大模数齿轮整体感应淬火硬化层分布改善_朱海涛.pdf

感 应 加 热Induction Heating2023年 第4期 热加工82匀。由于轧辊转速较慢，离心力较小，因此不会产生水流飞溅，冷却水将顺着工件与喷水机构内壁倾泻而下。淬火冷却机构分成两个部分，第一部分是移动机构，第二部分是喷水结构。5.1 移动机构1）两侧导轨座采用钢轨（平-V）结构，变频电动机驱动，蜗轮蜗杆减速器传动，同步带传动（二级传动），滑台底部安装铸造车轮。2）左右对称淬火机床中心分布，左右车座上承载冷却机构，除雾器也安装于冷却车座上。3）使用行程开关与碰块进行位置检测，行程两端固定挡块（安全保护）；使用液压夹紧机构来防止因喷水反冲力而引起的车体位移。5.2 喷水机构1）喷水弧形立柱外做（透明）顶部尽量包住辊颈，顶部安装有除雾器管口，通过较大吸力可将水雾收集，底部制作钣金延伸，使水流进入水盆内。2）将两部分合拢后可将工件包围进行喷水淬火。喷水机构外侧面左右移动机构防护罩（不锈钢材质）紧密贴合，这样水流不会产生侧溢，可防止淬火液外溢。6 结束语随着大型轴类工件在各行业的广泛应用，需求量逐渐增高，国内正在加紧制造很多大型轴类热处理生产线。本文为大型轧辊立式感应淬火以及轧辊淬火过程自动化，提供了一种可行的设计方案，有助于减小轧辊辊身淬火时产生的变形量，提高大型轴类工件淬火质量，提高生产效率。参考文献：1 陈建民，赵席春BD机轧辊的热处理J一重技术，2009（4）：35-36.2 姜益强，张辉，赵怀玉立辊轧机设备及轧制理论介绍J一重技术，2006（3）：4-6.3 成秉武.轧辊淬火感应器设计制造J一重技术，2006（5）：33-34.4 余波，李海军，莫毅轧钢机轧辊中频淬火新工艺的试验与探究J装备制造技术，2007（11）：20-25.20230228大模数齿轮整体感应淬火硬化层分布改善朱海涛，杨红刚，宋超，王孟，张蕾涛山推工程机械股份有限公司 山东济宁 272073摘要：针对模数为10以上齿轮感应淬火时出现的硬化层分布不合理、在使用过程中出现裂纹、早期疲劳、脆裂等问题，进行了一种新的工艺方法尝试，制定出分段、不同步、不同频率感应加热方案，取得了较好效果。关键词：齿轮断裂；感应淬火；硬化层深度 1 序言感应淬火具有高效、清洁、节能等特点，是国家重点推广应用的技术。目前，感应加热技术已经广泛应用于热处理行业，越来越多企事业单位研究和使用感应热处理技术。我公司在齿轮的表面热处理过程中取得了较好的效果，生产效率非常高，产品质量均匀稳定，生产成本大幅下降，但在大模数（m1014）齿轮感应淬火生产中存在硬化层分布不合理问题，长期困扰正常生产。另外，在使用过程中齿轮还会出现裂纹、早期疲劳、脆裂等问题，其中造成齿轮断裂的主要原因为齿顶、齿沟硬化层分布不合理。本文针对模数为10以上齿轮感应感 应 加 热Induction Heating2023年 第4期 热加工83图1传动齿轮结构示意表1 S48C-V钢化学成分（质量分数）（%）C Si Mn Cr PSCuNi0.440.490.150.350.700.900.150.0300.0300.300.30淬火工艺进行了一种新的工艺方法尝试，取得了较好效果1。2 大模数齿轮感应淬火硬化层分布情况齿轮材料使用S48C-V钢，该种材料为日本牌号，要求脱氧处理，氧含量O20ppm（1ppm106），与中国牌号47M n钢化学成分接近。S48C-V钢化学成分见表1。齿顶硬化层深度要求4.09.8mm，齿根硬化层要求1.92.9mm，表面硬度5560HRC，基体硬度229277HBW。齿轮结构如图1所示。该齿轮的主要工艺过程为：下料锻造正火粗车精车滚齿感应淬火回火抛丸精车精滚齿拉键槽装配。感应淬火过程中的加热采用集中加热方式，使用电源功率为350kW，频率为2500Hz，加热后采用7.5%浓度AQ251淬火冷却介质淬火2，淬火压力为0.3MPa，低温回火4h。感应淬火后硬化层分布情况如图2所示。从腐蚀齿轮试样情况来看，齿顶硬化层深度较深，齿沟图2硬化层分布硬化层深度较浅，仿形效果较差。借助显微硬度计检测硬化层深度，齿顶硬化层深度为11.5mm，齿沟硬化层为1.0mm，节圆处硬化层深度8.0mm，硬化层分布效果较差，硬化层分布不合理，齿顶硬化层深度过深而齿沟硬化层深度过浅，无法满足图样技术要求（齿顶硬化层4.09.8mm、齿沟硬化层1.92.9mm）。