感應(yīng)淬火具有高效、清潔、節(jié)能等特點(diǎn)，是國家重點(diǎn)推廣應(yīng)用的技術(shù)。目前，感應(yīng)加熱技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于熱處理行業(yè)，越來越多企事業(yè)單位研究和使用感應(yīng)熱處理技術(shù)。我公司在齒輪的表面熱處理過程中取得了較好的效果，生產(chǎn)效率非常高，產(chǎn)品質(zhì)量均勻穩(wěn)定，生產(chǎn)成本大幅下降，但在大模數(shù)（m＝10～14）齒輪感應(yīng)淬火生產(chǎn)中存在硬化層分布不合理問題，長期困擾正常生產(chǎn)。另外，在使用過程中齒輪還會出現(xiàn)裂紋、早期疲勞、脆裂等問題，其中造成齒輪斷裂的主要原因?yàn)辇X頂、齒溝硬化層分布不合理。本文針對模數(shù)為10以上齒輪感應(yīng)淬火工藝進(jìn)行了一種新的工藝方法嘗試，取得了較好效果[1]。
1、 大模數(shù)齒輪感應(yīng)淬火硬化層分布情況
齒輪材料使用S48C-V鋼，該種牌號為日本牌號，要求脫氧處理，氧含量[O]≤20ppm（1ppm＝10﹣6），與中國牌號47Mn鋼化學(xué)成分接近。S48C-V鋼化學(xué)成分見表1。齒頂硬化層深度要求4.0～9.8mm，齒根硬化層要求1.9～2.9mm，表面硬度55～60HRC，基體硬度229～277HBW。齒輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。該齒輪的主要工藝過程為：下料→鍛造→正火→粗車→精車→滾齒→感應(yīng)淬火→回火→拋丸→精車→精滾齒→拉鍵槽→裝配。感應(yīng)淬火過程中的加熱采用集中加熱方式，使用電源功率為350kW，頻率為2500Hz，加熱后采用7.5%濃度AQ251淬火冷卻介質(zhì)淬火[2]，淬火壓力為0.3MPa，低溫回火4h。
表1 S48C-V鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
圖1 傳動齒輪結(jié)構(gòu)示意
感應(yīng)淬火后硬化層分布情況如圖2所示。從腐蝕齒輪試樣情況來看，齒頂硬化層深度較深，齒溝硬化層深度較淺，仿形效果較差。借助顯微硬度計(jì)檢測硬化層深度，齒頂硬化層深度為11.5mm，齒溝硬化層為1.0mm，節(jié)圓處硬化層深度8.0mm，硬化層分布效果較差，硬化層分布不合理，齒頂硬化層深度過深而齒溝硬化層深度過淺，無法滿足圖樣技術(shù)要求（齒頂硬化層4.0～9.8mm、齒溝硬化層1.9～2.9mm）。一方面，此種硬化層分布齒部幾乎完全淬透，齒部中心位置沒有硬度較低、韌性較好的基體承受傳動過程中的沖擊，齒輪脆性大大增加；另一方面，齒溝硬化層過淺，沒有足夠的抗彎曲疲勞強(qiáng)度，容易出現(xiàn)早期脆性斷裂、打齒、疲勞損壞等問題。
圖2 硬化層分布
2、硬化層分布影響因素分析
通常影響硬化層分布的因素有加熱、冷卻、原材料特性等。原材料檢測合格，排除原材料因素造成的影響。加熱影響主要有加熱溫度和加熱層深度，通過紅外測溫儀檢測表面淬火時的溫度，檢測結(jié)果為870～890℃，滿足工藝要求。通常硬化層深度主要是由加熱層和淬火冷卻決定的，加熱層主要與頻率和加熱時間有關(guān)，頻率越高，集膚效應(yīng)越明顯，硬化層越淺，頻率越低，硬化層越深，同時需要配合制定合理的加熱時間。
感應(yīng)加熱過程中電流透入深度計(jì)算式為
式中 d——電流透入深度（mm）；
ρ——材料電阻率（Ω·m）；
μ——材料磁導(dǎo)率（H/m）；
f——電流頻率（Hz）。
電阻率和磁導(dǎo)率是隨著溫度的變化而變化的。通過計(jì)算可知，800℃時2500Hz頻率下電流的透入深度約為10mm，該電流透入深度比較合理，說明頻率選擇合理。但是，實(shí)際淬火后硬化層深度仍無法滿足要求。通過深入分析發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)加熱時由于該件模數(shù)較大，在2500Hz頻率下齒頂加熱速度較快，因此很快達(dá)到要求的加熱層，而齒溝距離感應(yīng)器較遠(yuǎn)，溫度較低，加熱效果如圖3所示。為使齒輪的齒頂、齒溝等位置同時達(dá)到淬火溫度，需要延長加熱時間，這就造成齒頂加熱時間過長，熱量傳導(dǎo)至更深的位置，造成齒頂硬化層過深；如不延長加熱時間，則會存在硬化層分布問題（見圖2），齒溝硬化層深度無法滿足技術(shù)要求。
