中國一拖集團(tuán)有限公司工藝材料研究所（河南洛陽 471004）孔春花 張沈潔 馬 戈 劉進(jìn)營

一種帶齒條鍵槽的驅(qū)動(dòng)輪軸零件（以下簡稱大輪拖驅(qū)動(dòng)軸，見圖1）有4個(gè)關(guān)鍵、危險(xiǎn)、薄弱處：齒條、鍵槽、臺(tái)階及花鍵尾部。通常在感應(yīng)淬火區(qū)域內(nèi)應(yīng)盡量避免有孔、棱、溝、槽等易產(chǎn)生淬火裂紋的結(jié)構(gòu)。但由于零件的結(jié)構(gòu)功能需要，這些結(jié)構(gòu)又必須存在時(shí)，很有必要對(duì)驅(qū)動(dòng)輪軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)分析，研究出最佳的工藝方案，通過一系列試驗(yàn)工作，探索試驗(yàn)工藝，最終使新的工藝、結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，并攻克驅(qū)動(dòng)輪軸斷裂質(zhì)量問題，提升大功率輪式拖拉機(jī)的制造質(zhì)量水平，同時(shí)為大輪拖的批量生產(chǎn)提供條件。

圖1 大輪拖驅(qū)動(dòng)輪軸結(jié)構(gòu)及感應(yīng)淬火后零件取樣部位

一、帶齒條鍵槽驅(qū)動(dòng)輪軸所用材料及技術(shù)要求

大輪拖驅(qū)動(dòng)輪軸圖樣技術(shù)要求：材料為42CrMo；調(diào)質(zhì)硬度262～302HBW；外表面淬火硬度不小于53HRC，圓柱表面淬硬層深7～12mm（見圖2）。其他淬硬層深度：花鍵H1根部3.25～8.25mm；光軸H2～H5為7～12mm；鍵槽、齒條根部≥2mm。淬火硬度52～57HRC；調(diào)質(zhì)硬度262～302HBW。

圖2 零件實(shí)物

二、帶齒條鍵槽的驅(qū)動(dòng)輪軸感應(yīng)淬火工藝試驗(yàn)

我公司目前所用淬火機(jī)床設(shè)備的頻率為以下3種：250kHz（高頻淬火機(jī)床）、8000Hz（中頻淬火機(jī)床）及2500Hz（中頻淬火機(jī)床）。而大輪拖驅(qū)動(dòng)輪軸要求的淬硬層深度為7～12mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)頻率值與淬硬層深度之間的關(guān)系（見表1、表2）可知，采用2500Hz的中頻淬火機(jī)床對(duì)大輪拖驅(qū)動(dòng)輪軸零件進(jìn)行感應(yīng)淬火工藝試驗(yàn)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)頻率值與淬硬層深度之間的關(guān)系

表2 圓柱零件表面淬火時(shí)頻率的選取

1.工藝參數(shù)的確定

感應(yīng)熱處理工藝調(diào)整是在淬火機(jī)床、工藝裝備完成后進(jìn)行的，根據(jù)淬火零件的技術(shù)條件，其工藝調(diào)整包括電規(guī)范調(diào)整和熱處理規(guī)范調(diào)整。電規(guī)范調(diào)整主要是調(diào)出淬火所需功率，并使高中頻電源設(shè)備不過載，處在良好的工作狀態(tài)下；熱處理規(guī)范調(diào)整主要包括：零件移動(dòng)速度、加熱溫度、淬火溫度或加熱、預(yù)冷時(shí)間、淬火冷卻介質(zhì)選取及其濃度、溫度、流量或壓力，以及零件與感應(yīng)器相對(duì)位置的調(diào)整等。

（1）電流頻率 電流頻率的選擇主要是選擇頻率范圍，也即選擇頻率帶，不是要準(zhǔn)確的選擇某一個(gè)頻率的數(shù)值，那是毫無意義的。應(yīng)該說，8000Hz和10000Hz基本上是相同的；2500Hz與3000Hz也可通用；但8000Hz與30000Hz，30000Hz與250000Hz就不能通用了，因?yàn)樗麄儾辉谝粋€(gè)頻帶，有一個(gè)數(shù)量級(jí)的差別。

電流頻率選擇的恰當(dāng)與否，將對(duì)以下幾個(gè)方面產(chǎn)生影響：零件淬火生產(chǎn)率、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、淬硬層組織的均勻性、零件脆裂的傾向性、零件的疲勞強(qiáng)度。

