齒圈高頻淬火硬度、層深的影響因素分析

楊輝+劉亞輝+祁偉+李進(jìn)萍

摘 要：簡要分析了材料、壓力、介質(zhì)溫度、感應(yīng)器結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)等對(duì)齒圈的影響，闡述了齒圈熱處理過程中出現(xiàn)的問題，并采取合理、有效的方法解決它，以提高零件加工的合格率。

關(guān)鍵詞：齒圈；感應(yīng)器；淬火；溫度

中圖分類號(hào)：TG156.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.122

文章編號(hào)：2095-6835（2016）11-0122-02

飛輪齒圈是經(jīng)過加熱后鑲在飛輪外緣上的，它冷卻之后會(huì)緊固在飛輪外緣上，并與起動(dòng)機(jī)齒輪嚙合，以帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

近期，某公司齒圈熱處理工序出現(xiàn)部分齒圈按照工藝參數(shù)進(jìn)行淬火后硬度、淬硬層深偏低的情況，嚴(yán)重影響了齒圈的制造質(zhì)量。鑒于此，專門成立了專項(xiàng)工作組查證、分析、解決這類質(zhì)量問題。

齒圈技術(shù)要求，材料為45#，硬度為HRC48-56，齒根處淬硬深度為0.5～2.0 mm。

1 影響淬火的因素分析

1.1 毛坯材料

檢測齒圈毛坯的成分后，結(jié)果顯示，齒圈成分合格。但是，在抽檢過程中發(fā)現(xiàn)，齒圈毛坯的基體組織為鍛造態(tài)齒圈，這嚴(yán)重違反了圖紙的設(shè)計(jì)要求，即正火態(tài)HB170-210，所以，要求廠家立即修改。正火的目的是使晶粒細(xì)化，使碳化物分布均勻，去除材料的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工件的尺寸，防止變形與開裂。另外，還要采取感應(yīng)加熱方法進(jìn)行表面淬火前的預(yù)備處理，使淬火后的層深無法深入。

1.2 感應(yīng)器噴水壓力

相關(guān)工藝要求感應(yīng)器噴水壓力為0.2 MPa，但是，其實(shí)際壓力最低為0.05 MPa，噴水壓力不足。這樣，熱量瞬時(shí)就會(huì)被帶走，從而降低冷卻速率，影響組織轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致齒圈淬硬層深度不夠。出現(xiàn)這種情況的主要原因是：①冷卻水管路堵塞，再加上水泵電機(jī)長期使用，功率損耗增大。當(dāng)壓力調(diào)節(jié)閥開至最大時(shí)，壓力表顯示0.18 MPa，噴水時(shí)，壓力表顯示0.05 MPa。②因?yàn)楫?dāng)?shù)厮|(zhì)比較硬，所以，長時(shí)間使用感應(yīng)器，其噴水孔會(huì)結(jié)垢，導(dǎo)致部分噴水孔水量減少，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)堵塞。③現(xiàn)場出現(xiàn)了3種結(jié)構(gòu)不一致的感應(yīng)器，噴水孔排列方式、數(shù)量都不一樣。

鑒于此，可采取以下措施：①檢修水泵電機(jī)，清理、沖洗管路內(nèi)壁，保證其流量；②定期使用草酸液浸泡感應(yīng)器，為其除垢，并疏通噴水孔；③確認(rèn)感應(yīng)器結(jié)構(gòu)的唯一性和有效性，規(guī)定使用交叉5孔感應(yīng)器，不得隨意更換。

1.3 淬火介質(zhì)溫度

淬火介質(zhì)冷卻水的溫度變化比較大，齒圈淬火設(shè)備使用的冷卻水沒有外部冷卻裝置，依靠儲(chǔ)水箱自行降溫。11月份，從齒圈淬火開始加工，水箱內(nèi)的水溫接近室溫，為8～10 ℃；加工100件后，水溫升至20 ℃；繼續(xù)加工，最終水溫為33～35 ℃。8月份，從齒圈淬火開始加工，水箱內(nèi)的水溫接近室溫，為30～35 ℃；加工100件后，水溫升至40 ℃；繼續(xù)加工，最終水溫為45～50 ℃。冷卻水溫下降速度緩慢，如果換熱不及時(shí)，水溫會(huì)逐漸升高，導(dǎo)致齒圈的整體硬度偏低。

