董 斌 杜 影 唐海山 朱國(guó)和

上海振華港機(jī)重工有限公司 上海 201913

0 引言

在現(xiàn)代機(jī)械各種各樣的傳動(dòng)形式中，齒輪傳動(dòng)應(yīng)用最為廣泛。齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)即一對(duì)相同模數(shù)的齒輪相互嚙合將動(dòng)力由甲軸傳送給乙軸，以完成動(dòng)力傳遞。如圖1所示，齒輪傳動(dòng)是靠齒與齒的嚙合進(jìn)行工作的。輪齒是齒輪直接參與工作的部分，故齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒上。主要的失效形式有輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面磨損、齒面膠合以及塑性變形等，而熱處理的質(zhì)量將對(duì)齒輪的質(zhì)量和服役壽命起到?jīng)Q定性的作用[1，2]。

圖1 齒輪傳動(dòng)示意圖

1 預(yù)處理組織對(duì)45號(hào)鋼齒輪表面淬火的影響

感應(yīng)淬火前選用合理的預(yù)處理工藝至關(guān)重要。由于感應(yīng)淬火的工藝特點(diǎn)，只能獲得表面的組織和硬度，這就需要一定的原始組織來(lái)保證零件在使用過(guò)程的最佳狀態(tài)。不同的原始組織和加熱速度對(duì)45號(hào)鋼相變臨界溫度Ac3的影響如圖2所示，可以看出，在相同的加熱速度下，由于原始組織的不同，其相變臨界溫度Ac3差異很大，其中原始組織為調(diào)質(zhì)組織時(shí)的相變溫度最低。

圖2 原始組織和加熱速度對(duì)45號(hào)鋼相變臨界溫度Ac3的影響

用退火預(yù)處理得到原始組織為粗片狀珠光體及大塊狀鐵素體，經(jīng)表面感應(yīng)淬火后心部力學(xué)性能較差。用正火預(yù)熱處理得到的原始組織為珠光體及少量鐵素體，表面淬火后也能獲得較好的硬化層，但其心部力學(xué)性能比回火索氏體差。對(duì)45號(hào)鋼齒輪采用淬火＋高溫回火的調(diào)質(zhì)預(yù)處理可以得到回火索氏體，回火索氏體組織中彌散細(xì)小的碳化物顆粒均勻分布在鐵素體基體上，可以獲得最佳的強(qiáng)韌性匹配。之后進(jìn)行表面淬火時(shí)，表面可以在較低的溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，快速實(shí)現(xiàn)奧氏體均勻化，同時(shí)心部保持回火索氏組織。采用調(diào)質(zhì)預(yù)處理的齒輪可以通過(guò)表面淬火以獲得具有高硬度和良好耐磨性的表面硬化層，同時(shí)心部保留調(diào)質(zhì)態(tài)的綜合力學(xué)性能。因此，調(diào)質(zhì)預(yù)處理是45號(hào)鋼齒輪的最佳預(yù)處理工藝。

原始組織和加熱速度對(duì)45號(hào)鋼表面淬火溫度的影響如圖3所示，其中二區(qū)間為最佳范圍；一、三區(qū)間為允許范圍。在加熱速度確定時(shí)，原始組織細(xì)小的45號(hào)鋼齒輪時(shí)其淬火溫度工藝窗口較寬，同時(shí)淬火溫度下限較低，更有利于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)組織。

圖3 原始組織和加熱速度對(duì)45號(hào)鋼表面淬火溫度的影響

2 感應(yīng)線圈形狀對(duì)45號(hào)鋼齒輪表面淬火的影響

感應(yīng)器是將高頻電流轉(zhuǎn)化為高頻磁場(chǎng)對(duì)零件實(shí)施感應(yīng)加熱的能量轉(zhuǎn)換器，直接影響零件表面淬火質(zhì)量和設(shè)備效率[3，4]。感應(yīng)器結(jié)構(gòu)與感應(yīng)線圈形狀應(yīng)按齒輪的熱處理技術(shù)條件確定，能夠獲得所需的加熱區(qū)和加熱層，及獲得均勻的硬化層分布，力求加熱均勻，防止過(guò)熱、欠熱、加熱層厚薄不均等。

感應(yīng)線圈的截面形狀有各種類(lèi)型，感應(yīng)加熱后熱形也不同，如圖4所示，矩形截面感應(yīng)圈較均勻，橢圓截面次之，圓形截面最差，感應(yīng)線圈截面形狀選取矩形為宜。

圖4 不同截面形狀的感應(yīng)器He等同狀況下對(duì)熱形的影響

感應(yīng)器應(yīng)具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度和使用壽命，確保使用過(guò)程中不產(chǎn)生變形，同時(shí)避免加熱時(shí)因晃動(dòng)擦碰齒輪產(chǎn)生電擊傷。