考慮上述5個(gè)因素，加熱類型應(yīng)首先選擇透入式加熱。透入式加熱實(shí)質(zhì)是：

式中 f——電流頻率（Hz）；

X淬——淬硬層深度（mm）。

上式說明，為獲得透入式加熱，電流頻率有一個(gè)上限值，它與淬硬層深度有直接關(guān)系，淬硬層深度要求越深，電流頻率應(yīng)越低。

綜合上述兩項(xiàng)有：

上式即為透入式加熱電流頻率的選擇范圍。

電流頻率選擇時(shí)，除考慮獲得透入式加熱、感應(yīng)器能可靠工作因素外，還要考慮感應(yīng)器的電效率。感應(yīng)器的電效率取決于零件直徑D（或厚度）與電流透入深度的比值。此值又稱電尺寸。其經(jīng)驗(yàn)公式為：

將D=87～100mm代入上式中，可得 306＜f＜3303，故暫時(shí)可選2500Hz頻率段。

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，大輪拖驅(qū)動(dòng)輪軸工藝優(yōu)化后的電流頻率為：4000Hz＜f＜5700Hz。

（2）電源功率P

式中 ?n——感應(yīng)器效率，一般取0.9；

?T——變壓器效率，一般取0.9。

P0——單位功率即功率密度，對(duì)連續(xù)加熱取1.0～2.0；

S——加熱面積；S=πDh；

其中：h——感應(yīng)器高度，h=20mm；

D——直徑，D花鍵=87mm。

選花鍵φ37.1mm處作為功率基準(zhǔn)進(jìn)行工藝調(diào)試（也可選其他位置作為功率基準(zhǔn)進(jìn)行工藝調(diào)試），光軸功率隨感應(yīng)器與零件間隙大小通過自動(dòng)跟蹤由設(shè)備顯示得出。

要達(dá)到規(guī)定淬硬層深度7～12mm，選擇2500Hz頻率段存在一定困難，加之零件欲達(dá)到圖樣規(guī)定的淬硬層深度，所用設(shè)備客觀上存在一定的差距，加之大輪拖驅(qū)動(dòng)輪軸零件的結(jié)構(gòu)同時(shí)具有鍵槽、齒條等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而這些結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致零件在感應(yīng)淬火時(shí)淬裂傾向加大，且要求的淬硬層較深，其所用材料42CrMo淬透性又好，技術(shù)含量高、感應(yīng)淬火難度大，其淬火質(zhì)量難以保證，屬感應(yīng)加熱疑難問題。因此，有必要從工藝方法上采用創(chuàng)新的措施，以滿足其工藝技術(shù)要求。在采用傳統(tǒng)的加熱工藝前，對(duì)該零件進(jìn)行預(yù)熱處理，通過透入式加熱來滿足其淬硬層深度7～12mm的要求。

故P花鍵取50～70kW進(jìn)行工藝調(diào)試。

經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，大輪拖驅(qū)動(dòng)輪軸工藝優(yōu)化后的電源功率P為：P花鍵取50～60kW；P光軸取40～50kW；功率表指數(shù)：9:15。

（3）加熱溫度 確定加熱溫度時(shí)，金屬及合金的相變臨界點(diǎn)、再結(jié)晶溫度等是基本的理論依據(jù)，但還不能就此來確定各種不同熱處理工藝的加熱溫度，而應(yīng)根據(jù)具體工件熱處理目的來決定，況且工件的原材料及尺寸，加工過程與擬采用的工藝方法都對(duì)加熱溫度的選定有影響。而感應(yīng)加熱的目的主要是使零件表面達(dá)到合適的淬火溫度，并使零件達(dá)到一定的淬硬層深度。可以用以下兩個(gè)公式來概括淬火規(guī)范的調(diào)整，即

（4）零件移動(dòng)速度V 零件移動(dòng)速度V是指零件通過感應(yīng)器的距離與通過該距離使零件達(dá)到淬火溫度所用的時(shí)間之比。具體為：

式中 h——感應(yīng)器高度，本感應(yīng)器高度為20mm；

t——加熱時(shí)間，按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值取10s。

零件的移動(dòng)速度V與數(shù)控機(jī)床編程時(shí)F值（與零件移動(dòng)速度、感應(yīng)器間隙大小、加熱功率等有關(guān)）關(guān)系如下：

