45號鋼齒輪表面淬火影響因素和質量控制

董 斌 杜 影 唐海山 朱國和

上海振華港機重工有限公司 上海 201913

0 引言

在現代機械各種各樣的傳動形式中，齒輪傳動應用最為廣泛。齒輪傳動機構即一對相同模數的齒輪相互嚙合將動力由甲軸傳送給乙軸，以完成動力傳遞。如圖1所示，齒輪傳動是靠齒與齒的嚙合進行工作的。輪齒是齒輪直接參與工作的部分，故齒輪的失效主要發生在輪齒上。主要的失效形式有輪齒折斷、齒面點蝕、齒面磨損、齒面膠合以及塑性變形等，而熱處理的質量將對齒輪的質量和服役壽命起到決定性的作用[1，2]。

圖1 齒輪傳動示意圖

1 預處理組織對45號鋼齒輪表面淬火的影響

感應淬火前選用合理的預處理工藝至關重要。由于感應淬火的工藝特點，只能獲得表面的組織和硬度，這就需要一定的原始組織來保證零件在使用過程的最佳狀態。不同的原始組織和加熱速度對45號鋼相變臨界溫度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，其中原始組織為調質組織時的相變溫度最低。

圖2 原始組織和加熱速度對45號鋼相變臨界溫度Ac3的影響

用退火預處理得到原始組織為粗片狀珠光體及大塊狀鐵素體，經表面感應淬火后心部力學性能較差。用正火預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，但其心部力學性能比回火索氏體差。對45號鋼齒輪采用淬火＋高溫回火的調質預處理可以得到回火索氏體，回火索氏體組織中彌散細小的碳化物顆粒均勻分布在鐵素體基體上，可以獲得最佳的強韌性匹配。之后進行表面淬火時，表面可以在較低的溫度轉變為奧氏體，快速實現奧氏體均勻化，同時心部保持回火索氏組織。采用調質預處理的齒輪可以通過表面淬火以獲得具有高硬度和良好耐磨性的表面硬化層，同時心部保留調質態的綜合力學性能。因此，調質預處理是45號鋼齒輪的最佳預處理工藝。

原始組織和加熱速度對45號鋼表面淬火溫度的影響如圖3所示，其中二區間為最佳范圍；一、三區間為允許范圍。在加熱速度確定時，原始組織細小的45號鋼齒輪時其淬火溫度工藝窗口較寬，同時淬火溫度下限較低，更有利于現場生產組織。

圖3 原始組織和加熱速度對45號鋼表面淬火溫度的影響

2 感應線圈形狀對45號鋼齒輪表面淬火的影響

感應器是將高頻電流轉化為高頻磁場對零件實施感應加熱的能量轉換器，直接影響零件表面淬火質量和設備效率[3，4]。感應器結構與感應線圈形狀應按齒輪的熱處理技術條件確定，能夠獲得所需的加熱區和加熱層，及獲得均勻的硬化層分布，力求加熱均勻，防止過熱、欠熱、加熱層厚薄不均等。

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

圖4 不同截面形狀的感應器He等同狀況下對熱形的影響

感應器應具備足夠的機械強度和使用壽命，確保使用過程中不產生變形，同時避免加熱時因晃動擦碰齒輪產生電擊傷。

齒輪表面淬火感應器力求簡單，選擇單匝感應線圈，保持線圈冷卻暢通，如圖5所示。

圖5 齒輪淬火用感應加熱器示意圖

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

3 感應加熱參數對45號鋼齒輪表面淬火的影響

感應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，加熱時感應電流的透入深度不同[5，6]。感應加熱電流頻率與硬化層深度對應關系如表1所示。

表1 感應加熱電流頻率與硬化層深度對應表

超高頻透入深度極小，主要用于鋸齒、刀刃、薄件的表面淬火；高頻感應透入深度約0.5 mm，主要用于小模數齒輪和小軸類零件的表面淬火；中頻感應透入深度約5～10 mm，主要用于中、小模數齒輪、凸輪軸和曲軸類零件的表面淬火；工頻電流透入深度較大超過10 mm，主要用于冷軋輥表面淬火。齒輪模數與感應加熱頻率對應關系見表2。

表2 齒輪模數與感應加熱頻率對應表

通過功率計算，得到設備必要的輸出功率，而設備輸出功率可以通過電氣參數進行調整。

式中：Ps為輸出功率，D為零件直徑，H為感應器高度，Ng為感應器效率（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，感應器的效率與零件直徑大小有關。齒輪直徑越大感應器的效率越高，大直徑齒輪允許采用低頻率，而小直徑齒輪可采用高頻率。

