專利名稱：大功率采煤機末級傳動齒輪的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種齒輪的制造方法，特別是大功率采煤機末級傳動齒輪的制造方法，屬于金屬材料加工技術領域。
背景技術：
裝機總功率在1500KW以上的大功率采煤機，其傳動件的設計、材料選擇和制造工藝都是機械制造行業最高級別的。齒輪是機械設備中關鍵零件，要求齒輪既有優良的耐磨性，又要具備高的抗接觸疲勞和彎曲疲勞性能。齒輪質量的好壞，在很大程度上取決于齒輪材料及其加工方式。現有技術中以電爐鋼為原材料進行鍛造，然后進行加工前熱處理、齒輪 加工以及熱處理，最后噴丸得到齒輪成品。這樣生產的齒輪零件在中小功率采煤機上能基本滿足工況需求。但是由于大功率采煤機可靠性要求的提高，對齒輪零件的性能也有更高的要求，原來的生產加工方式無法滿足這種要求，主要體現在一下兩點原材料由于合金成分比較多(特別是提高淬透性合金元素Cr、Ni、W的存在)使得該材料的淬透性很好。在空冷條件下，也能得到M組織，再加上含碳量比較高，在滲碳淬火后的芯部硬度很高，大部分在44HRC以上，韌性指標明顯下降，導致齒輪在使用過程中提前失效，最終以開裂、斷裂齒而告終。原制造工藝采用普通的電爐鋼，致密度、均勻度、純凈度都不高，非金屬夾雜物不可避免地以一定數量、一定分布形式存在著，一般剛材中的偏析和疏松不可避免地存在著，從而導致材料的力學性能的下降。另外齒輪在齒部成型加工時，用線切割作為最終成型加工。線切割對高淬透性含鎳和鎢的材料性所產生的危害是巨大的。一方面材料表面產生顯微裂紋，另一方面材料將產生抗應力。齒輪在交變載荷的作用下，其表面微觀不平，凹凸處和表面缺陷處以及清晰可見的線切割溝痕處極易引起應力集中而產生疲勞裂紋或顯微裂紋的擴展，造成零件的疲勞破壞。在熱處理加工方面，由于受傳統工藝的影響，表面碳濃度偏高，由此造成金相組織不是太理想，特別是碳化物的級別都在2 3級，有時甚至達到4級。隨著碳化物級別的升高，疲勞強度將下降。齒輪失效分析時，常是疲勞裂紋發生在碳化物聚集的晶界上。從碳化物級別與疲勞循環次數間的關系，可以清楚地看到，當碳化物級別超過2級時，疲勞循環周次開始下降，碳化物超過3級甚至4級時，疲勞循環周次開始有明顯下降趨勢。由于碳化物級別的增大，齒面接觸疲勞和彎曲疲勞呈下降趨勢，齒面剝落、開裂、斷裂明顯增加。
發明內容
本發明的目的是提供一種可以提高齒輪零件疲勞強度，改善力學性能提高使用壽命的大功率采煤機末級傳動齒輪的制造方法。為實現上述發明目的，本發明的技術方案是這樣的一種大功率采煤機末級傳動齒輪的制造方法，其特征在于包括如下步驟
步驟一將原材料按如下質量百分比組分配料C :0. 12 O. 15%, Cr :1. 35 I. 45%,Si :0. 20 O. 30%,Mn :0. 30 O. 50%,W :0. 85 I. 00%,Ni :4. 05 4. 40%,P O O. 015%、S :0 O. 010%，其余為Fe，對入爐原輔材料的澆注系統進行充分干燥、清潔，將選擇的原材料進行真空脫氣精煉，而后進行電渣熔鑄得到鋼錠；步驟二 將鋼錠鍛造成齒輪坯料，鍛造比> 3 ；步驟三對齒輪坯料進行機械粗加工后進行預先熱處理工藝，所述預先熱處理工藝包括正火工藝和回火工藝，所述正火工 藝為將齒輪坯料加熱至930 960°C保溫4 7小時后空冷，所述回火工藝為將齒輪坯料加熱至660 690°C保溫4. 