在數(shù)控機(jī)床編程時(shí)F初步選取200～400，為獲得更深的淬硬層，可降低移動(dòng)速度。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，大輪拖驅(qū)動(dòng)輪軸工藝優(yōu)化后移動(dòng)速度為：F花鍵=185、Fφ94軸頸=190、Fφ95軸頸=190、Fφ100臺(tái)階=190。

（5）變壓比 根據(jù)感應(yīng)器結(jié)構(gòu)及實(shí)踐試驗(yàn)，取20/1（根據(jù)數(shù)控機(jī)床工作情況，可上下調(diào)節(jié)為：16/1或18/1等）；經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，大輪拖驅(qū)動(dòng)輪軸工藝優(yōu)化后的變壓比為B=16/1。

（6）電參數(shù)

電源電壓：500～600V。

電流：100～120A。

電容：依據(jù)試驗(yàn)情況中功率因數(shù)值酌情增減，經(jīng)工藝優(yōu)化試驗(yàn)后，電容C設(shè)置在設(shè)備的1、3、4、6檔（左起）。

功率因數(shù)：cosψ=0.9～1；最佳選取為cosψ=1。

零位設(shè)置：經(jīng)工藝優(yōu)化試驗(yàn)后，基準(zhǔn)（零位）設(shè)置在：X0=-200。

各部位電參數(shù)見表3。

2.淬火方式

選用連續(xù)式加熱淬火，噴液冷卻的淬火方式。淬火冷卻介質(zhì)選用的是：0.3%～0.5%聚乙烯醇。淬火冷卻介質(zhì)壓力：3格（表格指數(shù)）。

表3 各部位加熱時(shí)的電參數(shù)

3.淬火加熱時(shí)間確定

分段：φ87mm、φ94mm、φ95mm、φ100mm

分析患者在經(jīng)過第一次冷凍治療后跖疣面積減少情況，把疣體面積減少＞50%的患者和＜50%的患者分為兩組，然后使用隊(duì)列研究的方法去分析治愈率和疣體面積變化的關(guān)系。

T加熱=T靜止+T滯后（具體數(shù)據(jù)由試驗(yàn)而定）

4.淬火后金相檢查

物理探傷檢查：目視未發(fā)現(xiàn)裂紋及燒傷等其他異常情況。經(jīng)磁粉損探傷檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋。

金相檢測：淬硬層深度取樣部位如圖3所示，金相檢測結(jié)果見表4。

圖3 淬硬層深度取樣部位

表4 金相檢測結(jié)果

5.感應(yīng)淬火工藝編程

三、結(jié)果分析

1.第一次工藝試驗(yàn)

存在如下問題：

（1）H1層深符合圖樣要求（3.25～8.25mm）。臺(tái)階與H4光軸兩側(cè)硬化層深4.5～5.5mm；低于7mm。

（2）齒條根部硬化層，第一齒無；第二齒0.031mm；嚴(yán)重偏低（齒條深5.988mm）。不能滿足使用要求，為不合格。

（3）鍵槽根部淬硬層深2.15～2.3mm（鍵槽底部層深符合圖樣要求≥2mm），鍵槽底部硬化層處硬度44～49HRC，偏低；組織中有鐵素體，組織級(jí)別為9～10級(jí)，為不良組織（感應(yīng)淬火組織一般要求3～7級(jí)合格），馬氏體級(jí)別9～10級(jí)，不合格。凸緣兩側(cè)層深不符合圖樣要求（圖樣要求7～12mm），實(shí)測4.47mm、5.09mm、4.89mm、5.31mm，為不合格。

（4）原結(jié)構(gòu)花鍵齒面有少量微小淬火裂紋（裂紋長3.0mm有4條，裂紋長為6.0mm一條）。裂紋均在同一側(cè)齒面的2/3齒高處，深度0.44mm。裂紋處機(jī)加工刀痕較粗，裂紋在粗刀痕的凹痕底部。機(jī)加工刀痕較粗和機(jī)加工應(yīng)力較大對(duì)裂紋產(chǎn)生起到促進(jìn)作用，裂紋產(chǎn)生原因：機(jī)加工應(yīng)力+感應(yīng)淬火應(yīng)力在粗刀痕的凹痕底部應(yīng)力集中處超過零件材料強(qiáng)度所致。因?yàn)榱鸭y細(xì)小，且不在花鍵根部應(yīng)力集中部位對(duì)使用影響不大。裂紋處鍵槽根部硬化層深6.56mm。

