权利要求
1.一种
粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将粉末冶金高速钢棒料进行调质热处理，获得芯部硬度为31-45HRC的粉末冶金高速钢棒料;
S2、将粉末冶金高速钢棒料进行半精加工，获得齿轮半精加工部件;
S3、将齿轮半精加工部件进行稳定处理，消除齿轮半精加工部件的内应力并均匀组织;
S4、将齿轮半精加工部件的待氮化表面进行吹砂处理，活化材料表面;
S5、将吹砂处理后的齿轮半精加工部件进行氮化热处理，所述氮化热处理包括以下步骤：
将齿轮半精加工部件置于氨气氛围内，升温至490～550℃温度下保温，在升温过程中，氨分解率为35～45%;
S6、将氮化热处理后的齿轮半精加工部件进行精加工，获得粉末冶金高速钢齿轮。
2.根据权利要求1所述的粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，其特征在于：步骤S1中，所述调质热处理包括以下步骤：
A1、将粉末冶金高速钢棒料在980～1120℃温度下保温处理，使粉末冶金高速钢棒料的组织变成奥氏体组织;
A2、将粉末冶金高速钢棒料在30-90℃温度淬火油中进行淬火处理，使奥氏体组织变成马氏体组织与粒状碳化物;
A3、将粉末冶金高速钢棒料在500-700℃温度下进行回火处理，使马氏体组织均匀化。
3.根据权利要求2所述的粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，其特征在于：步骤A1中，所述保温处理的时间为90-210min。
4.根据权利要求3所述的粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，其特征在于：步骤A1中，所述保温处理的时间为130-150min。
5.根据权利要求2所述的粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，其特征在于：所述淬火处理后1h内进行油冷处理。
6.根据权利要求2所述的粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，其特征在于：步骤A3中，所述回火处理的次数为2-3次。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，其特征在于：步骤S3中，稳定处理的温度为500-600℃，时间为120-240min。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，其特征在于：步骤S4中，所述吹砂处理时，吹砂砂粒选用刚玉砂，目数≥80目。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，其特征在于：步骤S5中，所述氮化热处理的保温时间为5-100h，采用两段式氮化工艺;第一段氮化工艺的温度为520-550℃，氮势为0.45%-0.55%;第二段氮化工艺的温度为520-550℃，氮势为0.25%-0.35%。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，其特征在于：所述粉末冶金高速钢为CPM 10V或HOP 10V。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及金属热处理技术领域，尤其涉及一种粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法。
背景技术
[0002]粉末高速钢是采用粉末冶金工艺生产得到的新型高速钢。与传统熔铸高速钢相比，克服了合金元素宏观偏析及碳化物粗大的缺点，具有高的抗弯强度和冲击韧性，适合于在有严重摩擦并兼有冲击、震动的条件下进行冷热作业。目前，国外已研制出第三代粉末冶金高速钢，并将该材料应用于凸轮轴、轴承、涡轮轴等传动部件。我国粉末高速钢行业起步晚、发展慢、设备落后、品种规格少，与国外仍存在较大差距，粉末高速钢的制备、加工工艺等技术难题限制了该材料的应用，目前粉末冶金高速钢主要应用于刀具、精密冲切工具等。
[0003]粉末冶金高速钢优异的抗弯强度和冲击韧性是传动齿轮领域必需的特性，由于粉末冶金钢常规热处理后硬度约55-60HRC，不适用大多齿轮的性能要求。研究合理的热处理工艺将该材料性能进行调控后，使得芯部获得优异的韧性，同时表面具有较好的强度与耐磨性，可将该材料的应用拓展至传动系统领域。为将粉末冶金高速钢CPM 10V应用于先进装备制造，某型号发动机设计了该材料制造齿轮，要求芯部硬度31-45HRC，表面硬度≥90HR15N。常规现有热处理工艺难以同时达到芯部硬度和表面硬度的要求。
发明内容
[0004]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种工艺简单、产品质量好的粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，包括以下步骤：
S1、将粉末冶金高速钢棒料进行调质热处理，获得芯部硬度为31-45HRC的粉末冶金高速钢棒料;粉末冶金高速钢棒料组织变成马氏体组织和粒状碳化物;