5 7. 5小時后空冷；步驟四對預先熱處理后齒輪坯料進行機械加工，機械加工包括對齒輪坯料進行粗加工、精加工以及電火花加工；步驟五對機械加工后的齒輪坯料進行線切割成型加工并留有一定余量，而后對其精銑加工至技術要求尺寸；步驟六對精銑加工后的齒輪進行后續熱處理，所述后續熱處理為將齒輪加熱至910 940°C滲碳保溫80 140小時，隨爐冷卻至850 900°C后出爐空冷，然后進行回火，所述回火為將齒輪加熱至650 680°C保溫4 7小時后空冷，再進行淬火，所述淬火為將齒輪加熱至765 830°C保溫180 240分鐘后淬火油冷至室溫，又經過-70土 1°C冷處理2 5小時，最后加熱至200 280°C出爐空冷至室溫；步驟七對齒輪進行強化噴丸處理得到齒輪成品。為了消除步驟四中機械加工時齒輪坯料內部產生的切削應力，防止坯料變形或開裂，所述步驟五中進行線切割成型加工前，對齒輪坯料進行第一次消應力回火，所述第一次消應力回火是加熱至600 650°C保溫4 6小時后空冷。為了消除步驟五中齒輪在線切割加工以及精銑加工時的切削應力，所述步驟六中進行后續熱處理前，對齒輪坯料進行第二次消應力回火，所述第二次消應力回火是加熱至500 550°C保溫4 6小時后空冷。優選地，所述步驟六中淬火油冷至室溫后在4 8小時內進行冷處理。優選地，所述步驟六中冷處理后將齒輪放在熱水中升溫至室溫。進一步地為了優化步驟七中噴丸處理的效果，所述步驟七中強化噴丸時噴丸機工作電流設定為18 22A，噴丸時間9 30分鐘，覆蓋率彡100%。齒輪的性能是由金相組織決定的，這取決于化學成分、冶煉方式及熱處理工藝。本發明中根據各個元素的所起作用確定其質量百分比，其中C :鋼中主要的強化元素，具有固溶強化或形成碳化物彌散強化。隨著含碳量的增力口，組織中碳化物的數量增多，尺寸加大，碳化物間距縮小。另外隨著含碳量的增加，組織中的碳化物增多，耐磨性提高，濃度提高，但韌性和塑性指標減少。Si :脫氧劑，固溶強化元素，有利提高基體強度，改善齒輪的耐磨性，硅易在鋼中的產生帶狀組織，從而使鋼材橫向性能低于縱向性能，使脆性轉變溫度升高，韌性下降。Cr :碳化物形成元素，能增加淬透性，有固溶強化作用。鉻的增加能有效的增加碳化物的數量，有利于齒輪材料的耐磨性和硬度，及強度的提高。但加入過多對齒輪材料的韌性和塑性有不利的作用。Mn :脫氧劑，固定碳形成MnS，可以除去FeS形成熱脆，增加淬透性，但錳含量過高會增加過熱敏感性。Ni :主要韌化元素，降低相變溫度增加淬透性。鎳加入量過多導致材料滲碳淬火后殘余奧氏體增多，影響表面硬度和耐磨性。W :強碳化物形成元素，細化晶粒，提高耐磨性及鋼的深度和韌性。缺點是過多的鎢使得滲碳淬火的表面存在大量的A，使熱處理復雜。S和P :有害元素硫和磷是原料中帶入的不可避免的微量雜質。磷是表面活性雜質，在晶界及相界面偏析嚴重，往往達到平均濃度的數十至上千倍。在鋼中多以磷化物的形式存在，對絕大數鋼而言，在室溫下鋼的塑性、韌性急劇下降，使鋼材產生冷脆。硫及硫化物的含量增加降低材料的各種韌性指標，鋼的斷裂韌性隨著夾雜物數量或長度的增加而下降。硫化物溶點低，使鋼材在熱加工過程中晶粒分離，引起材料斷裂，形成熱脆現象。