40Cr齒輪鹽浴爐快速加熱表面淬火

■李小銀，崔軍，李軍，余長海

40Cr齒輪鹽浴爐快速加熱表面淬火

■李小銀，崔軍，李軍，余長海

摘要：研制并使用鹽浴爐快速加熱表面淬火保護(hù)裝置，對m8的40Cr重載齒輪實(shí)施鹽浴爐快速加熱和冷卻保護(hù)，確定了合適的鹽浴爐快速加熱表面淬火工藝，實(shí)現(xiàn)了齒輪的齒部表面淬火，從而解決了該齒輪采用中頻感應(yīng)淬火無法保證齒面硬度和齒根有一定硬化層深度，以及容易導(dǎo)致齒面磨損和輪齒折斷失效的技術(shù)難題。

一、概述

我公司生產(chǎn)的某液壓汽車起重機(jī)產(chǎn)品，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中帶動(dòng)吊臂起吊和旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，使用了圖1所示的開式齒輪傳動(dòng)的漸開線直齒正變位輸出重載齒輪，m＝8，z＝15，齒頂圓直徑為139.2mm，齒寬76mm，固定弦齒厚約為11.1mm，齒深為18.0mm。它是一個(gè)主動(dòng)輪，承受很大的工作載荷。齒輪的設(shè)計(jì)材料為40Cr，技術(shù)要求粗加工后調(diào)質(zhì)硬度260～300HBW，轉(zhuǎn)機(jī)加半精加工及插齒后再齒部表面淬火至50～55HRC。

該齒輪在開式傳動(dòng)環(huán)境下工作，灰塵和砂粒等易落入齒面間，在與內(nèi)齒圈嚙合工作時(shí)，通過齒面的接觸傳遞動(dòng)力和改變運(yùn)動(dòng)方向。因此，輪齒表面受到交變接觸應(yīng)力及摩擦力的作用，而齒根部則受到交變彎曲應(yīng)力的作用，根部彎曲應(yīng)力最大，而且應(yīng)力集中。同時(shí)，齒頂特別是齒根處磨損較嚴(yán)重。磨損后，齒廓已不是漸開線，齒側(cè)間隙增大，齒根變薄，從而降低了齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性和輪齒彎曲強(qiáng)度，甚至輪齒折斷。對于開式齒輪傳動(dòng)的硬齒面齒輪，齒面疲勞磨損和輪齒折斷是主要失效形式。因此，該齒輪在表面淬火時(shí)，既要保證齒面硬度，又要保證齒根部有一定的硬化層深度。從齒輪的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度出發(fā)，表面淬火齒輪的最佳硬化層深度為0.3～0.4m。我們設(shè)定齒輪合理的表面硬化層分布見圖2（a、b、c為合理的硬化層分布，d、e為不合理的硬化層分布），工藝要求齒面硬化層深2.4～3.2mm，齒根以下有≥1.5mm的硬化層深度，極限硬度值取齒輪的最低表面硬度要求50HRC。

圖1　齒輪示意

圖2　齒輪表面硬化層分布示意

對于m8齒輪的齒部表面淬火，通常采用中頻感應(yīng)淬火方法。該齒輪若采用中頻感應(yīng)淬火，一方面，不僅因齒槽較窄且較深，很難制作出合適的按齒槽仿形，并需加裝導(dǎo)磁體來驅(qū)流的V形結(jié)構(gòu)的單齒沿齒槽加熱中頻感應(yīng)淬火感應(yīng)器，且若用該中頻感應(yīng)淬火感應(yīng)器對齒槽逐一實(shí)施連續(xù)加熱或同時(shí)加熱表面淬火時(shí)，因固定弦齒厚較薄，也很易使已經(jīng)淬火的相鄰齒面因加熱屏蔽不好或旁邊冷卻不好產(chǎn)生回火而硬度下降，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，降低齒面的疲勞強(qiáng)度和耐磨性；另一方面，因輪齒較寬且深，若采用全齒的單匝或多匝圈式結(jié)構(gòu)的中頻感應(yīng)淬火感應(yīng)器對齒輪進(jìn)行兩次預(yù)熱+加熱后淬火，硬化層不易控制，用硬度法測試，硬化層＜2/3齒高，很難達(dá)到節(jié)圓以下齒面，齒根只有基體硬度，齒輪的表面淬火質(zhì)量得不到保證；同時(shí)，因多次加熱，齒輪的淬火變形較大，淬火后需增加磨齒工序并需修整鍵槽，增加了生產(chǎn)成本。

為了保證齒輪的齒部表面淬火質(zhì)量，減小淬火變形，降低生產(chǎn)成本，決定采用鹽浴爐快速加熱表面淬火的工藝方法來實(shí)現(xiàn)齒輪的齒部表面淬火，確保齒面硬度和齒根有≥1.5mm的硬化層深度和較高的彎曲疲勞強(qiáng)度，從而滿足齒輪的使用要求，避免齒面嚴(yán)重磨損和輪齒折斷失效。