圖3 單一頻率集中加熱效果
經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是由于齒輪模數(shù)大、齒頂齒溝加熱不同步，該種模數(shù)齒輪已經(jīng)不適合整體感應(yīng)加熱淬火，在同一頻率下齒頂、齒溝加熱無法兼顧。因此，該種大模數(shù)齒輪適合采用單齒感應(yīng)淬火，以較低的頻率加熱齒溝、較高的頻率加熱齒頂。單齒感應(yīng)淬火對齒面和齒溝同時進(jìn)行掃描感應(yīng)淬火，齒面、齒溝硬化層分布非常均勻一致，可解決硬化過深問題。然而，經(jīng)分析計(jì)算，單齒淬火生產(chǎn)1件齒輪的時間為25min左右，整體感應(yīng)淬火生產(chǎn)1件齒輪的時間為3min，因此單齒感應(yīng)淬火的效率非常低，無法滿足生產(chǎn)效率的需求。
3、 試驗(yàn)方案
為解決上述問題，我公司技術(shù)人員通過多次討論分析，決定借鑒雙頻感應(yīng)淬火技術(shù)，提出一種新的感應(yīng)加熱方式。雙頻感應(yīng)淬火技術(shù)可實(shí)現(xiàn)齒頂、齒溝不同頻率加熱，可較好地解決硬化層深度分布的問題[3]。但是，我公司設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)同步雙頻感應(yīng)淬火，依據(jù)在用設(shè)備特點(diǎn)，制定出分段、不同步、不同頻率加熱方案，見表2。
表2 分段、不同步、不同頻率加熱方案
4、 試驗(yàn)驗(yàn)證
按照改進(jìn)后制定的感應(yīng)加熱方案進(jìn)行試驗(yàn)，采用分階段感應(yīng)加熱淬火工藝，第一段采用2000Hz頻率，加熱30s，加熱溫度至750℃左右；第二階段切換至高頻12000Hz，加熱22s，加熱溫度達(dá)到850℃；第三階段再次切換頻率至2500Hz，加熱15s，加熱溫度達(dá)到880℃后進(jìn)行淬火，加熱效果對比如圖4所示。從圖4a可看出，改進(jìn)前，采用單一頻率加熱時，齒頂、齒溝已完全熱透，造成齒部硬化層過深；從圖4b可看出，改進(jìn)后加熱效果明顯，齒頂、齒溝均已達(dá)到淬火溫度，而齒部并未熱透，淬火后硬化層不會過深。
a） 改進(jìn)前加熱效果
b）改進(jìn)后加熱效果
圖4 改進(jìn)前后加熱效果對比
淬火后對試驗(yàn)齒輪進(jìn)行剖切，并對改進(jìn)前后硬化層分布進(jìn)行對比，如圖5所示。從圖5b可看出，改進(jìn)后硬化層分布效果良好，齒頂硬化層深度6.5mm，齒溝硬化層深度2.3mm，節(jié)圓處硬化層深度4.2mm，滿足要求，各位置硬化層均達(dá)到要求。
a）改進(jìn)前硬化層分布
b）改進(jìn)后硬化層分布
圖5 改進(jìn)前后硬化層分布對比
5、 結(jié)束語
按照上述試驗(yàn)方案先后生產(chǎn)齒輪10000余件，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，未出現(xiàn)齒輪故障問題。實(shí)踐證明，采用分段、不同頻率感應(yīng)加熱淬火方式，可較好地解決大模數(shù)齒輪硬化層分布不合理問題，為大模數(shù)齒輪生產(chǎn)提供了新思路。
參考文獻(xiàn)：
[1] 馮顯磊，李炎，胡良波，等.推土機(jī)齒輪常見裂紋分析與預(yù)防[J]. 金屬加工（熱加工），2015（23）：58-61.
[2] 回艷. AQ251淬火冷卻介質(zhì)的特點(diǎn)及使用[J]. 金屬加工（熱加工），2012（3）：54-55.
[3] 黃顯臣. 齒輪的雙頻感應(yīng)加熱淬火[J]. 國外汽車，1990（2）：64-66.
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