感应淬火给齿轮带来什么？从强度和节能的角度告诉你

在现行的工程应用中，齿轮感应淬火表面强化工艺受到了渗碳工艺的挑战，一方面是强度问题，另一方面还有工艺问题。

感应淬火存在的强度和工艺问题

（1）硬化层与心部的过渡区薄弱，图1所示为冷轧辊经感应淬火的残余应力分布，从图看到，在过渡区存在很大的拉应力。

图1  冷轧工作辊切向残余应力分布

（2）由于感应加热所存在的固有特性，工件淬火后在硬化层与调质基体之间往往会产生一个遭到高温过度回火的软带，如图2所示。

图2  硬化层与基体之间的过度回火软带

（3）单齿沿齿沟感应淬火的淬裂倾向，从齿轮接触疲劳强度和弯曲疲劳强度来说，都要求采用沿齿沟感应淬火（见表3）。

表3  不同硬化层分布齿轮的弯曲疲劳强度

注：～%指按ISO标准强度极限图推荐值的百分数。

但沿齿沟感应淬火存在一大工艺问题就是齿根淬火开裂。经计算机模拟和齿沟X-射线应力测试表明，齿根的确存在不利的残余拉应力。

（4）钢材含碳量限制  中碳合金钢齿轮硬度一般只能达到45～55HRC，要进一步提高硬度水平，必须提高钢材的含碳量，但是随着钢材含碳量的提高，齿轮的淬裂倾向随之增大。

改善热处理工艺，提高强度性能

只有克服了以上所述的各种问题，才能促使高效节能的感应淬火工艺在齿轮生产中的应用。

（1）沿齿廓“一发法”加热淬火

欲改善硬化层和残余应力的分布，沿齿廓同时感应加热淬火是最佳工艺。按美国的工业应用推荐：模数小于8mm，直径小于600mm的齿轮一般采用“一发法”淬火（Single shoting），而对于模数大于8mm，直径大于600mm的齿轮则采用单齿逐齿加热淬火。

双频感应加热淬火原理见图3，效果见表4。

（a）低频加热        （b）热扩散       （c）高频加热

图3  双频感应加热原理（x.齿部，y.预热区，z.芯部冷态）

表4  齿轮淬硬层深度及表面硬度

（温馨提示：点击放大查看数据）

由于齿根热应力的改善从而减小了淬裂倾向，同时，还为提高淬火齿轮钢材的含碳量提供了可能性。

发展双频淬火工艺，需要开发展大功率晶体管固态电源，因为双频整体加热淬火所需一次功率较高，如一Ф132mm、模数3mm的齿轮，其加热电源分别为100kW/3kHz和600kW/150kHz。从可靠性和效率考虑，应当开发大功率的IGBT晶体管来支持齿轮双频淬火工艺的发展。

重新启动低淬透性感应加热淬火，60T、70T低淬透性钢既具有较高的含碳量，又没有高的淬裂倾向。过去因为受到钢材冶金质量的限制，现在已经不是问题了，应当重启这种钢材的应用。

（2）单齿沿齿廓加热淬火  

从工艺的角度：

①降低齿根淬火拉应力，改善不良原始组织，可降低加热温度和减缓冷却，从而降低齿根残余拉应力；改善齿根几何形状、加大齿根圆角半径可以改善齿根应力状态；合理选用冷却介质和冷却方法是防止淬火开裂的关键。

②提高感应淬火机床功能和控制水平，单齿沿齿廓加热淬火对感应器与轮齿间侧隙很敏感，所以最好采用滚珠丝杆+步进（或伺服）电机传动代替原来的液压传动是推荐的方案；同时，采用计算机对相对位置、移动速度、加热功率、加热时间、冷却时间、冷却介质压力及流量等参数进行控制，从而达到淬火质量的有效控制。

从强度的角度，保证足够的硬化层深度：从图4的渗碳淬火和感应淬火的硬度分布曲线看到，感应淬火硬化层深度需要比渗碳淬火更深才能保证过渡区的安全。

图4  感应淬火和渗碳淬火硬度分布曲线

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