二、可行性分析

對于齒輪類零件，若采用鹽浴爐快速加熱（爐溫超出正常加熱溫度100～150℃，工件入爐后，爐溫要保持平穩(wěn)，波動(dòng)不超過30℃），一方面，因加熱溫度高，加熱速度就快；另一方面，因齒部的有效受熱面積比內(nèi)孔和端面大得多，故齒部的加熱速度也較快。同時(shí)，根據(jù)齒輪形狀尺寸，相似于管子零件，兩端敞開加熱比兩端封閉加熱要快兩倍，因此，若齒輪內(nèi)孔兩端再用鋼板夾具夾緊，使內(nèi)孔和端面只靠傳導(dǎo)加熱，加熱速度慢，這樣可以進(jìn)一步加大齒部與端面和內(nèi)孔的溫度差，能達(dá)到齒輪的齒部表面快速加熱表面淬火的目的。因此，采用鹽浴爐快速加熱可實(shí)現(xiàn)齒輪的齒部表面淬火。

三、鹽浴爐快速加熱表面淬火

1. 快速加熱表面淬火裝置

我們研制了圖3所示的快速加熱表面淬火保護(hù)裝置，由壓塊Ⅰ、壓塊Ⅱ、M16螺栓和M16螺母組成，并在M16的螺栓上焊一個(gè)M8的吊裝螺母。此快速加熱表面淬火保護(hù)裝置可以增加不需淬火部位加熱的有效厚度，減緩內(nèi)孔、端面和不需淬火的外圓表面等位置的加熱速度。保護(hù)裝置中的所有零件均采用低碳鋼如Q235鋼或20鋼制造，防止其因淬火而引起變形和裂紋。壓塊Ⅰ和壓塊Ⅱ的外圓直徑一般應(yīng)與齒根圓直徑相同或小2～3mm，厚度分別為20mm和30mm。

2. 淬火

（1）齒輪的吊裝齒輪淬火加熱和冷卻時(shí)的吊裝方式見圖3，采用單個(gè)齒輪吊裝加熱和冷卻。齒輪兩端必須用快速加熱表面淬火保護(hù)裝置夾緊，以減緩內(nèi)孔和端面的加熱速度，防止鹽液和大量的淬火油進(jìn)入內(nèi)孔。

一般齒輪直徑小于150mm時(shí)，采用單個(gè)或成串浸入鹽浴中加熱，個(gè)數(shù)的多少，以不顯著降低鹽浴溫度（溫度波動(dòng)不超過30℃）為原則。當(dāng)齒輪直徑大于150mm時(shí)，采用旋轉(zhuǎn)式加熱，轉(zhuǎn)動(dòng)速度保持0.5～1r/s恒定，必須正、反轉(zhuǎn)相繼進(jìn)行。

齒輪快速加熱時(shí)，為避免壓塊Ⅱ因多次高溫加熱變形而影響齒輪端面與內(nèi)孔的密封和齒輪快速加熱表面淬火效果，壓塊Ⅱ及其以上部分不進(jìn)入鹽浴爐中加熱（見圖3）。

（2）烘干為了防止發(fā)生鹽液飛濺傷人，齒輪在進(jìn)入鹽浴爐加熱前，必須與快速加熱表面淬火保護(hù)裝置固裝在一起，在30kW箱式電阻爐中進(jìn)行（200～250）℃×1h的預(yù)熱，以烘干工件和快速加熱表面淬火保護(hù)裝置表面的水分。

圖3　齒輪加熱和冷卻時(shí)的吊裝示意

（3）淬火首先是快速加熱表面淬火溫度。工件要達(dá)到快速加熱的目的，爐溫就必須比正常加熱溫度高得多。40Cr材料正常淬火加熱溫度為830～860℃，采用鹽浴爐快速加熱時(shí)，爐溫應(yīng)超出正常淬火加熱溫度100～150℃。因此，齒輪的快速加熱溫度應(yīng)為930～1010℃。因我公司沒有高溫鹽浴爐，故選用中溫鹽浴爐加熱，選擇快速加熱表面淬火溫度為（930+10）℃。

其次是加熱時(shí)間。加熱時(shí)間的控制，是快速加熱工藝成敗的關(guān)鍵因素之一，對質(zhì)量影響很大。時(shí)間過長，工件不僅透燒，淬火變形大，達(dá)不到表面淬火的目的，且會(huì)造成表面過熱，晶粒粗大，性能變壞；而加熱時(shí)間不足，則硬度不夠或硬化層太淺。鹽浴爐快速加熱，對于碳鋼和低中碳低合金鋼件，有效厚度在10～60mm時(shí)，加熱系數(shù)為6～8s/mm。同時(shí)，經(jīng)過工藝試驗(yàn)，在保證工件入爐后爐溫波動(dòng)不超過30℃的情況下，以目測齒輪根部表面實(shí)際加熱溫度達(dá)到正常淬火加熱溫度830～860℃為依據(jù)，確定了齒輪鹽浴爐快速加熱時(shí)間為150～168s，夏天取中下限，冬天取中上限。