1.4 調(diào)整感應(yīng)器

夾具不正，齒圈與感應(yīng)器存在偏心或高低不平的情況，導(dǎo)致齒圈裝夾定位后，存在局部間隙較大、加熱速率慢、噴水距離遠(yuǎn)的問題，最終影響齒圈的整體硬度和層深。鑒于此，要更換新感應(yīng)器，避免因?yàn)榕f感應(yīng)器使用時(shí)間過長而增加功率損耗，降低齒圈的加熱溫度和加熱深度。同時(shí)，要調(diào)整感應(yīng)器與夾具的同心度，消除夾具與感應(yīng)器之間存在的偏心量，優(yōu)化齒圈邊緣與感應(yīng)器的間隙，使其更加均勻。齒尖距離感應(yīng)器內(nèi)表面尺寸為（4.9±0.5）mm。

在這項(xiàng)工作中，可以利用打表測量夾具的平面度，采取臨時(shí)加墊銅皮（長久措施堆焊、打磨）的方式，使齒圈厚度與感應(yīng)器之間的對(duì)中性更加均勻，防止齒圈端面凸出感應(yīng)器平面。調(diào)整感應(yīng)器后，齒圈兩端面距離其平面（2.5±0.5）mm。

1.5 調(diào)整工藝參數(shù)

經(jīng)過一系列的調(diào)整，相關(guān)工藝參數(shù)為：①在工藝規(guī)定范圍內(nèi)，將感應(yīng)電源功率由428～432 kW調(diào)至440～445 kW，測得齒圈硬度無明顯變化。②調(diào)整加熱時(shí)間和冷卻時(shí)間，由加熱24 s、噴水9 s提升至加熱25 s、噴水13 s，測得齒圈硬度高點(diǎn)提升約3HRC。③在相同的工藝參數(shù)下，測得不同廠家的毛坯齒圈的硬度和寬度區(qū)間基本一致，低點(diǎn)為41.5～42.5 HRC，高點(diǎn)為53～55 HRC。由此可以判斷，A廠家齒圈低于48 HRC點(diǎn)偏多，占60%，B廠家和C廠家齒圈低于48 HRC點(diǎn)的占30%.④在相同參數(shù)、相同毛坯的情況下，水溫越低，硬度、寬度范圍越窄，硬度值整體偏高。⑤在相同參數(shù)、毛坯、水溫情況下，堆放冷卻和單獨(dú)冷卻對(duì)齒圈硬度的影響甚微。

1.6 淬火加熱溫度

由檢測結(jié)果和顯微鏡下觀察的切割樣塊兒（圖1）可知，齒圈齒內(nèi)含有游離鐵素體，未完全轉(zhuǎn)化為馬氏體。這是淬火加熱溫度不足所致，所以，要采取相應(yīng)的措施延長加熱時(shí)間。第一次加熱，時(shí)間由24 s延長至27 s，使用紅外測溫儀測得齒圈的表面溫度約為630 ℃，切割檢測結(jié)果為齒根無層深，鐵素體依然存在。第二次加熱，時(shí)間由27 s延長至30 s，使用紅外測溫儀測得齒圈的表面溫度約為670 ℃，結(jié)果依然是齒頂有鐵素體，齒根馬氏體較少。考慮到繼續(xù)加熱會(huì)導(dǎo)致齒圈嚴(yán)重變形，因此，無法繼續(xù)調(diào)整工藝參數(shù)。

2 改進(jìn)措施

鑒于上述情況，可采取以下措施：①加強(qiáng)對(duì)毛坯熱處理過程的控制，禁止鍛態(tài)毛坯混入合格品中；②改造齒圈儲(chǔ)水箱，在其外部增加換熱器，以加快水溫的冷卻速度；③改造水泵和管路系統(tǒng)，更換更大型號(hào)的水泵電機(jī)和與之匹配的管路，以提升噴水壓力；④調(diào)整感應(yīng)器夾具，并定期測量、檢測，發(fā)現(xiàn)夾具偏心或高低不平時(shí)，要及時(shí)調(diào)整；⑤調(diào)整工藝參數(shù)，將加熱時(shí)間由24 s調(diào)至25 s，噴水間隙由0.5 s調(diào)至0.8 s，冷卻時(shí)間由9 s調(diào)至11 s，并根據(jù)外部環(huán)境的變化和毛坯材料一致性控制的不同隨時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)。

3 結(jié)論

齒圈高頻淬火不合格主要是感應(yīng)器與夾具不對(duì)正導(dǎo)致的。感應(yīng)器結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致加熱溫度不夠，冷卻速度減慢。本文全面分析了齒圈淬火超差的原因，為解決這類質(zhì)量問題提出了一種解決思路。這樣，有利于后續(xù)改進(jìn)工作的順利進(jìn)行，而且還能防止同類情況再次發(fā)生，避免造成更大的損失。

參考文獻(xiàn)

[1]胡光立，謝希文.鋼的熱處理原理和工藝[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2008.

〔編輯：白潔〕