齿轮仿齿形连续感应加热淬火工艺研究
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本文就传统齿轮中频淬火工艺，只能实现齿面淬火，提高了齿面硬度，齿沟无淬硬层，淬硬层在齿沟处以上部位中断问题展开分析。通过调整电、热参数，改变感应器结构，改变导磁体的安装方式，调整施感体与齿廓各部位间隙等中频淬火工艺因素的试验与研究，实现了齿面、齿沟加热温度均匀，防止齿沟裂纹产生，淬硬层沿齿廓(齿沟、齿面)均匀分布。
近年来，随着齿轮制造技术要求不断提高，要求齿轮产品质量也不断提高，具有高综合机械性能的中硬齿面齿轮感应淬火热处理技术在不断的发展和完善。传统中频淬火工艺，实现了齿面淬火，提高了齿面硬度，齿沟无淬硬层，该法淬火后的硬化层在齿面分布不均匀，在齿沟处中断，见图1所示，这种状态对齿轮受力及抗疲劳性能极为不利。为此，我们对齿轮仿齿形感应淬火工艺进行了研究和攻关，经过认真仔细研究，设计了新型感应器，通过多次淬火工艺试验，达到沿齿廓有比较均匀的硬化层，硬度达到要求，无淬火裂纹，提高了齿轮感应淬火质量，使用寿命得到延长。传统淬火工艺取得了新突破。
图1 齿轮感应淬火硬化层现状
1 齿轮齿面淬火分析
1.1 淬火质量分析
齿轮齿面中频感应加热淬火中，从传统淬火工艺来看，淬火硬化层的质量缺陷有：
1.淬火硬度不均匀或硬度不符合技术要求。
2.硬化层深度不均匀，不是沿齿廓均匀分布。
3.齿沟淬硬后易产生裂纹。这三个问题，过去感应热处理技术中一直没有完善的解决办法或是解决得不很理想。
淬硬层硬度不符合技术要求，表面硬度偏高将使渗层脆性增加，可以通过提高回火温度获得要求的表面硬度，但会产生后续其它问题，硬度偏低零件的耐磨性降低，产生零件提前失效。目前齿轮的淬硬层的分布形式是硬化层在齿沟处2mm或以上的地方中断，虽然能满足使用要求，但齿轮的抗弯疲劳强度大受影响，甚至低于该材料调质后的性能水平，不能满足现代齿轮零件的使用要求。齿沟处淬火后易产生裂纹与零件材料及其原始组织、淬火工艺等有关，加之齿沟淬火硬化层深度和分布不合理，导致齿沟处残余应力的改变，齿沟淬硬层处形成拉应力，呈不应有的残余拉应力状态，应力超过其屈服极限则在齿沟处产生开裂。
鉴于传统的中频淬火工艺易产生上述质量问题，影响了淬硬层的质量，我们通过大量的分析研究，认为通过调整淬火工艺电、热参数，改变感应器结构，改变导磁体的安装方式，调整施感体与齿廓各部位间隙能实现齿面、齿沟加热温度均匀，防止齿沟裂纹产生，实现淬硬层沿齿廓(齿沟、齿面)均匀分布，表面硬度符合技术要求，使齿轮中频感应淬火技术的发展更上一台阶。
1.2 淬火工艺分析
齿轮的感应加热淬火，根据齿轮的形状、模数大小以及感应淬火加热设备的特点，齿轮感应加热淬火方式有：全齿淬火、单齿淬火和沿齿沟淬火。全齿淬火方式只适用于模数小于5mm的齿轮，实现仿齿形淬火需要很高的设备功率，电流频率对齿轮的淬硬层分布影响较大，实际操作中往往无法取得较为合适的频率，淬硬层不是整齿淬透就是齿顶淬硬，或是齿沟淬硬层较薄，淬硬层不是沿齿廓较均匀分布，淬火质量不理想。单齿淬火方法适合于M>5mm的齿轮零件，也适合于现有的100KW设备功率，但不管是单齿同时加热和单齿连续加热，将齿顶包住的淬火法淬火时齿顶易过热，齿沟处无淬硬层，降低了齿轮的疲劳寿命，且操作上难度较大，总之都得不到理想的淬硬层分布。