2.原因分析

加熱不足，致使多處淬硬層深度不足；花鍵處淬火冷卻激烈，造成存在裂紋；鍵槽根部淬火溫度不足、冷卻不足，造成組織不合格、硬度偏低。

3.改進(jìn)措施

提高加熱功率?；ㄦI處的調(diào)試功率應(yīng)為50～52kW；完善淬火程序，原程序第一次加熱，齒條第一齒停頓時(shí)間F4，擬增加停頓時(shí)間變?yōu)镕5，另鍵槽長度區(qū)域移動(dòng)速度F200，擬調(diào)整為F190；第二次加熱，擬增加第一齒停頓時(shí)間F1?；ㄦI頂端淬火液冷卻時(shí)間由F35調(diào)整為F32（-）；為減少淬裂傾向，增大淬火液濃度；修訂臺(tái)階與H4光軸兩端加熱停頓點(diǎn)的距離，第一次加熱由29mm變?yōu)?4mm，第二次加熱由35mm變?yōu)?0mm；在機(jī)床上再確定距離；調(diào)整噴水壓力，由2.5MPa提高到3MPa左右。

四、結(jié)語

經(jīng)工藝優(yōu)化后的感應(yīng)淬火試驗(yàn)，無論淬硬層深度、淬火硬度、無損檢測等完全滿足技術(shù)要求，試驗(yàn)效果非常理想，取得了令人滿意的結(jié)果。其結(jié)論如下：

（1）適當(dāng)?shù)慕档土思訜犷l率，優(yōu)化了電參數(shù)。

（2）控制淬火冷卻速度，選用斜噴水圈，選擇合適淬火冷卻介質(zhì)濃度，其濃度應(yīng)嚴(yán)格控制在8%～10%。感應(yīng)圈與噴水圈的距離為關(guān)鍵尺寸。

（3）優(yōu)化淬火程序，在齒條尾部、鍵槽尾部及臺(tái)階處適當(dāng)增加停留時(shí)間，確保難加熱處的淬火溫度符合要求。

（4）鍵槽和齒條根部有少量鐵素體，相當(dāng)于亞溫淬火。對(duì)有些零件來說，亞溫淬火是一種先進(jìn)的熱處理方法。亞溫淬火處理組織為馬氏體+少量鐵素體。鐵素體組織相對(duì)耐磨性不利，但少量的鐵素體對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展反而有利，疲勞裂紋尖端遇到鐵素體后，鐵素體發(fā)生塑性變形而松弛疲勞裂紋尖端的應(yīng)力集中，延緩疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

（5）亞溫淬火保留了一定量的未溶鐵素體，鐵素體是一種軟相，一般會(huì)導(dǎo)致鋼鐵材料零件的強(qiáng)度降低，但亞溫淬火加熱溫度低，奧氏體長大傾向小，而且奧氏體晶粒的長大主要表現(xiàn)為晶界的遷移，由于鐵素體的存在，阻礙其晶界遷移，抑制了奧氏體晶粒的長大，同時(shí)因奧氏體化溫度低，不利于原子擴(kuò)散，晶界遷移緩慢。以上因素導(dǎo)致奧氏體晶粒明顯細(xì)化，淬火后得到細(xì)小的馬氏體組織，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用。

（6）亞溫淬火的好處：提高馬氏體組織的硬度、細(xì)化晶粒、緩解應(yīng)力集中、減少零件變形及幾乎不降低硬度及強(qiáng)度。

（7）具體到驅(qū)動(dòng)輪軸的鍵槽和齒條根部承受的主要是扭轉(zhuǎn)彎曲交變應(yīng)力，斷裂形式為疲勞斷裂，因此，馬氏體+鐵素體雙相組織的疲勞性能可能比純馬氏體組織還高，最起碼對(duì)疲勞性能影響不大，因?yàn)橛不瘜佑捕冗_(dá)到技術(shù)要求。

因而得出結(jié)論：驅(qū)動(dòng)輪軸零件中鍵槽尾部結(jié)構(gòu)應(yīng)為平滑過渡，建議原鍵槽由立銑加工改為臥銑加工。