最后是淬火冷卻。齒輪鹽浴爐快速加熱后，迅速出爐進(jìn)入L-AN32全損耗系統(tǒng)用油中冷卻至室溫。入油后，工件要上下來回移動(dòng)，以保證工件均勻冷卻，減少淬火變形。

（4）回火拆下快速加熱表面淬火保護(hù)裝置后，對工件進(jìn)行回火?；鼗鸩捎?5k W箱式電阻爐加熱，回火工藝為（200±20）℃×3h，空冷。

四、檢測結(jié)果

1. 硬度試驗(yàn)

經(jīng)鹽浴爐快速加熱表面淬火+箱式爐回火后的齒輪，用HR-150A洛氏硬度計(jì)測試齒頂和齒根以下2～3mm處的硬度，都在51 ～53HRC，硬度合格。

2. 硬化層深度試驗(yàn)

經(jīng)鹽浴爐快速加熱表面淬火+箱式爐回火后的齒輪，用線切割加工出金相試樣，并用金相顯微鏡檢查金相組織，齒部表面馬氏體級別為4～5級，為合格組織。用顯微硬度計(jì)檢測硬化層深度，獲得仿齒形硬化層（見圖2c），齒面硬化層深為3.1～3.2mm，齒根部（徑向）硬化層深3～3.15mm。

硬度試驗(yàn)和硬化層深度試驗(yàn)結(jié)果表明：齒輪用鹽浴爐快速加熱表面淬火+箱式爐回火的工藝方法，達(dá)到了齒部表面淬火的目的。在齒輪的批量生產(chǎn)中，我們用洛氏硬度計(jì)在齒輪端面齒根以下2～3mm處檢測硬度，若在50 ～55HRC，則判定為合格品。從投放市場的產(chǎn)品使用情況看，未發(fā)現(xiàn)齒面磨損和輪齒折斷失效的質(zhì)量問題，該齒輪的質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

3. 淬火變形測試

齒輪經(jīng)鹽浴爐快速加熱表面淬火+箱式爐回火后，節(jié)圓、齒向、跨齒距變形都在0.01～0.05mm，在公差要求范圍內(nèi)。內(nèi)孔收縮了0.05～0.10mm，通過精加工，達(dá)到了產(chǎn)品要求。鹽浴爐快速加熱表面淬火變形比中頻感應(yīng)淬火變形要小得多，齒輪的齒形和鍵槽的變形均較小，能夠滿足使用要求，淬火后可以不磨齒和修整鍵槽，從而降低了生產(chǎn)成本。

五、結(jié)語

（1） m8模數(shù)的40Cr齒輪，采用鹽浴爐快速加熱表面淬火+箱式爐低溫回火，獲得了沿齒廓分布的硬化層，齒面硬度達(dá)到51 ～55HRC，具有高的耐磨性；齒根有≥1.5mm的硬化層深度，具有較高的彎曲疲勞強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)了齒輪的齒部表面淬火，其淬火質(zhì)量達(dá)到了設(shè)計(jì)和使用要求。

（2） 鹽浴爐快速加熱表面淬火法，只適用于碳素鋼或低中碳低合金鋼制齒輪、軸、軸套等零件。采用鹽浴爐快速加熱表面淬火時(shí)，必須嚴(yán)格控制加熱時(shí)間，以工件表面或齒輪的齒根表面實(shí)際溫度達(dá)到正常淬火溫度（40Cr為830～860℃）為宜，否則會(huì)引起工件表面過熱，晶粒粗大，降低工件使用性能。

（3） 該技術(shù)可推廣應(yīng)用到模數(shù)為4～10的齒輪、蝸桿等表面淬火零件，特別是很難制作合適的中高頻感應(yīng)淬火感應(yīng)器以實(shí)現(xiàn)表面淬火的齒輪、蝸桿等零件，對于缺乏中高頻設(shè)備的企業(yè)也具有很大的實(shí)用價(jià)值。我公司現(xiàn)已將該技術(shù)應(yīng)用到模數(shù)為6或8 的40Cr和45鋼蝸桿、45鋼齒輪以及45鋼活塞桿的球頭表面淬火生產(chǎn)中，應(yīng)用效果良好。

20150118

作者簡介：李小銀、崔軍、李軍、余長海，重慶大江工業(yè)有限責(zé)任公司。