沿齿沟淬火法特别适用于大模数齿轮单齿连续加热淬火，感应器与齿沟形状相似，感应器与齿部、齿沟间隙均匀、一致，加热时，齿沟、齿面获得均匀的加热温度，在连续自喷冷却的淬火方式下，获得均匀的淬硬层。淬火齿背面可通过喷水冷却，防止相临已淬齿面、齿顶产生回火，降低已淬齿面的硬度，通过调节背冷水的喷射压力，齿面可获得较理想的淬硬层。为了感应器有较高的效率，在感应器上下两端之间镶入导磁体增强驱流效果，同时调整导磁体与齿面、齿沟之间间隙可以避免裂纹产生和获得最佳淬硬层。最后通过回火来稳定淬硬层组织和消除淬硬层与基体之间(即过渡区层)的拉应力，达到比较完善的淬火硬化层质量。
2 感应淬火试验
2.1 项目试验目标
齿沟、齿面淬火，齿底和齿面达到硬度要求，淬火硬化层无裂纹，齿面、齿沟有比较均匀的硬化层，沿齿廓均匀分布。
2.2试样制备
模数m<5的齿轮零件不适合于单齿连续加热淬火，实际生产中也是采用的同时加热，根据公司的实际情况，选取常用的齿轮模数作为代表试验，取Mn=32，Mn=20，Mn=10三种仿齿形试样，分别按照实际齿的外形轮廓加工出的三种仿齿形试样，每种模数试样大于4个齿，齿面光洁度和材质等技术要求与实际齿轮相当。
2.3 感应器设计与制造
经过上面的分析，结合生产中的实际状态，我们重新设计了特殊的感应器，以达到仿齿形淬火要求。首先以Mn=32的齿形制作感应器，选用紫铜管材作为感应器原材料，采用双匝单回路感应器，按照齿沟的圆弧直径减去1.5mm制成相似直径的施感体头部，并镶嵌带圆弧的V型硅钢片，叠加成小于5mm的磁扼，压紧固定于双匝之间，整个施感体外缘呈仿齿形。感应器外形见图2所示。
图2 沿齿沟、齿面淬火感应器
导磁体采厚度为0.35mm的电工用硅钢片，其外形如图3所示。
图3 硅钢片形状
2.4 工艺参数
M=32的齿样调试工艺参数的对比见表1。首先是2#齿样淬火，采用隔齿进行淬火，由下端向上端连续推进，冷却介质为浓度8%的AQ251淬火液，连续喷射冷却，相临齿面背水冷却，根据淬火层外观热型调整背冷水的压力。
表1 齿轮仿齿中频淬火工艺试验记录 Mn=32 DS≥ 3.5~5.0mm HRC ≥ 56
2.5 调试
初步计算和确定工艺电参数、热参数，按照上面的工艺参数，进行第一次调试淬火，然后解剖试样，检测硬化层深度、硬度、裂纹探伤，根据结果进行分析改进。第一步找出齿沟加热难和解决裂纹的方法，通过试验，我们改变齿沟喷水孔的方向，调整感应器与齿沟、齿面的间隙，取得了满意的效果，得出了比较适合齿沟、齿面淬火的感应器类型和淬火工艺参数，并经过多次重复再现性试验和解剖试样，M=32模数齿的淬火取得了成功。第二步再根据其它两种模数齿的特点，感应器的电效率，感应器结构对磁场磁力线分布的影响，制作难易程度，参照第一次调试效果进行其它两种小模数的感应器设计制作，并进行无数次淬火试验，经过近三个月的反复摸索，至此其它两种较小模数齿的淬火也取得了成功。
3 试验结果分析
3.1初调试样解剖结果
2-1#齿样硬化层数据和截面分布见表2、图4。
表2 2-1#齿型样检测结果 (Mn=32)
图4 2-1#淬火截面硬化层分布(Mn=32)
