一种连铸坯制备实心太阳轮轴的锻造工艺的制作方法

本发明涉及齿轮锻造成形，尤其涉及一种连铸坯制备实心太阳轮轴的锻造工艺。

背景技术：

1、实心太阳轮轴是行星传动机构中的核心零件，广泛应用于风电齿轮箱、工程机械、汽车变速器等领域。太阳轮轴在工作过程中，轴部主要承受扭转疲劳载荷，轮缘齿部承受弯曲疲劳载荷和接触磨损载荷，不同区域对力学性能的要求存在显著差异。同时，由于太阳轮轴轴部细长、轮缘厚大，轴部与轮缘的截面尺寸差异显著，在热处理淬火过程中极易产生较大的截面硬度不均，导致齿根弯曲疲劳强度和轴部扭转疲劳寿命不匹配，严重制约了整机的可靠性和使用寿命。因此，如何通过锻造工艺实现同一零件不同区域性能的差异化调控，是该领域长期面临的技术难题。

2、目前，实心太阳轮轴的锻造主要采用模铸锭作为原材料。例如，中国专利公开号cn117798313a公开了一种太阳轮锻件的加工工艺，其采用18.3t大锭型的模铸锭进行开坯锻造，经2次镦拔工艺预做锻造比后，再采用3镦粗3拔长制坯以及辗环1火次锻造成型。该工艺虽然能够满足一定的性能要求，但模铸锭的材料利用率较低（通常仅为75%左右），且生产流程长、能耗高、成本高昂。此外，模铸锭本身存在锭型偏析、缩孔等冶金缺陷，增加了锻造后产品探伤不合格的风险。

3、近年来，出现了采用连铸坯替代模铸锭锻造轴类零件的技术尝试。例如，中国专利公开号cn118744219a公开了一种使用连铸坯快速成型大型轴类实心锻件的制造方法，通过模锻挤压将连铸棒状坯料成形为轴类挤压件。中国专利公开号cn119016652a公开了一种连铸坯生产大直径实心锻件的锻造方法，采用柱面v型砧压钳口后平分镦粗的方式解决心部压实效果差的问题。然而，上述现有技术仍存在以下不足：连铸坯固有的中心碳偏析、心部疏松、表层柱状晶等冶金缺陷，在常规单向或多向镦拔工艺下改善有限。尤其是中心碳偏析带在后续服役过程中易成为轴部扭转疲劳的裂纹源，而表层柱状晶未被有效利用，轮缘齿部的耐磨性和疲劳强度难以进一步提升。更重要的是，上述现有工艺均未针对太阳轮轴轴部与轮缘厚薄差异大的结构特点，提出分区调控组织性能的锻造方案，截面硬度不均问题依然突出。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种采用连铸坯制备实心太阳轮轴的锻造工艺，旨在通过材料微合金化设计与分温区多工序联动锻造相结合，充分利用连铸坯原料优势并针对性消除其固有缺陷，实现实心太阳轮轴轴部与轮缘组织的差异化调控，解决太阳轮轴齿根弯曲疲劳、轴部扭转疲劳、齿面接触磨损及截面硬度不均等专属技术问题。

3、（二）技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种采用连铸坯制备实心太阳轮轴的锻造工艺。包括以下步骤：

5、一种连铸坯制备实心太阳轮轴的锻造工艺，包括以下步骤：

6、s1 坯料制备：将连铸坯锯切下料，获得所需规格的圆柱状坯料；

7、s2 阶梯升温与高温扩散：将坯料先升温至650～700℃保温预热，再升温至1220～1250℃进行高温扩散处理，扩散完成后降温至锻造温度；

8、s3 分温区锻造成形：依次进行低温径向预镦粗、高温轴向镦拔、中温径向摆辗；其中，低温径向预镦粗温度为950～1000℃，高温轴向镦拔温度为1150～1200℃，中温径向摆辗温度为900～950℃，通过径向摆辗成形太阳轮轮缘部位，制得轮坯预制体；

