首页 > 分享 > 工业重载齿圈感应淬火工艺

工业重载齿圈感应淬火工艺

花匠小妙招
2024-11-08 23:23

作者：张京、黄星、陈亮

单位：中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

工业重载齿圈的服役环境苛刻，所受载荷大且复杂多变，在服役过程中易出现变形或断齿等问题。重载齿圈的常用热处理方式为渗氮和感应淬火。但是，随着齿轮箱设计功率的增加，齿圈的直径和模数也相应增大，对有效硬化层深度提出了更高要求。受深层渗氮技术的限制，渗氮工艺越来越难满足内齿圈的热处理要求。相比于渗氮热处理，感应淬火工艺具有生产周期短、硬化层深、能承受较大接触应力和冲击载荷等优点。某重载齿圈在生产试制时出现齿根裂纹现象（见图1），且淬硬层分布不均匀，齿根和齿顶硬化层较深，但节圆淬硬层深度远低于技术要求的有效硬化层深值（见图2）。基于此，我们对该工业重载齿圈的感应淬火进行了工艺优化研究。

图1 某重载齿圈齿根开裂照片

图2 某重载齿圈试制后的有效硬化层分布

70周年

重载齿圈技术要求

该重载齿圈材料42CrMo4，外径1822mm，内径1533mm，齿宽402mm，齿数99个，模数15.5。热处理技术要求为：齿轮表面硬度53~58HRC，节圆有效硬化层深度2.8~3.8mm（界限硬度512HV1），齿根有效硬化层深度≥70%节圆有效硬化层深，进口端和出口端有效硬化层深≥1.0mm，淬硬层金相组织需满足JB/T 9204中的马氏体4~7级。70周年

感应淬火设备

本研究所用设备为EFD公司生产的EFD VXL-1000.2000.1-SP.SST型回转工作台式中频感应淬火机床，机床额定输入电压380V。淬火冷却介质使用PAG淬火冷却介质AQ251。本研究采用单齿连续感应淬火工艺。感应器为纯铜制作的仿齿形感应器，其结构如图3所示。该感应器由通用基座、感应器头部和导磁体三部分组成，前两者之间以燕尾槽连接，并在内部形成畅通的循环冷却水通路以避免感应器在工作过程中发生局部高温熔化。感应器头部使用0.2mm厚的仿齿形硅钢片叠加形成层板导磁体，利用导磁体的驱流效应增强齿根处电流密度。

图3 感应器示意

70周年

工艺方案

对于该重载齿圈，本研究仿照齿形设计了图3所示的感应器并开展工艺验证试验。表1给出了6种内齿圈的感应淬火工艺方案。其中，方案1为根据以往其他产品经验设计的试制工艺，出现了图1、图2所示的质量问题。方案2~6为在方案1、方案2验证结果基础上陆续设计的优化方案。所有方案在同一个试验齿圈进行验证，以降低原材料、调质、机加工等因素造成的不利影响。

表1 内齿圈感应淬火工艺方案

对比6种工艺方案，本研究保持淬火冷却介质浓度和频率固定，通过对移动速度、齿部间隙（见图4）和功率等参数的调整，实现对内齿圈感应淬火工艺的优化。

图4 齿部间隙

70周年

结果和讨论

1. 方案1试制结果重载齿圈使用方案1进行试制，结果发现试验齿根出现裂纹（见图1），且淬硬层分布不均匀（见图2），齿根和齿顶硬化层较深（3.6mm和2.3mm），但节圆淬硬层深度远低于技术要求的有效硬化层深值（1mm）。2. 齿根开裂问题优化经初步检测，齿根裂纹附近有高点和接刀痕等铣齿缺陷。分析认为，上述缺陷在局部位置产生应力集中，并在感应淬火过程中与组织应力、热应力相互叠加导致局部应力过大而开裂。为验证上述猜想，对该齿圈的齿面进行打磨处理，并挑选无明显异常的齿条采用方案2进行试制（具体工艺参数与方案1相同）。经磁粉探伤，方案2试制齿条未发现感应淬火裂纹。同时，对裂纹的失效分析结果也进一步证实了铣齿缺陷导致了齿根开裂，具体分析过程不作赘述。经检测，方案2试制齿圈的齿顶、齿根和节圆处的有效硬化层深与方案1结果相近，分别为3.6mm、2.3mm和0.8mm，有效硬化层分布无法满足产品技术要求。3. 硬化层分布不均问题优化6种不同工艺方案的有效硬化层深检验结果如表2所示。

