在另一臺轉底式爐中重新加熱至860℃，在專用模具中進行加壓淬火方能合格，浪費了大量能源和工時；而采用本發(fā)明的稀土低溫催化滲碳方法，控制滲碳溫度為840～890℃，推料周期不變，滲碳淬火后100％檢查，合格率達到96％以上，從而取消了860℃的二次加熱壓淬工序，取得了實質性的技術經(jīng)濟效果，從而在理論和實踐上證明了降低滲碳溫度減少變形的論斷上是完全正確的。
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式是這樣對汽車變速箱齒輪進行稀土共滲處理的a、將預處理的工件送入每個區(qū)間都裝有稀土共滲劑的連續(xù)式滲碳爐中，工件進入I區(qū)，在溫度為840～890℃的條件下進行預熱和預滲處理；b、依次進入II區(qū)和III區(qū)，在溫度為840～890℃、碳勢為1.15～1.25％的條件下進行滲碳處理；c、然后進入IV區(qū)，在溫度為840～890℃、碳勢為0.8～1.05％的條件下進行擴散處理；d、最后進入V區(qū)，在溫度為840～890℃、碳勢為0.8～1.05％的條件下等待出爐、淬火。本實施方式中，加入稀土后連續(xù)爐的功能設置有較大改變，除III區(qū)保留滲碳區(qū)外，II區(qū)也變?yōu)闈B碳區(qū)，I區(qū)除工件預熱外，在前排氣作用下，當工件溫度達到800℃以上就具備滲碳能力，即I區(qū)末端料盤內的工件已開始滲碳，所以I區(qū)的功能為預熱加預滲區(qū)。本方法的滲碳時間根據(jù)滲碳層深度進行選擇，通常情況下滲碳層深度不超過1.5mm。
本實施方式中所用稀土共滲劑可以由下述成分按照重量比組成氯化鑭或氯化鈰10～40、碳酸鹽50～60、尿素10～20、醋酸鈉15～20、黃血鹽0～30；還可以由下述成分按照重量比組成氟化鑭和/或氟化鈰10～40、硝酸鹽10～40、碳酸鹽50～60、尿素10～20、醋酸鈉15～20、黃血鹽0～30。
具體實施例方式
二本實施方式與具體實施方式
一不同的是，所述稀土共滲劑由下述成分按照重量比組成氯化鑭或氯化鈰10～40、碳酸鹽50～60、尿素10～20、醋酸鈉15～20、黃血鹽10～30。所述碳酸鹽為碳酸鋇和碳酸鈉。
具體實施例方式
三本實施方式的稀土共滲劑中各成分的重量比見表3。
表3

具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一不同的是，所述稀土共滲劑由下述成分按照重量比組成氟化鑭和/或氟化鈰10～40、硝酸鹽或碳酸鹽10～40、碳酸鋇和碳酸鈉50～60、尿素10～20、醋酸鈉15～20、黃血鹽10～30。
具體實施例方式
五本實施方式的稀土共滲劑中各成分的重量比見表4。
表4