9、s4 锻后余热分级冷却：终锻后坯料温度不低于850℃时，依次经空冷、喷雾冷却、炉冷缓冷三级冷却；

10、s5 低温回火：对冷却后的坯料进行低温回火处理；

11、s6 冷精锻齿形：对回火后的轮坯预制体采用冷精锻工艺成形渐开线齿形，制得实心太阳轮轴锻件。

12、进一步地，步骤s1中，所述连铸坯的化学成分按质量分数计包含：c 0.38～0.45%，si 0.15～0.35%，mn 0.80～1.20%，cr 0.60～1.00%，nb 0.02～0.05%，ti 0.01～0.03%，p≤0.015%，s≤0.015%，余量为fe及不可避免杂质；其中，mn元素与cr元素的质量比为(1.2～1.5):1。该成分体系通过mn、cr元素的合理配比及nb、ti微合金化设计，可在高温扩散和分温区锻造过程中有效抑制晶粒长大，同时提高轮缘齿形部位的冷精锻成形性能。

13、进一步地，步骤s2中，以80～100℃/h的升温速率升温至650～700℃后，保温2～3h，使坯料内外温度均匀并完成低温去应力；之后继续升温至1220～1250℃进行高温扩散处理，保温时长为4～6h，使合金元素充分扩散，消除连铸坯原始偏析和中心疏松；扩散完成后，降温至1180～1220℃进入锻造工序。

14、进一步地，步骤s3中，低温径向预镦粗的总变形量为10～15%，变形力沿坯料径向对称施加，用以初步破碎铸态组织并为后续变形提供均匀的初始流变条件；预镦粗完成后，将坯料回温至高温轴向镦拔的温度区间。

15、进一步地，步骤s3中，高温轴向镦拔的总变形量为40～45%，锻造过程采用定心工装定位，使坯料轴心与零件轴心保持重合，从而保证轴身部位的中心致密与流线连续。

16、进一步地，步骤s3中，中温径向摆辗的轮缘处总变形量为25～30%；摆辗的摆头倾角为3°～5°，进给速率为0.5～1.0mm/s。该中温摆辗工艺可有效促进轮缘部位金属沿径向有序流动，形成与齿形轮廓相适应的纤维分布。

17、进一步地，步骤s4中，空冷阶段以5～8℃/s的速率冷却至780～800℃；喷雾冷却阶段以15～20℃/s的速率冷却至550～600℃；炉冷缓冷阶段冷却至200℃后出炉。该分级冷却制度可避免因冷速过快导致的变形开裂，同时为后续低温回火提供合理的组织准备。

18、进一步地，步骤s5中，低温回火的温度为200～240℃，保温时长为3～5h，回火后随炉冷却至室温，用以消除锻后残余应力并稳定组织。

19、（三）有益效果

20、本发明目的在于提供一种连铸坯制备实心太阳轮轴的锻造工艺，具有以下有益效果：

21、首先，通过阶梯升温与高温扩散处理，在避免坯料热冲击开裂的前提下，使合金元素充分扩散，有效消除连铸坯的中心偏析与疏松等组织遗传缺陷，为后续锻造提供优质的坯料心部质量基础。

22、然后，采用低温径向预镦粗、高温轴向镦拔和中温径向摆辗的分温区变形设计，在低温阶段对坯料进行表面硬化约束下的初步压缩，破碎粗大铸态组织的同时，在晶粒内部引入大量位错和亚晶界，为后续高温动态再结晶储备充足的形核位点；在高温阶段利用高塑性和低变形抗力完成轴身大变形拔长，低温预变形引入的亚结构在该阶段诱导发生充分的动态再结晶，结合定心工装保证轴心致密与流线连续，有效细化了轴部晶粒并消除了中心偏析带；在中温阶段通过摆辗对轮缘区域实施精确的径向扩展，形成与后续齿形成形相匹配的纤维分布。三种温度区间协同作用，解决了单一温度锻造难以同时兼顾轴身致密与轮缘成形的矛盾。配合nb、ti微合金化元素的碳氮化物在晶界的钉扎效应，进一步抑制了高温阶段晶粒的异常长大，实现了细晶强化与析出强化的叠加效果。

23、其次，通过三级的冷却制度在保证锻件不开裂的前提下，实现对晶粒度和相组成的精确控制；低温回火进一步消除残余应力，使锻件在轮坯预制体阶段即具备优良的综合力学性能和尺寸稳定性，为后续冷精锻齿形创造条件。

24、最后，采用冷精锻工艺成形渐开线齿形，一方面利用冷变形强化效应提高齿面硬度与抗疲劳性能，另一方面获得高精度齿形轮廓，显著减少后续机加工余量，提升材料利用率和生产效率。