影響大模數齒輪感應淬火硬化層的因素分析

李丹，薛偉

淬火分為整體淬火和表面淬火，其中表面淬火的加熱方式一般采取感應加熱。感應加熱屬于快速加熱的熱處理工藝，其加熱參數如加熱速度、電流透入深度、工件材料、淬火冷卻介質、淬透深度等對于相變溫度、相變動力學和形成的組織都有很大的影響。

生產中，針對感應淬火工件材料成分，一方面，確定感應淬火機床電源加熱頻率、輸出功率、感應器移動速度、感應器間隙等參數來控制加熱速度和電流透入深度；另一方面，淬火冷卻介質、噴淋裝置的冷卻能力控制淬透深度，通過調整兩個方面的因素來實現設計要求的淬火硬化層深度。

1.技術要求

生產工件為大直徑偏心齒輪，結構形式如圖1所示，齒輪由齒圈及偏心體兩部分組成，齒圈材質為45鋼，生產工序為齒部表面包齒淬火、回火。零件表面要求達到的表面硬度48HRC、淬硬層為3～5mm以滿足齒輪嚙合時的接觸強度、齒根抗彎強度及抗疲勞性能。

2.感應淬火工藝參數

（1）加熱溫度 齒圈原始組織為調質組織，由于中頻感應加熱速度快，加熱溫度可適當提高，45鋼加熱溫度控制在850～880℃。

（2）頻率 中頻電流透入深度計算公式

式中 d——透入深度；

μ——材料磁導率；

?——電流頻率。

具體生產經驗值參考表1。

根據試驗數據可以看出，隨著頻率的降低，電流透入深度隨之增大，根據不同的硬度要求，中頻電流頻率一般要控制在8000Hz以下。

（3）淬火冷卻介質 45鋼等形狀簡單零件可以直接選用自來水作為淬火冷卻介質，溫度控制在18～50℃，采用連續淬火方法，加熱和冷卻淬火連續進行。冷卻噴淋裝置45°角噴淋工件。

3.工藝試驗結果及分析

調整合適電參數符合工藝要求，對齒輪試樣進行淬火試驗，采用控制變量法，分別進行6組試驗，試樣齒部標號57～62，試驗參數如表2所示。

各個試樣回火后進行理化檢測，檢測結果如表3所示。

根據表2和表3中的數據顯示：

（1）對比標號為57和58、60和62的兩組試驗數據進行分析，可知淬火冷卻介質溫度對淬硬層的影響，表現為淬火冷卻介質溫度在20～50℃時，淬硬層深度隨著淬火冷卻介質溫度的降低而增大，且感應層深度的變化范圍在0.12～0.428mm，并且這一范圍隨著感應器移動速度的加快而增大。

圖 1

表 1

由于淬火冷卻介質溫度降低時，噴淋冷卻能力提高，淬透深度增加，使得工件淬硬層增大，同時當移動速度加快時，感應器對齒部加熱與噴淋裝置噴淋時間間隔變短，進一步提高了冷卻能力。

（2）對比分析標號59和60的數據，結果表明工件淬火時電源輸出功率對硬化層的影響，當功率增加13.5kW時，硬化層增加0.6mm左右。

由于感應加熱主要靠感應器對工件感應加熱的趨膚效應，在工件表面形成渦流，越接近表面，溫度越高。當電源輸出功率增大時，渦流能量大，加熱速度快，同時工件相對靠內的位置溫度也高，從而達到淬火溫度。但在實際生產中，過大的功率會造成工件表面溫度過高，有增大淬火裂紋的傾向。

（3）標號59和61的數據表明感應器移動速度對硬化層的影響。在連續淬火時，當感應器移動速度增加50mm/min，硬化層將降低1mm左右，表現出移動速度影響非常大，工件感應加熱時，移動速度的快慢直接影響電流透入工件加熱的時間，選擇合適的感應器移動速度才能保證電流透入深度，達到要求的硬化層深度。

表 2

表 3

4.結語

因電源輸出功率、頻率、感應器移動速度、淬火冷卻介質成分及溫度等工藝參數均對硬化層深度有一定的影響，只有在生產中多次總結經驗，調整合適的工藝參數，才能確保生產出合適硬化層且無裂紋的工件。

經過多次試驗分析及對試驗數據的總結，對于45鋼大模數齒輪表面感應淬火，感應器的移動速度選擇在120～150mm/min之間，設備功率選擇在39～45kW，設備頻率4200Hz，淬火冷卻介質溫度控制在20～40℃，可以得到3～5mm厚的硬化層。

圖2 57#和58#試樣感應淬火硬化層宏觀分布形態

圖3 59#和60#試樣感應淬火硬化層宏觀分布形態

圖4 61#和62#試樣感應淬火硬化層宏觀分布形態