具體實施方式
六本實施方式中連續(xù)式氣體滲碳爐中各區(qū)間的工藝參數(shù)見表5。
表5

將本實施方式的滲碳方法與現(xiàn)有連續(xù)式滲碳方法進行對比1、滲速比較推料周期、變速箱齒輪類別和裝料方式相同的條件下，現(xiàn)有工藝在920℃滲碳，本工藝在860℃滲碳，統(tǒng)計表明920℃與860℃的滲速基本相同，即滲碳層深度基本相同，偏差不超過±0.02mm，但是本工藝與現(xiàn)有工藝相比滲碳溫度降低了40℃。
2、金相組織對比按汽車拖拉機行業(yè)質檢標準進行檢驗，現(xiàn)有工藝處理工件的碳化物1～2級、馬氏體與殘余奧氏體3～4級，而本工藝獲得工件的碳化物1～3級、馬氏體與殘余奧氏體超細化超過標準，工件的表層碳化物呈可見的細小彌散顆粒狀，在500倍下為不可見超細狀態(tài)，其基體均為超細不可見的隱晶馬氏體與殘余奧氏體，這種超細化組織可保證滲碳表層有較高的硬度和耐磨性，足夠的沖擊韌性和斷裂抗力，并使彎曲疲勞與接觸疲勞性能有較大幅度同步提高。
3、性能比較a、表面硬度現(xiàn)有工藝HRC58～60，本工藝HRC63～64；b、耐磨性本工藝比現(xiàn)有工藝的耐磨性提高了34～46％；c、多次沖擊抗力本工藝比現(xiàn)有工藝的多次沖擊抗力提高了28％；d、接觸疲勞在107循環(huán)壽命的條件下推算極限接觸應力，現(xiàn)有工藝的接觸疲勞為2710MPa，本工藝提高至2860MPa。
4、汽車變速箱齒輪變形比較對變速箱中易變形的四種典型齒輪進行對比實驗，在生產現(xiàn)場按齒輪尺寸檢驗方法對滲碳前后的尺寸進行檢測，檢測了公法線、內孔孔徑、內孔錐度等滲碳前后相同部位的尺寸變差±Δx值，多點測量取平均值并進行對比，具體對比如下a、結構上易變形的齒輪本工藝與現(xiàn)有工藝相比，變形減少最明顯，最高達76％；b、中等變形齒輪本工藝與現(xiàn)有工藝相比，變形減少60％；c、結構上不易變形的齒輪本工藝與現(xiàn)有工藝相比，變形減少40％。
結論由以上對比結果可以說明，在連續(xù)爐中實施稀土低溫滲碳處理汽車變速箱齒輪是完全可以的，它不僅使齒輪變形大幅度減少、取消磨齒工序、減輕變速箱傳動噪音成為可能，而且明顯改善了齒輪的組織與性能，獲得最佳的金相組織，齒輪的綜合使用性能全面提高，使齒輪的傳動可靠性與使用壽命得到更好的保證。
權利要求
1.連續(xù)爐汽車變速箱齒輪微變形稀土碳共滲方法，其特征在于它是這樣對汽車變速箱齒輪進行稀土共滲處理的a、將預處理的工件送入每個區(qū)間都裝有稀土共滲劑的連續(xù)式滲碳爐中，工件進入I區(qū)，在溫度為840～890℃的條件下進行預熱和預滲處理；b、依次進入II區(qū)和III區(qū)，在溫度為840～890℃、碳勢為1.15～1.25％的條件下進行滲碳處理；c、然后進入IV區(qū)，在溫度為840～890℃、碳勢為0.8～1.05％的條件下進行擴散處理；d、最后進入V區(qū)，在溫度為840～890℃、碳勢為0.8～1.05％的條件下等待出爐、淬火。
2.根據(jù)權利要求1所述的連續(xù)爐汽車變速箱齒輪微變形稀土碳共滲方法，其特征在于所述稀土共滲劑由下述成分按照重量比組成氯化鑭或氯化鈰10～40、碳酸鹽50～60、尿素10～20、醋酸鈉15～20、黃血鹽0～30。
3.根據(jù)權利要求1所述的連續(xù)爐汽車變速箱齒輪微變形稀土碳共滲方法，其特征在于所述稀土共滲劑由下述成分按照重量比組成氯化鑭或氯化鈰10～40、碳酸鹽50～60、尿素10～20、醋酸鈉15～20、黃血鹽10～30。
4.根據(jù)權利要求2所述的連續(xù)爐汽車變速箱齒輪微變形稀土碳共滲方法，其特征在于所述稀土共滲劑由下述成分按照重量比組成氯化鑭或氯化鈰15、碳酸鹽52、尿素12、醋酸鈉16。
5.根據(jù)權利要求2所述的連續(xù)爐汽車變速箱齒輪微變形稀土碳共滲方法，其特征在于所述稀土共滲劑由下述成分按照重量比組成氯化鑭或氯化鈰30、碳酸鹽56、尿素16、醋酸鈉18、黃血鹽20。
6.根據(jù)權利要求2、3、4或5所述的連續(xù)爐汽車變速箱齒輪微變形稀土碳共滲方法，其特征在于所述碳酸鹽為碳酸鋇和碳酸鈉。
7.根據(jù)權利要求1所述的連續(xù)爐汽車變速箱齒輪微變形稀土碳共滲方法，其特征在于所述稀土共滲劑由下述成分按照重量比組成氟化鑭和/或氟化鈰10～40、硝酸鹽或碳酸鹽10～40、碳酸鋇和碳酸鈉50～60、尿素10～20、醋酸鈉15～20、黃血鹽0～30。
8.根據(jù)權利要求1所述的連續(xù)爐汽車變速箱齒輪微變形稀土碳共滲方法，其特征在于所述稀土共滲劑由下述成分按照重量比組成氟化鑭和/或氟化鈰10～40、硝酸鹽或碳酸鹽10～40、碳酸鋇和碳酸鈉50～60、尿素10～20、醋酸鈉15～20、黃血鹽10～30。
9.根據(jù)權利要求1所述的連續(xù)爐汽車變速箱齒輪微變形稀土碳共滲方法，其特征在于所述稀土共滲劑由下述成分按照重量比組成氟化鑭和/或氟化鈰15、硝酸鹽或碳酸鹽15、碳酸鋇和碳酸鈉52、尿素12、醋酸鈉16。
10.根據(jù)權利要求1所述的連續(xù)爐汽車變速箱齒輪微變形稀土碳共滲方法，其特征在于所述稀土共滲劑由下述成分按照重量比組成氟化鑭和/或氟化鈰30、硝酸鹽或碳酸鹽30、碳酸鋇和碳酸鈉56、尿素18、醋酸鈉19、黃血鹽25。
全文摘要
連續(xù)爐汽車變速箱齒輪微變形稀土碳共滲方法，它涉及一種滲碳方法。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的a.將預處理的工件送入每個區(qū)間都裝有稀土共滲劑的連續(xù)式滲碳爐中，工件進入I區(qū)，在溫度為840～890℃的條件下進行預熱和預滲處理；b.依次進入II區(qū)和III區(qū)，在溫度為840～890℃、碳勢為1.15～1.25％的條件下進行滲碳處理；c.然后進入IV區(qū)，在溫度為840～890℃、碳勢為0.8～1.05％的條件下進行擴散處理；d.最后進入V區(qū)，在溫度為840～890℃、碳勢為0.8～1.05％的條件下等待出爐、淬火。本發(fā)明的I～IV區(qū)皆可以在840～890℃同一溫度下進行低溫稀土滲碳，可以更有效的實施可控稀土低溫高濃度氣體滲碳工藝，保證獲得最佳的金相組織，具有高滲速、高效率、低能耗的優(yōu)點。
文檔編號C23C8/20GK1654700SQ20051000976
公開日2005年8月17日 申請日期2005年2月24日 優(yōu)先權日2005年2月24日
發(fā)明者閆牧夫, 劉志儒 申請人:哈爾濱工業(yè)大學