硫使鋼的可焊性、沖擊韌性、耐疲勞性和抗腐蝕均降低。本發明在原料冶煉時采用電渣熔鑄提高了鋼的純度，降低有害元素硫的含量使得鋼錠表面光滑，組織均勻致密，金相組織均勻，為后續制造步驟提供良好的材料基礎。由于如背景技術中所述，線切割成型的齒輪表面易產生顯微裂紋，齒輪在交變載荷的作用下，其表面微觀不平，凹凸處和表面缺陷處以及清晰可見的線切割溝痕處極易引起應力集中而產生疲勞裂紋或顯微裂紋的擴展，造成零件的疲勞破壞。因此本發明的步驟五中，采用線切割成型并留有一定余量然后采用精銑加工完成最終成型，盡可能地減少了零件表面的顯微裂紋。本發明通過各熱處理工藝特別是滲碳時工藝參數的選擇，有效控制了碳化物等級處于2級以下，避免因碳化物級別的增大導致的齒面接觸疲勞和彎曲疲勞性能的下降，以及齒面剝落、開裂、斷裂明顯增加。本發明所述的大功率采煤機末級傳動齒輪的制造方法的優點在于，齒輪成品化學成分組成合理，表面硬度達到HRC55 61，芯部硬度達到HRC30 42，抗拉強度保持在1100 1250Mpa，沖擊功達到110 136J，整體力學性能優異，有效提高使用壽命。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步說明。實施例I :大功率采煤機末級傳動齒輪的制造方法，其特征在于包括如下步驟步驟一將原材料按如下質量百分比組分配料C :0. 12%,Cr :1. 35%,Si :0. 20%,Mn 0. 30%, W 0. 85%, Ni 4. 05%, P 0. 015%, S 0. 010%，其余為 Fe，對入爐原輔材料的澆注系統進行充分干燥、清潔，將選擇的原材料投入初煉爐冶煉后經過真空脫氣精煉爐進行真空脫氣處理，脫氧脫硫提高鋼水純凈度，把通過真空脫氣精煉的鋼鑄造或鍛壓成電渣熔鑄所需要的自耗電極，而后采用電渣熔鑄工藝進行熔煉，將自耗電極端頭逐漸熔化，熔融金屬匯聚成液滴，穿過渣池，落入結晶器，形成金屬熔池，受水冷作用，迅速凝固形成鋼錠；步驟二 采用液壓機將鋼錠鍛造成齒輪坯料，鍛造比> 3 ；步驟三對齒輪坯料進行機械粗加工后進行預先熱處理，包括正火和回火處理。先進行正火處理，將齒輪坯料加熱至930°C保溫4小時后空冷，然后進行回火處理，將齒輪坯料加熱至660°C保溫4. 5小時后空冷；
步驟四對預先熱處理后齒輪坯料進行機械加工，包括粗加工、精加工以及電火花加工；步驟五對機械加工后的齒輪坯料使用電火花線切割機進行線切割成型加工并留有一定余量，而后經過數控銑床進行精銑加工至技術要求尺寸；步驟六對精銑加工后的齒輪進行后續熱處理，即將齒輪加熱至910°C滲碳保溫80小時，隨爐冷卻至850°C后出爐空冷，然后進行回火，將齒輪加熱至650°C保溫4小時后空冷，再進行淬火，將齒輪加熱至765°C保溫180分鐘后淬火油冷至室溫，并在4小時內經過-70± 1°C冷處理2小時，冷處理后將齒輪放在熱水中升溫至室溫，最后加熱至200°C回火出爐空冷至室溫；步驟七選用HRC42 48的CrMo鑄鋼鋼丸對齒輪進行強化噴丸處理得到齒輪成品，強化噴丸時噴丸機工作電流設定為18A，噴丸時間9分鐘，覆蓋率> 100%。本實施例得到的齒輪成品金相組織及力學性能見表I、表2
權利要求