从检测数据来看，2-1#中部横截面的淬火硬化层极不均匀，齿沟和两边齿顶层较深，齿面浅，从图4就可看出，齿沟的硬度较高，但齿面硬度偏低，且齿面层深较薄，这是我们不需要的硬化层分布。从过渡区看，由于感应器与齿面中部间隙较大，造成齿面加热速度慢，温度不高，使得过渡层较宽，而此齿齿沟间隙已达到了3.5mm，齿沟温度还高，说明硅钢片的安装解决了齿沟加热难的问题，同时硅钢片的方向性对磁力线影响很大。至于齿顶层较深，那是尖角部位磁力线集中造成的。后我们调整了施感体头部和尾部与齿顶、齿面、齿沟的间隙，使齿沟间隙为4.0mm，齿面、齿顶间隙为1.5mm，再次进行试淬，结果也是齿沟温度高，齿面温度低，淬火后从端面就可看出齿沟侧面(即D点)层深比齿面硬化层深多了，硬度也很高，再一次证明硅钢片安装方向的影响力，经探伤发现齿沟有裂纹出现，这也不是我们所需要的。
3.2 改进后试样解剖结果
试样淬火硬化层分布见图5、图6。
图5 改进工艺后的淬火硬化层(Mn=32)
图6 端面分布(左图)和齿沟截面硬化层分布
测试部位见图7，试样解剖数据见表3、表4。
图7 齿样硬化层深度测定部位示意图
表3 齿型样检测结果(Mn=32)
经过分析后，认为造成齿面温度低齿沟温度高的原因是由于一方面硅钢片的形状对施感体周围磁场的影响，改变了磁力线的分布，齿沟驱流效果明显。另一方面是感应器与齿面间间隙和施感体外缘与硅钢片外沿间隙的影响。确认后我们修正感应器，缩短硅钢片外沿与施感体外缘的距离，同时再次修正感应器与齿面间隙，进行重复试淬火，结果得到了满意的效果，从3-2#、4-2#齿样的硬化层横截面解剖照片(见图5、图6)和测试数据(见表3、表4)可看出，齿沟、齿面表面硬度较为均匀，左右齿面层深波动在标准要求的范围内，且齿沟低部层深约为偏深，沟底两侧层深与齿面相等，应该说这种状态对使用更为有利。表3中3-2#齿样的数据中齿沟上有裂纹，是由于同一个齿样重复淬火后造成的，所以齿沟表现出来有淬火裂纹。整个试验中左右面齿面硬化层深度偏差不稳定，这是在试验过程中未使用定位杆的缘故，感应器与两边齿面间隙得不到固定，所以出现层深偏差波动。
Mn=32模数齿样成功调试完后，我们按照取得的经验和数据，对模数20、10的齿样进行了试淬火，并反复试验和改进，终于对其它模数的淬火试验也取得了成功。模数20、10齿样淬火横截面照片见图8、图9。
图8 齿样硬化层截面分布(Mn=20)
图9 三种模数齿样硬化层截面分布图
(左中右模数32、20、10)
4 结论
4.1 沿齿沟、齿面感应淬火项目试验总的来说是成功的，齿沟、齿面获得了比较均匀的硬化层深度，各部位淬火硬度和金相组织符合技术要求。
4.2 连续沿齿沟、齿面感应淬火要获得均匀的硬化层深度，感应器的设计和制造是关键，导磁体安装位置与方向以及导磁体相对感应器外缘与零件的间隙对淬火温度影响非常大，合理地调节感应器与齿面、齿沟间的间隙是能否实现获得均匀硬化层的关键。
4.3 项目的试验成功使传统的感应淬火技术取得了新突破，齿轮内在品质得到提高，使用寿命延长。
4.4 在以后的淬火操作中，两边齿面硬化层深的偏差需要定位淬火来解决，待进一步的完善。
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