表2 6种不同工艺方案的有效硬化层深检验结果

除齿根裂纹外，方案1和方案2还存在淬硬层分布不均问题，齿根和齿顶硬化层较深，但节圆淬硬层深度远低于技术要求规定的有效硬化层深值。分析认为，该质量问题主要是因为节圆间隙b与齿根间隙a和齿顶间隙c不匹配，间隙b相对间隙a、c过大，导致感应器在齿面加热效率低，齿面硬化层浅。针对此种情况，最合理的解决方案为重新优化感应器。但是，考虑到重新设计、制作并验证感应器的周期长以及生产订单交付周期紧的事实，本研究在不更换感应器的前提下，尝试通过调整齿部间隙、功率、移动速度等参数对工艺进行优化。方案3和方案4使感应器外移，增大齿轮各部位与感应器的间隙（a分别为1.5mm、1.4mm，b分别为1.9mm、1.8mm，c分别为2.2mm、2.0mm），从而缩小节圆处与齿顶、齿根处加热效率的不均匀程度。但是，随着齿部间隙的增大，各部位加热效率必会有不同程度的下降，导致硬化层变浅，因此通过增加功率（由50kW增大至57kW）和降低移动速度（由330mm/min减小至280mm/min）的方法来弥补间隙增大导致的加热效率降低的问题。表2结果表明，方案3、方案4的齿顶有效硬化层深均为3.7mm，齿根有效硬化层深分别为2.5mm、2.1mm，节圆有效硬化层深分别为1.8mm、1.89mm。由表2可知，方案3和方案4的齿根处和节圆处的有效硬化层深差值较方案1和方案2明显减小，其中方案4的差值仅为0.2mm，改善效果明显。但是，节圆有效硬化层深仍低于技术要求值，需进一步优化。在方案4的基础上，进一步增加功率（方案5增大至59kW，方案6增大至62kW）以提高节圆有效硬化层深，方案6感应淬火检验结果如表3所示。表3 方案6感应淬火检验结果

结果表明，方案5和方案6的齿顶有效硬化层深均为3.6mm，齿根有效硬化层深分别为2.3mm、2.7mm，节圆有效硬化层深分别为1.97mm、2.9mm。由此可见，方案6已满足相关技术要求的硬化层深要求。由表3可知，方案6齿条的进口、出口部位有效硬化层深满足≥1.0mm要求，齿条各部位表面硬度满足53~58HRC要求，淬硬层金相组织5级（见图5），满足4~7级要求。因此，方案6满足产品技术要求，可用作生产工艺。

图5 方案6淬硬层金相组织

70周年

结语

（1）消除高点和接刀痕等铣齿缺陷，提高齿表面状态，有利于降低重载齿圈的感应淬火开裂风险。（2）在感应器设计过程中，感应器与齿轮的齿根间隙、节圆间隙和齿顶间隙需相互匹配。若节圆间隙相对齿顶和齿根间隙过大，则会导致齿廓硬化层分布不均匀问题，齿顶和齿根有效硬化层较深，但节圆有效硬化层非常浅。（3）通过使感应器外移，增大感应器与齿轮各部位的间隙，同时增加功率并降低移动速度等手段，解决了由节圆间隙相对齿顶和齿根间隙过大导致的齿廓硬化层分布不均匀问题。