S2、粉末冶金高速钢棒料进行半精加工，获得齿轮半精加工部件;
S3、将齿轮半精加工部件进行稳定处理，消除齿轮半精加工部件的内应力及加工应力并均匀化马氏体组织;
S4、将齿轮半精加工部件待氮化表面进行吹砂处理，活化材料表面，去除表面钝化膜，同时增加表面粗糙度;
S5、将吹砂处理后的齿轮半精加工部件进行氮化热处理，所述氮化热处理包括以下步骤：
将齿轮半精加工部件置于氨气氛围内，升温至490～550℃温度下保温，在升温过程中，氨分解率为35～45%;
S6、将氮化热处理后的齿轮半精加工部件进行精加工，获得粉末冶金高速钢齿轮。
[0006]作为对上述技术方案的进一步改进：
步骤S1中，所述调质处理包括以下步骤：
A1、将粉末冶金高速钢在980～1120℃温度下保温处理，使粉末冶金高速钢的组织变成奥氏体组织;
A2、将粉末冶金高速钢在30-90℃温度淬火油中进行淬火处理，使奥氏体组织变成淬火马氏体组织与粒状碳化物;
A3、将粉末冶金高速钢在600-700℃温度下进行回火处理，使马氏体组织均匀化。调质工序淬火后采用600-700℃进行回火，使得马氏体发生分解、碳化物脱溶析，从而将硬度调控至常规传动部件所需30-50HRC范围内，满足常规传动部件芯部硬度要求。
[0007]优选地，一般而言，粉末冶金钢的标准回火温度为500-560℃，回火后出现二次硬化现象，硬度可达60HRC;本发明采用600-700℃进行回火，使得马氏体发生分解、碳化物脱溶析，从而将硬度调控至常规传动部件所需30-50HRC范围内。此外，为充分消除残奥等异常组组织，优选地，应进行2-3次回火。
[0008]步骤A1中，所述保温处理的时间为90-210min;
步骤A1中，所述保温处理的时间为130-150min。
[0009]为防止开裂，淬火处理后1h内进行回火。
[0010]步骤A3中，所述回火处理的次数为2-3次。
[0011]步骤S3中，稳定处理的温度为500-600℃，时间为120-240min。
[0012]步骤S4中，所述吹砂处理时，吹砂砂粒选用刚玉砂，目数≥80目。
[0013]步骤S5中，所述氮化热处理的保温时间为5-100h。
[0014]优选地，所述氮化处理采用两段式氮化工艺，第一段氮化工艺的温度为520-550℃，氮势为0.45%-0.55%，时间为20-30h;第二段氮化工艺的温度为520-550℃，氮势为0.25%-0.35%，时间为15-20h。
[0015]所述粉末冶金高速钢为CPM 10V或HOP 10V。
[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的一种粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，包括调质处理、稳定处理、吹砂处理、氮化处理，稳定处理有效消除了残余应力，使组织更加均匀，提高了材料的稳定性，有利于氮化处理的顺利进行，增强氮化层与基体的结合力，吹砂处理将氮化表面活化，增大了氮原子与工件表面的接触面积，进一步提高了氮化表面均匀性。氮化处理在490～550℃温度下和氨分解率为35～45%的条件下进行，能够形成高质量的氮化层，显著提粉末冶金高速钢的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性，满足了航空发动机传动系统领域对材料表面性能的严格要求。
附图说明
[0017]图1是本发明实施例一的粉末冶金高速钢氮化热处理后的表面组织图。
具体实施方式
[0018]以下将对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料为市售。
[0019]实施例一
某型号发动机传动齿轮采用粉末冶金高速钢CPM10V制备而成，热处理要求为：齿轮表面氮化，氮化表面硬度≥90HR15N，心部硬度31-45HRC。
[0020]本实施例的一种粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，具体实施步骤包括：
S1、将粉末冶金高速钢棒料进行调质热处理，通过调控材料组织获得常规传动部件所需的性能，包括以下步骤：
A1、将粉末冶金高速钢棒料加热至1100℃，保温140min，使得粉末冶金高速钢棒料获得稳定的高合金度的奥氏体组织，有助于淬火后形成髙合金度的马氏体组织，从而在回火过程中析出合金碳化物产生二次硬化效果。
[0021]A2、将粉末冶金高速钢棒料在50℃温度淬火油中淬火冷却处理，淬火冷却处理方式为油冷，获得髙合金度的马氏体组织，为尽快释放材料内部压力，在油冷40min后进行回火处理。粉末冶金高速钢棒料的芯部硬度为31-45HRC且表面硬度≥60HRC。
[0022]A3、将粉末冶金高速钢棒料进行两次回火处理，在两次回火处理之间需要回复到室温，回火温度为660℃，保温时间为210min，两次回火保温时间满足后空冷至室温。本发明采用500-700℃温度回火，使得马氏体发生分解、碳化物脱溶析，从而将硬度调控至常规传动部件所需30-50HRC范围内，满足常规传动部件芯部硬度要求。
[0023]S2、根据设计要求将粉末冶金高速钢棒料进行半精加工，获得齿轮半精加工部件。
[0024]S3、将齿轮半精加工部件加热在550℃温度下进行稳定处理，保温时间为180min，保温结束后冷却至室温。加热及冷却过程通入氮气保护。
