主動圓柱齒輪軸感應(yīng)淬火技術(shù)的研究

張翠麗

【摘? 要】本文主要從感應(yīng)器的設(shè)計、淬火介質(zhì)的選擇與控制、淬火前半成品的設(shè)計加工等各方面，論述了主動圓柱齒輪軸的中頻感應(yīng)淬火技術(shù)，通過應(yīng)用仿形感應(yīng)器加熱淬火，并采用水溶性淬火液冷卻，彌補了傳統(tǒng)感應(yīng)器產(chǎn)生的不足，避免了零件表面開裂缺陷，實現(xiàn)了主動圓柱齒輪軸同步感應(yīng)淬火。

【關(guān)鍵詞】圓柱齒輪軸;仿形感應(yīng)器;感應(yīng)淬火;開裂因素;控制措施

引言

主動圓柱齒輪軸是用于主動、被動齒輪之間傳遞轉(zhuǎn)動、扭矩或彎矩，并與之一起回轉(zhuǎn)的傳動零件，該零件結(jié)構(gòu)和使用方式?jīng)Q定了它應(yīng)具有表面高強度、高耐磨性，而心部具有良好韌性，且能承受高轉(zhuǎn)矩的特點。傳統(tǒng)的熱處理強化方法主要采用表面滲碳淬火，但采用普通滲碳淬火工藝可能會產(chǎn)生諸多不足，常見的問題有：同一零件不同部位要求難以保證，零件較粗時心部硬度偏低，滲碳淬火生產(chǎn)周期長、變形大。而目前正在興起的采用中碳鋼調(diào)質(zhì)+感應(yīng)淬火工藝，不但解決了傳統(tǒng)滲碳淬火過程中存在的難題，而且極大地提高了生產(chǎn)效率。

本文所述齒輪軸采用42CrMoH材料，零件采用三段式外花鍵設(shè)計，硬化層區(qū)別要求。

零件硬化層要求：桿部：9.0-11mm，花鍵處：5.5-8.5mm，R弧處：≥4mm，軸兩端和中部花鍵局部不要求淬火，詳見下圖：

表面硬度：56-62HRC。

零件制造路線為：鍛造--正火--粗車--調(diào)質(zhì)--精車加工--中頻淬火--磨外圓。42CrMoH材料中加入大量的Mo元素，一方面提高鋼材的淬透性，增加回火穩(wěn)定性，消除第二類回火脆性;另一方面因材料淬透性的提高，增大了感應(yīng)淬火開裂傾向。下文主要從感應(yīng)器設(shè)計，工藝方法、冷卻介質(zhì)的控制、開裂原因和預(yù)防措施等方面介紹了主動圓柱齒輪軸的中頻感應(yīng)淬火技術(shù)。

1.仿形感應(yīng)器的特點和優(yōu)勢

（1）起初試驗此產(chǎn)品時，采用了掃描式圓圈感應(yīng)器淬火，結(jié)果未能達到圖紙要求，主要存在以下幾方面的問題：

①φ106圓和φ93圓端面始終存在加熱不足的現(xiàn)象，溫度很難達到830℃以上，淬火后此兩處硬度低于56HRC;②R弧硬化層<4mm;③φ93圓、φ70圓、φ56圓處硬化層深不一致;④表面金相組織：針狀和板條狀馬氏體，并有少量的托氏體和鐵素體。

針對上述試驗中出現(xiàn)的問題進行分析，由于該齒輪軸粗細不一致，在同一掃描感應(yīng)圈加熱時，隨感應(yīng)器與零件間距的增大，集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)隨之減弱，單位表面積上電流減小，加熱不足，導(dǎo)致局部表面溫度較低、奧氏體化不完全，冷卻后不同部位硬化層不均，表面硬度和金相組織不合格。

（2）針對采用掃描式圓圈感應(yīng)器淬火出現(xiàn)的問題改進了感應(yīng)器結(jié)構(gòu)，，采用仿形式感應(yīng)器加熱，并配套使用水盒兩側(cè)噴水，試驗情況得到明顯改善。淬火后零件表面硬度58HRC以上，各處硬化層符合圖紙要求，表面金相組織：針狀和板條狀馬氏體，淬硬層內(nèi)未出現(xiàn)托氏體等非馬氏體組織。仿形感應(yīng)器試驗成功的原因在于：

①仿形感應(yīng)器是完全按照零件的結(jié)構(gòu)和淬硬層區(qū)域仿制而成，并具備整體同步加熱、同步淬火的特點，此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于感應(yīng)器與零件表面的間距基本一致（2-3mm），實現(xiàn)了同步加熱。