齒輪表面淬火感應(yīng)器力求簡(jiǎn)單，選擇單匝感應(yīng)線圈，保持線圈冷卻暢通，如圖5所示。

圖5 齒輪淬火用感應(yīng)加熱器示意圖

高頻感應(yīng)電流具有較高的表面效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、環(huán)內(nèi)效應(yīng)的特性，感應(yīng)器形狀與齒輪加熱表面之間的間隙應(yīng)盡可能的小，間隙小就磁漏少，電效率就高。另一方面，感應(yīng)器加熱過(guò)程中由于交變磁場(chǎng)的作用，感應(yīng)器會(huì)上下左右晃動(dòng)，直到工件完全奧氏體化失去磁性位置。在此階段，感應(yīng)器可能會(huì)與工件發(fā)生接觸，從而導(dǎo)致大電流瞬間從小的接觸面上通過(guò)，產(chǎn)生打火，從而燒傷工件和感應(yīng)器。因此，感應(yīng)器又不得不與工件保持適當(dāng)距離，以防止相互接觸燒傷，齒輪感應(yīng)加熱選用矩形截面單匝感應(yīng)圈形式的銅管為佳。

3 感應(yīng)加熱參數(shù)對(duì)45號(hào)鋼齒輪表面淬火的影響

感應(yīng)加熱表面淬火的使用頻率不同，可以分為超高頻（27 MHz）、高頻（200～250 kHz）、中頻（2 500～8 000 Hz）、工頻（50 Hz）等。由于電流頻率的不同，加熱時(shí)感應(yīng)電流的透入深度不同[5，6]。感應(yīng)加熱電流頻率與硬化層深度對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 感應(yīng)加熱電流頻率與硬化層深度對(duì)應(yīng)表

超高頻透入深度極小，主要用于鋸齒、刀刃、薄件的表面淬火；高頻感應(yīng)透入深度約0.5 mm，主要用于小模數(shù)齒輪和小軸類(lèi)零件的表面淬火；中頻感應(yīng)透入深度約5～10 mm，主要用于中、小模數(shù)齒輪、凸輪軸和曲軸類(lèi)零件的表面淬火；工頻電流透入深度較大超過(guò)10 mm，主要用于冷軋輥表面淬火。齒輪模數(shù)與感應(yīng)加熱頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 齒輪模數(shù)與感應(yīng)加熱頻率對(duì)應(yīng)表

通過(guò)功率計(jì)算，得到設(shè)備必要的輸出功率，而設(shè)備輸出功率可以通過(guò)電氣參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

式中：Ps為輸出功率，D為零件直徑，H為感應(yīng)器高度，Ng為感應(yīng)器效率（取值范圍0.75～0.85），Nb為淬火變壓器效率（取值范圍0.75～0.85）。

在一定頻率下，感應(yīng)器的效率與零件直徑大小有關(guān)。齒輪直徑越大感應(yīng)器的效率越高，大直徑齒輪允許采用低頻率，而小直徑齒輪可采用高頻率。

不同的感應(yīng)加熱裝置在理想工作狀態(tài)下，陽(yáng)極電流與柵極電流的比值為定值。100 kW的高頻感應(yīng)加熱裝置的陽(yáng)極電流與柵極電流之比為7:1～10:1，60 kW和30 kW的高頻感應(yīng)加熱裝置的陽(yáng)極電流與柵極電流之比為5:1～10:1。在理想工作狀態(tài)下設(shè)備的輸出功率為

式中：Ps為輸出功率，Va為陽(yáng)極電壓，Ia為陽(yáng)極電流，N為振蕩管數(shù)目。

通過(guò)理論計(jì)算后，還要經(jīng)過(guò)試淬進(jìn)行檢驗(yàn)，以修正并最終確定感應(yīng)加熱參數(shù)。為確保加熱均勻，齒輪根據(jù)工件大小的不同，旋轉(zhuǎn)速度控制在60～120 r/min。齒輪需要加熱的表面被感應(yīng)器包圍而快速升溫，加熱完成后通過(guò)噴淬或淬火液中浸淬進(jìn)行快速冷卻。

4 淬火溫度和冷卻方式對(duì)45號(hào)鋼齒輪表面淬火的影響

決定零件淬火后的組織和性能的主要因素是溫升速度和加熱溫度。感應(yīng)加熱的特點(diǎn)是加熱速度快，溫度超過(guò)A1～A3點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)磁率急劇下降，加熱速度減慢，實(shí)際溫升速度約100℃/s，比在爐中加熱速度快得多，因此感應(yīng)加熱遠(yuǎn)高于A1溫度時(shí)相變才結(jié)束。

