影響大模數(shù)齒輪感應(yīng)淬火硬化層的因素分析

李丹，薛偉

淬火分為整體淬火和表面淬火，其中表面淬火的加熱方式一般采取感應(yīng)加熱。感應(yīng)加熱屬于快速加熱的熱處理工藝，其加熱參數(shù)如加熱速度、電流透入深度、工件材料、淬火冷卻介質(zhì)、淬透深度等對(duì)于相變溫度、相變動(dòng)力學(xué)和形成的組織都有很大的影響。

生產(chǎn)中，針對(duì)感應(yīng)淬火工件材料成分，一方面，確定感應(yīng)淬火機(jī)床電源加熱頻率、輸出功率、感應(yīng)器移動(dòng)速度、感應(yīng)器間隙等參數(shù)來控制加熱速度和電流透入深度；另一方面，淬火冷卻介質(zhì)、噴淋裝置的冷卻能力控制淬透深度，通過調(diào)整兩個(gè)方面的因素來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的淬火硬化層深度。

1.技術(shù)要求

生產(chǎn)工件為大直徑偏心齒輪，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，齒輪由齒圈及偏心體兩部分組成，齒圈材質(zhì)為45鋼，生產(chǎn)工序?yàn)辇X部表面包齒淬火、回火。零件表面要求達(dá)到的表面硬度48HRC、淬硬層為3～5mm以滿足齒輪嚙合時(shí)的接觸強(qiáng)度、齒根抗彎強(qiáng)度及抗疲勞性能。

2.感應(yīng)淬火工藝參數(shù)

（1）加熱溫度 齒圈原始組織為調(diào)質(zhì)組織，由于中頻感應(yīng)加熱速度快，加熱溫度可適當(dāng)提高，45鋼加熱溫度控制在850～880℃。

（2）頻率 中頻電流透入深度計(jì)算公式

式中 d——透入深度；

μ——材料磁導(dǎo)率；

?——電流頻率。

具體生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)值參考表1。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著頻率的降低，電流透入深度隨之增大，根據(jù)不同的硬度要求，中頻電流頻率一般要控制在8000Hz以下。

（3）淬火冷卻介質(zhì) 45鋼等形狀簡(jiǎn)單零件可以直接選用自來水作為淬火冷卻介質(zhì)，溫度控制在18～50℃，采用連續(xù)淬火方法，加熱和冷卻淬火連續(xù)進(jìn)行。冷卻噴淋裝置45°角噴淋工件。

3.工藝試驗(yàn)結(jié)果及分析

調(diào)整合適電參數(shù)符合工藝要求，對(duì)齒輪試樣進(jìn)行淬火試驗(yàn)，采用控制變量法，分別進(jìn)行6組試驗(yàn)，試樣齒部標(biāo)號(hào)57～62，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

各個(gè)試樣回火后進(jìn)行理化檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表2和表3中的數(shù)據(jù)顯示：

（1）對(duì)比標(biāo)號(hào)為57和58、60和62的兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知淬火冷卻介質(zhì)溫度對(duì)淬硬層的影響，表現(xiàn)為淬火冷卻介質(zhì)溫度在20～50℃時(shí)，淬硬層深度隨著淬火冷卻介質(zhì)溫度的降低而增大，且感應(yīng)層深度的變化范圍在0.12～0.428mm，并且這一范圍隨著感應(yīng)器移動(dòng)速度的加快而增大。

圖 1

表 1

由于淬火冷卻介質(zhì)溫度降低時(shí)，噴淋冷卻能力提高，淬透深度增加，使得工件淬硬層增大，同時(shí)當(dāng)移動(dòng)速度加快時(shí)，感應(yīng)器對(duì)齒部加熱與噴淋裝置噴淋時(shí)間間隔變短，進(jìn)一步提高了冷卻能力。

（2）對(duì)比分析標(biāo)號(hào)59和60的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明工件淬火時(shí)電源輸出功率對(duì)硬化層的影響，當(dāng)功率增加13.5kW時(shí)，硬化層增加0.6mm左右。

由于感應(yīng)加熱主要靠感應(yīng)器對(duì)工件感應(yīng)加熱的趨膚效應(yīng)，在工件表面形成渦流，越接近表面，溫度越高。當(dāng)電源輸出功率增大時(shí)，渦流能量大，加熱速度快，同時(shí)工件相對(duì)靠?jī)?nèi)的位置溫度也高，從而達(dá)到淬火溫度。但在實(shí)際生產(chǎn)中，過大的功率會(huì)造成工件表面溫度過高，有增大淬火裂紋的傾向。

（3）標(biāo)號(hào)59和61的數(shù)據(jù)表明感應(yīng)器移動(dòng)速度對(duì)硬化層的影響。在連續(xù)淬火時(shí)，當(dāng)感應(yīng)器移動(dòng)速度增加50mm/min，硬化層將降低1mm左右，表現(xiàn)出移動(dòng)速度影響非常大，工件感應(yīng)加熱時(shí)，移動(dòng)速度的快慢直接影響電流透入工件加熱的時(shí)間，選擇合適的感應(yīng)器移動(dòng)速度才能保證電流透入深度，達(dá)到要求的硬化層深度。

表 2

表 3

4.結(jié)語

因電源輸出功率、頻率、感應(yīng)器移動(dòng)速度、淬火冷卻介質(zhì)成分及溫度等工藝參數(shù)均對(duì)硬化層深度有一定的影響，只有在生產(chǎn)中多次總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整合適的工藝參數(shù)，才能確保生產(chǎn)出合適硬化層且無裂紋的工件。

經(jīng)過多次試驗(yàn)分析及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)，對(duì)于45鋼大模數(shù)齒輪表面感應(yīng)淬火，感應(yīng)器的移動(dòng)速度選擇在120～150mm/min之間，設(shè)備功率選擇在39～45kW，設(shè)備頻率4200Hz，淬火冷卻介質(zhì)溫度控制在20～40℃，可以得到3～5mm厚的硬化層。

圖2 57#和58#試樣感應(yīng)淬火硬化層宏觀分布形態(tài)

圖3 59#和60#試樣感應(yīng)淬火硬化層宏觀分布形態(tài)

圖4 61#和62#試樣感應(yīng)淬火硬化層宏觀分布形態(tài)