[0025]S4、将齿轮半精加工部件氮化表面进行吹砂处理，吹砂砂粒选用刚玉砂，砂粒目数80目，吹砂压力为0.2MPa，吹砂后氮化面为均匀一致吹砂色，无金属光泽。
[0026]S5，氮化处理
B1、将吹砂处理后的齿轮半精加工部件放入可控气氛炉中，密封炉体后，先进行抽真空处理，排除炉内的空气和杂质。
[0027]B2、通入氨气，将炉内压力调整至10MPa，以3℃/min的升温速率将炉温升高至510℃温度下保温，在升温过程中，氨分解率为35～45%。采用两段式氮化工艺;第一段氮化工艺的温度为510℃，氮势为0.5%，时间为35h;第二段氮化工艺的温度为510℃，氮势为0.3%，保温时间为20h。两段氮化工艺且氮势的改变，使得齿轮半精加工部件表面形成细小的氮化物组织，获得了较高的硬度及优异的耐磨损性能。
[0028]B3、停止通入氨气，炉内压力逐渐降低，待炉温冷却至室温温度后，取出齿轮半精加工部件，完成氮化处理。
[0029]S6、将氮化热处理后的齿轮半精加工部件进行精加工，获得粉末冶金高速钢齿轮。
[0030]粉末冶金高速钢齿轮理化检测：组织为细小的氮化物(马氏体)+均匀分布的碳化物组织，组织合格(见图1)，本实施例粉末冶金钢的有效硬化层深度0.45mm(测至心部硬度+50HV处)，表面硬度92.5HR15N，心部硬度41.0HRC，脆性Ⅰ级，符合技术要求。
[0031]所制备得到的粉末冶金高速钢齿轮具有优异的耐磨损、抗疲劳性能，具有高韧性、高强度及耐冲击特点。
[0032]对比例一
本对比例的一种粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，某型号发动机传动齿轮采用粉末冶金高速钢CPM10V制备而成，材料及机机加路线与实施例一大致相同，不同点在于未进行氮化热处理及氮化前吹砂处理。具体实施步骤包括：
S1，粉末冶金高速钢棒料进行调质热处理，包括以下步骤：
A1、将工件加热至1100℃，保温140min，使粉末冶金高速钢棒料组织充分奥氏体化。
[0033]A2、将粉末冶金高速钢棒料在50℃温度淬火油中淬火冷却处理，淬火冷却处理方式为油冷，获得淬火马氏体组织。粉末冶金高速钢棒料的芯部硬度为31-45HRC且表面硬度≥60HRC。
[0034]A3、将工件进行两次回火处理，在两次回火处理之间需要回复到室温，回火温度为660℃，保温时间为210min，回火保温时间满足后空冷至室温。
[0035]S2、根据设计要求将粉末冶金高速钢棒料进行半精加工，获得齿轮半精加工部件。
[0036]S3、将工件加热550℃进行稳定处理，保温时间为180min，加热及冷却过程通入氮气保护。
[0037]S4、将齿轮半精加工部件进行精加工，获得粉末冶金高速钢齿轮。
[0038]本对比例采用本发明调质参数加工后加工成品齿轮与经氮化热处理齿轮对比，验证氮化工艺的优势。取本对比例的粉末冶金高速钢齿轮进行硬度检查，从表面至心部硬度为39-41HRC。表面硬度较低，不符合设计表面硬度大于等于90HR15N要求，在高转速过程中齿轮表面易发生剥落，导致传动系统失效。
[0039]对比例二
本对比例二的一种粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，与实施例一大致相同，不同之处在于：步骤B2不同，具体包括以下步骤：
B2、通入氨气，将炉内压力调整至10MPa，以3℃/min的升温速率将炉温升高至510℃。在升温过程中，采用一段式氮化工艺，温度为510℃，使氨分解率稳定在30%，氮化时间为48h。
[0040]本对比例为了验证传统一段氮化工艺氮化后工件组织形态及硬度等指标是否满足传动齿轮要求。
[0041]理化检测：本对比例粉末冶金高速钢齿轮的组织为粗大的氮化物(马氏体)+碳化物组织，脆性Ⅱ级，本对比例的粉末冶金高速钢齿轮有效硬化层深度0.48mm(测至心部硬度+50HV处)，表面硬度94.5HR15N，心部硬度42.0HRC。组织存在粗大氮化物，不符合技术要求。
[0042]对比例三
本对比例三的一种粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法，与实施例一大致相同，不同之处在于：步骤A3不同，步骤A3具体包括以下步骤：
A3、将粉末冶金高速钢棒料进行两次回火处理，在两次回火处理之间需要回复到室温，回火温度采用传统标准要求温度520℃，保温时间为210min，两次回火保温时间满足后空冷至室温。
[0043]本对比例验证传统回火温度加工产品硬度指标是否满足设计要求。理化检测：取本对比例粉末冶金高速钢齿轮进行硬度检查，从表面至心部硬度为57-59HRC。不符合设计硬度31-45HRC硬度要求。
[0044]虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
说明书附图(1)
声明：
“粉末冶金高速钢齿轮的热处理方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：北方有色网
来源：中国航发中传机械有限公司
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