1.ー種大功率采煤機末級傳動齒輪的制造方法，其特征在于包括如下步驟 步驟ー將原材料按如下質量百分比組分配料c :0. 12 O. 15%、Cr:1.35 1.45%、Si 0. 20 O. 30 %、Mn :0. 30 O. 50 %、W :0. 85 I. 00 %、Ni :4. 05 4. 40 %、P :0 O.015%、S :0 O. 010%，其余為Fe，對入爐原輔材料的澆注系統進行充分干燥、清潔，將選擇的原材料進行真空脫氣精煉，而后進行電渣熔鑄得到鋼錠； 步驟ニ 將鋼錠鍛造成齒輪坯料，鍛造比> 3 ； 步驟三對齒輪坯料進行機械粗加工后進行預先熱處理工藝，所述預先熱處理工藝包括正火エ藝和回火エ藝，所述正火エ藝為將齒輪坯料加熱至930 960°C保溫4 7小時后空冷，所述回火エ藝為將齒輪坯料加熱至660 690°C保溫4. 5 7. 5小時后空冷； 步驟四對預先熱處理后齒輪坯料進行機械加工； 步驟五對機械加工后的齒輪坯料進行線切割成型加工并留有一定余量，而后對其精銑加工至技術要求尺寸； 步驟六對精銑加工后的齒輪進行后續熱處理，所述后續熱處理為將齒輪加熱至910 940°C滲碳保溫80 140小時，隨爐冷卻至850 900°C后出爐空冷，然后進行回火，所述回火為將齒輪加熱至650 680°C保溫4 7小時后空冷，再進行淬火，所述淬火為將齒輪加熱至765 830°C保溫180 240分鐘后淬火油冷至室溫，又經過_70±1°C冷處理2 5小時，最后加熱至200 280°C回火出爐空冷至室溫； 步驟七對齒輪進行強化噴丸處理得到齒輪成品。
2.根據權利要求I所述的大功率采煤機末級傳動齒輪的制造方法，其特征在于所述步驟五中進行線切割成型加工前，對齒輪坯料進行第一次消應カ回火，所述第一次消應カ回火是加熱至600 650°C保溫4 6小時后空冷。
3.根據權利要求I所述的大功率采煤機末級傳動齒輪的制造方法，其特征在于所述步驟六中進行后續熱處理前，對齒輪坯料進行第二次消應カ回火，所述第二次消應カ回火是加熱至500 550°C保溫4 6小時后空冷。
4.根據權利要求I所述的大功率采煤機末級傳動齒輪的制造方法，其特征在于所述步驟六中淬火油冷至室溫后在4 8小時內進行冷處理。
5.根據權利要求I所述的大功率采煤機末級傳動齒輪的制造方法，其特征在于所述步驟六中冷處理后將齒輪放在熱水中升溫至室溫。
6.根據權利要求I所述的大功率采煤機末級傳動齒輪的制造方法，其特征在于所述步驟七中強化噴丸時噴丸機工作電流設定為18 22A，噴丸時間9 30分鐘，覆蓋率彡 100%。
全文摘要
本發明公開了一種大功率采煤機末級傳動齒輪的制造方法，包括原料配比選擇，真空脫氣精煉，電渣熔鑄，鍛造，預先熱處理，機械加工，線切割，精銑，后續熱處理以及噴丸處理等步驟。本發明的制造方法通過齒輪化學成分的合理選擇，采用電渣熔鑄技術提高鋼水純凈度，優化熱處理工藝尤其是滲碳工藝的參數選擇，齒輪成品表面硬度達到HRC55～61，芯部硬度達到HRC30～42，抗拉強度保持在1100～1250MPa，沖擊功達到110～136J，整體力學性能優異，有效提高使用壽命。
文檔編號C21D9/32GK102837165SQ20121036500
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者袁岳東, 戴建平, 彭澤軍, 李超 申請人:常熟天地煤機裝備有限公司