感應(yīng)加熱溫升速度快，高溫持續(xù)時(shí)間短，不會(huì)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，故感應(yīng)加熱溫度要高于普通淬火加熱溫度。45號(hào)鋼在不同加熱速度下的淬火溫度與硬度關(guān)系如圖6所示，當(dāng)提高加熱速度時(shí)，高硬度區(qū)域變寬并轉(zhuǎn)向高溫，最適宜的淬火溫度范圍由t1～t2區(qū)間提高至t3～t4區(qū)間。45號(hào)鋼齒輪的感應(yīng)加熱溫度一般控制在900℃～950℃。

圖6 45號(hào)鋼不同加熱速度下淬火溫度與硬度關(guān)系

噴射冷卻是感應(yīng)加熱淬火的最常見(jiàn)冷卻方式。45號(hào)鋼齒輪可對(duì)全部面積進(jìn)行噴射冷卻淬火，冷卻時(shí)間可以通過(guò)計(jì)時(shí)控制，一般為5～15 s。淬火液溫度、噴射壓力、冷卻時(shí)間可根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于m＜3 mm的齒輪為防止淬火后產(chǎn)生點(diǎn)狀裂紋及軟點(diǎn)，淬火冷卻時(shí)可采取工件旋轉(zhuǎn)式淬火。

5 回火工藝對(duì)45號(hào)鋼齒輪表面淬火的影響

齒輪感應(yīng)加熱淬火和普通淬火零件一樣，需要回火處理，其目的是為了降低齒輪脆性，提高韌性，減少應(yīng)力，防止變形、開(kāi)裂，提高尺寸穩(wěn)定性，保證良好綜合的機(jī)械性能。

淬火后齒輪需在2 h內(nèi)回火處理，回火后硬度稍有下降，減少了內(nèi)應(yīng)力，防止和減少齒輪的變形和開(kāi)裂。45號(hào)鋼淬火齒輪表面硬度的影響如圖7所示。齒輪一般要求具有較高的硬度，故多采用低溫回火。45號(hào)鋼感應(yīng)加熱表面淬火爐中回火規(guī)范如表3所示。

圖7 回火溫度對(duì)45號(hào)鋼淬火齒輪表面硬度的影響

表3 45號(hào)鋼高頻感應(yīng)加熱表面淬火爐中回火工藝

6 45號(hào)鋼齒輪表面淬火后的硬度檢驗(yàn)

感應(yīng)加熱表面淬火零件的硬度、硬化區(qū)、硬化區(qū)位置、硬化層深度必須符合圖紙的技術(shù)要求。硬化區(qū)尺寸測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)采用金相法和硬度法。

1）金相法 從表面100%馬氏體測(cè)至50%馬氏體＋50%屈氏體為止。預(yù)先調(diào)質(zhì)齒輪硬化層深度由表面測(cè)至明顯索氏體處。表面硬度＞55 HRC齒輪硬化層內(nèi)不允許有鐵素體，預(yù)先調(diào)質(zhì)硬度下限＜55 HRC齒輪允許有少量鐵素體。

2）硬度法 由表面測(cè)量至硬化區(qū)邊界的硬度來(lái)確定硬化層的深度。45號(hào)鋼齒輪對(duì)應(yīng)的硬化區(qū)邊界硬度值為45 HRC。齒輪模數(shù)m≤3 mm的45號(hào)鋼齒輪，允許全齒硬化，齒底要求有≥0.5 mm的硬化層，如圖8所示。

圖8 45號(hào)鋼m≤3齒輪的硬化層

7 45號(hào)鋼齒輪淬火缺陷及防治方法

45號(hào)鋼齒輪表面淬火缺陷位置如圖9所示，齒輪的齒面、齒頂、齒底及側(cè)面是缺陷的多發(fā)生處。45號(hào)鋼齒輪高頻淬火時(shí)產(chǎn)生缺陷及防治方法見(jiàn)表4。

圖9 45號(hào)鋼齒輪表面淬火缺陷位置示意圖

表4 45號(hào)鋼齒輪高頻淬火時(shí)產(chǎn)生缺陷及防治方法

8 小結(jié)

齒輪傳動(dòng)是靠齒與齒的嚙合進(jìn)行工作。輪齒是齒輪直接參與工作的部分，故齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒上。熱處理質(zhì)量的好壞將對(duì)齒輪的質(zhì)量和服役壽命起到?jīng)Q定性的作用。表面感應(yīng)加熱升溫速度快，能獲得細(xì)化的奧氏體晶粒。淬火后得到極細(xì)的馬氏體組織，再經(jīng)回火得到高度彌散的回火馬氏體組織。45號(hào)鋼齒輪通過(guò)表面淬火可以獲得具有高硬度和良好耐磨性的表面硬化層，同時(shí)心部保留良好的綜合力學(xué)性能。通過(guò)選取合理的淬火工藝參數(shù)，可以大幅降低45號(hào)鋼齒輪各類(lèi)淬火缺陷，改善熱處理品質(zhì)，提高齒輪實(shí)物質(zhì)量和服役壽命。