②仿形感應(yīng)器在設(shè)計時充分利用電磁感應(yīng)、集膚效應(yīng)、熱傳導(dǎo)等基本原理，通過機械加工、焊接而成。在設(shè)計感應(yīng)器時，針對φ106和φ93外圓端面倒角處設(shè)計為角狀，考慮到花鍵、R角，臺階等不易加熱，故在感應(yīng)器對應(yīng)位置外加導(dǎo)磁體，使電流集中，有效提高了集膚效應(yīng)和熱傳導(dǎo)效應(yīng)，提高了R角和臺階部位溫度，實現(xiàn)了不同部位同步加熱淬火的目的，避免了掃描式圓圈感應(yīng)器加熱淬火存在的缺陷。另外，仿形感應(yīng)器與掃描式感應(yīng)器相比，除淬后火零件的質(zhì)量穩(wěn)定外，生產(chǎn)效率也較后者提高不少。

2.中頻淬火工藝

（1）應(yīng)用設(shè)備：使用立式數(shù)控淬火機床+可控硅中頻電源。主要參數(shù)：額定功率160kw，輸出頻率：4000HZ，輸出電流400A。仿形感應(yīng)器。

（2）工藝參數(shù)。實際功率：130kw，直流電壓：425V，直流電流：305A，中頻電壓：475V，中頻頻率：4200HZ;主軸轉(zhuǎn)速：240r/min，冷卻介質(zhì)：水溶性淬火液（今禹8-60），按8%-10%配比。

加熱時間：長端為28S，短端為21S;噴液冷卻時間：長端40-43S，短端30-33S。

回火溫度/時間：150×3小時。

（3）檢測結(jié)果：花鍵處表面硬度：58.0-59.5HRC，桿部：56.5-57HRC;各處硬化層均符合圖紙要求。

金相組織：針狀+板條狀馬氏體，未發(fā)現(xiàn)明顯的非馬組織，在表層下7mm左右開始出現(xiàn)少量游離狀鐵素體，符合感應(yīng)淬火金相標(biāo)準。

3.影響零件開裂的因素和控制措施

（1）開裂因素分析。該零件設(shè)計用材料為42CrMoH，要求表面硬度56-62HRC，起初試驗階段，基于從提高表面耐磨性和強度的方向考慮，采用噴水冷卻，淬火后表面硬度達到60HRC，R圓弧達到58HRC，硬化層和金相組織亦符合要求，但出現(xiàn)了表層花鍵端部開裂的現(xiàn)象，開裂比例約30%。裂紋延伸方向大多為圓周方向，多出現(xiàn)在倒角處，開裂原因主要是零件的尖角效應(yīng)和淬火組織應(yīng)力、熱應(yīng)力的綜合體現(xiàn)。

經(jīng)分析，從齒輪軸淬火前結(jié)構(gòu)考慮，如果將花鍵倒角處設(shè)計加工為大R弧，同時通過控制水溫和噴水時間，應(yīng)該能避免裂紋出現(xiàn)，但由于淬火后硬度較高，R弧加工難度較大，且對花鍵會產(chǎn)生不利影響。另外，如外界氣溫較低時，水溫不易控制，淬火零件仍存在開裂的隱患，最終否定采用噴水冷卻的方法，轉(zhuǎn)變思路，考慮使用水基淬火液進行冷卻。根據(jù)材料性能和該產(chǎn)品的技術(shù)要求選用了水溶性淬火液--今禹8-60型。經(jīng)試驗按8%-10%的比例配比最為理想，未出現(xiàn)裂紋，且試驗結(jié)果得到明顯的改善。

（2）防止裂紋的控制措施：①采用水溶性淬火液，合理控制淬火液的濃度和冷卻時間。

②改進感應(yīng)器，針對R圓角和φ106和φ93外圓端面處，在仿形感應(yīng)器對應(yīng)位置處增加導(dǎo)磁體，提高了倒角、圓臺處的奧氏體化溫度，彌補了因冷速降低而造成的表面硬度下降。

③嚴格控制淬火、回火時間間隔，回火充分，規(guī)定一小時內(nèi)回火。

④合理控制淬火前零件的加工過程，嚴禁出現(xiàn)倒角尖銳、過度圓臺倒角太小、花鍵鍵槽毛刺較大、花鍵撕裂等加工缺陷。

4.總結(jié)

采用仿形感應(yīng)器中頻感應(yīng)淬火，不但能夠避免齒輪軸表層硬度低和硬化層不均勻現(xiàn)象，而且滿足了齒輪軸R圓角、臺階部位的淬硬層要求，實現(xiàn)了同步加熱。主要有以下優(yōu)勢：

（1）由于零件與感應(yīng)器均處于固定狀態(tài)，克服了傳統(tǒng)掃描式感應(yīng)器加熱時因移動而產(chǎn)生質(zhì)量不穩(wěn)定的情況。

（2）感應(yīng)器加熱部位與冷卻套獨立設(shè)置，不易損壞，維護成本低，生產(chǎn)效率高。

（3）通過合理控制水溶性淬火液的濃度和噴冷時間、淬火前加工的精度和倒角、以及回火的及時性，避免了零件的淬火開裂和后期早期失效的危險，提高了表面強度和轉(zhuǎn)矩性能。

參考文獻

[1]中國工程機械學(xué)會熱處理學(xué)會編. 4版.熱處理手冊.第一卷，工藝基礎(chǔ)-----北京：機械工業(yè)出版社，2008.1