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

式中：Ps為輸出功率，Va為陽極電壓，Ia為陽極電流，N為振蕩管數目。

通過理論計算后，還要經過試淬進行檢驗，以修正并最終確定感應加熱參數。為確保加熱均勻，齒輪根據工件大小的不同，旋轉速度控制在60～120 r/min。齒輪需要加熱的表面被感應器包圍而快速升溫，加熱完成后通過噴淬或淬火液中浸淬進行快速冷卻。

4 淬火溫度和冷卻方式對45號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。感應加熱的特點是加熱速度快，溫度超過A1～A3點時，導磁率急劇下降，加熱速度減慢，實際溫升速度約100℃/s，比在爐中加熱速度快得多，因此感應加熱遠高于A1溫度時相變才結束。

感應加熱溫升速度快，高溫持續時間短，不會發生晶粒長大，故感應加熱溫度要高于普通淬火加熱溫度。45號鋼在不同加熱速度下的淬火溫度與硬度關系如圖6所示，當提高加熱速度時，高硬度區域變寬并轉向高溫，最適宜的淬火溫度范圍由t1～t2區間提高至t3～t4區間。45號鋼齒輪的感應加熱溫度一般控制在900℃～950℃。

圖6 45號鋼不同加熱速度下淬火溫度與硬度關系

噴射冷卻是感應加熱淬火的最常見冷卻方式。45號鋼齒輪可對全部面積進行噴射冷卻淬火，冷卻時間可以通過計時控制，一般為5～15 s。淬火液溫度、噴射壓力、冷卻時間可根據具體情況進行調整。對于m＜3 mm的齒輪為防止淬火后產生點狀裂紋及軟點，淬火冷卻時可采取工件旋轉式淬火。

5 回火工藝對45號鋼齒輪表面淬火的影響

齒輪感應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，減少應力，防止變形、開裂，提高尺寸穩定性，保證良好綜合的機械性能。

淬火后齒輪需在2 h內回火處理，回火后硬度稍有下降，減少了內應力，防止和減少齒輪的變形和開裂。45號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號鋼感應加熱表面淬火爐中回火規范如表3所示。

圖7 回火溫度對45號鋼淬火齒輪表面硬度的影響

表3 45號鋼高頻感應加熱表面淬火爐中回火工藝

6 45號鋼齒輪表面淬火后的硬度檢驗

感應加熱表面淬火零件的硬度、硬化區、硬化區位置、硬化層深度必須符合圖紙的技術要求。硬化區尺寸測量標準采用金相法和硬度法。

1）金相法 從表面100%馬氏體測至50%馬氏體＋50%屈氏體為止。預先調質齒輪硬化層深度由表面測至明顯索氏體處。表面硬度＞55 HRC齒輪硬化層內不允許有鐵素體，預先調質硬度下限＜55 HRC齒輪允許有少量鐵素體。

2）硬度法 由表面測量至硬化區邊界的硬度來確定硬化層的深度。45號鋼齒輪對應的硬化區邊界硬度值為45 HRC。齒輪模數m≤3 mm的45號鋼齒輪，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號鋼m≤3齒輪的硬化層

7 45號鋼齒輪淬火缺陷及防治方法

45號鋼齒輪表面淬火缺陷位置如圖9所示，齒輪的齒面、齒頂、齒底及側面是缺陷的多發生處。45號鋼齒輪高頻淬火時產生缺陷及防治方法見表4。

圖9 45號鋼齒輪表面淬火缺陷位置示意圖

表4 45號鋼齒輪高頻淬火時產生缺陷及防治方法

8 小結

齒輪傳動是靠齒與齒的嚙合進行工作。輪齒是齒輪直接參與工作的部分，故齒輪的失效主要發生在輪齒上。熱處理質量的好壞將對齒輪的質量和服役壽命起到決定性的作用。表面感應加熱升溫速度快，能獲得細化的奧氏體晶粒。淬火后得到極細的馬氏體組織，再經回火得到高度彌散的回火馬氏體組織。45號鋼齒輪通過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，同時心部保留良好的綜合力學性能。通過選取合理的淬火工藝參數，可以大幅降低45號鋼齒輪各類淬火缺陷，改善熱處理品質，提高齒輪實物質量和服役壽命。