分析其原因：一方面，此种硬化层分布齿部几乎完全淬透，齿部中心位置没有硬度较低、韧性较好的基体承受传动过程中的冲击，齿轮脆性大大增加；另一方面，齿沟硬化层过浅，没有足够的抗弯曲疲劳强度，容易出现早期脆性断裂、打齿、疲劳损坏等问题。3 硬化层分布影响因素分析通常影响硬化层分布的因素有加热、冷却、原材料特性等。原材料检测合格，排除原材料因素造成的影响。加热影响主要有加热温度和加热层深度，通过红外测温仪检测表面淬火时的温度，检测结果为870890，满足工艺要求。通常硬化层深度主要是由加热层和淬火冷却决定的，加热层主要与频率和加热时间有关，频率越高，集肤效应越明显，硬化层越浅，频率越低，硬化层越深，同时需要配合制定合理的加热时间。感应加热过程中电流透入深度计算式为 50300df=式中 d电流透入深度（mm）；材料电阻率（m）；材料磁导率（H/m）；f电流频率（Hz）。电阻率和磁导率是随着温度的变化而变化的。通过计算可知，800时2500Hz频率下电流的透入深度约为10mm，该电流透入深度比较合理，说明频率选择合理。但是，实际淬火后硬化层深度仍无法满足要求。通过深入分析发现，感应加热时由于该件模数较大，在2500Hz频率下齿顶加热速度较快，因此很快达到要求的加热层；而齿沟距离感应器较远，温度较低，加热效果如图3所示。为使齿轮的齿顶、齿沟等位置同时达到淬火温度，需要延长加热时间，这就造成齿顶加热时间过长，热量传导至更深的位置，造成齿顶硬化层过深；如不延长加热时间，则会存在硬化层分布问题（见图2），齿沟感 应 加 热Induction Heating2023年 第4期 热加工84）改进前加热效果 b）改进后加热效果图4改进前后加热效果对比 a）改进前硬化层分布 b）改进后硬化层分布 图5改进前后硬化层分布对比硬化层深度无法满足技术要求。经分析发现，出现这种现象的原因主要是由于齿轮模数大、齿顶齿沟加热不同步，该种模数齿轮已经不适合整体感应加热淬火，在同一频率下齿顶、齿沟加热无法兼顾，因此该种大模数齿轮适合采用单齿感应淬火，以较低的频率加热齿沟，较高的频率加热齿顶。单齿感应淬火对齿面和齿沟同时进行扫描感应淬火，齿面、齿沟硬化层分布非常均匀一致，可解决硬化过深问题。然而，经分析计算，单齿淬火生产1件齿轮的时间为25min左右，整体感应淬火生产1件齿轮的时间为3min，因此单齿感应淬火的效率非常低，无法满足生产效率的需求。4 试验方案为解决上述问题，技术人员通过多次讨论分析，决定借鉴双频感应淬火技术，提出一种新的感应加热方式。双频感应淬火技术可实现齿顶、齿沟不同频率加热，可较好地解决硬化层深度分布的问题3。但是，公司现有设备无法实现同步双频感应淬火，依据在用设备特点，制定出分段、不同步、不同频率加热方案，见表2。表2分段、不同步、不同频率加热方案序号分段频率/Hz加热功率/kW加热时间/s1第一段2000250302第二段12000200223第三段2500240155 试验验证按照改进后制定的感应加热方案进行试验，采用分阶段感应加热淬火工艺，第一段采用2000Hz频率，加热30s，加热温度至750左右；第二阶段切换至高频12000Hz，加热22s，加热温度达到850；第三阶段再次切换频率至2500Hz，加热15s，加热温度达到880后进行淬火，改进前后的加热效果对比如图4所示。从图4a可看出，改进前，采用单一频率加热时，齿顶、齿沟已完全热透，造成齿部硬化层过深；从图4b可看出，改进后加热效果明显，齿顶、齿沟均已达到淬火温度，而齿部并未热透，淬火后硬化层不会过深。淬火后对试验齿轮进行剖切，并对改进前后硬化层分布进行对比，如图5所示。从图5b可看出，改进后硬化层分布效果良好，齿顶硬化层深度6.5mm，齿沟硬化层深度2.3mm，节圆处硬化层深度4.2mm，满足要求，各位置硬化层均达到要求。图3单一频率集中加热效果6 结束语按照上述试验方案先后生产齿轮10000余件，产品质量稳定，未出现齿轮故障问题。实践证明，采用分段、不同频率感应加热淬火方式，可较好地解决大模数齿轮硬化层分布不合理问题，为大模数齿轮生产提供了新思路。参考文献：1 冯显磊，李炎，胡良波，等推土机齿轮常见裂纹分析与预防J金属加工（热加工），2015（23）：58-61.2 回艳AQ251淬火冷却介质的特点及使用J金属加工（热加工），2012（3）：54-55.3 黄显臣齿轮的双频感应加热淬火J国外汽车，1990（2）：64-66.20221226