影响大模数齿轮感应淬火硬化层的因素分析

李丹，薛伟

淬火分为整体淬火和表面淬火，其中表面淬火的加热方式一般采取感应加热。感应加热属于快速加热的热处理工艺，其加热参数如加热速度、电流透入深度、工件材料、淬火冷却介质、淬透深度等对于相变温度、相变动力学和形成的组织都有很大的影响。

生产中，针对感应淬火工件材料成分，一方面，确定感应淬火机床电源加热频率、输出功率、感应器移动速度、感应器间隙等参数来控制加热速度和电流透入深度；另一方面，淬火冷却介质、喷淋装置的冷却能力控制淬透深度，通过调整两个方面的因素来实现设计要求的淬火硬化层深度。

1.技术要求

生产工件为大直径偏心齿轮，结构形式如图1所示，齿轮由齿圈及偏心体两部分组成，齿圈材质为45钢，生产工序为齿部表面包齿淬火、回火。零件表面要求达到的表面硬度48HRC、淬硬层为3～5mm以满足齿轮啮合时的接触强度、齿根抗弯强度及抗疲劳性能。

2.感应淬火工艺参数

（1）加热温度 齿圈原始组织为调质组织，由于中频感应加热速度快，加热温度可适当提高，45钢加热温度控制在850～880℃。

（2）频率 中频电流透入深度计算公式

式中 d——透入深度；

μ——材料磁导率；

ƒ——电流频率。

具体生产经验值参考表1。

根据试验数据可以看出，随着频率的降低，电流透入深度随之增大，根据不同的硬度要求，中频电流频率一般要控制在8000Hz以下。

（3）淬火冷却介质 45钢等形状简单零件可以直接选用自来水作为淬火冷却介质，温度控制在18～50℃，采用连续淬火方法，加热和冷却淬火连续进行。冷却喷淋装置45°角喷淋工件。

3.工艺试验结果及分析

调整合适电参数符合工艺要求，对齿轮试样进行淬火试验，采用控制变量法，分别进行6组试验，试样齿部标号57～62，试验参数如表2所示。

各个试样回火后进行理化检测，检测结果如表3所示。

根据表2和表3中的数据显示：

（1）对比标号为57和58、60和62的两组试验数据进行分析，可知淬火冷却介质温度对淬硬层的影响，表现为淬火冷却介质温度在20～50℃时，淬硬层深度随着淬火冷却介质温度的降低而增大，且感应层深度的变化范围在0.12～0.428mm，并且这一范围随着感应器移动速度的加快而增大。

图 1

表 1

由于淬火冷却介质温度降低时，喷淋冷却能力提高，淬透深度增加，使得工件淬硬层增大，同时当移动速度加快时，感应器对齿部加热与喷淋装置喷淋时间间隔变短，进一步提高了冷却能力。

（2）对比分析标号59和60的数据，结果表明工件淬火时电源输出功率对硬化层的影响，当功率增加13.5kW时，硬化层增加0.6mm左右。

由于感应加热主要靠感应器对工件感应加热的趋肤效应，在工件表面形成涡流，越接近表面，温度越高。当电源输出功率增大时，涡流能量大，加热速度快，同时工件相对靠内的位置温度也高，从而达到淬火温度。但在实际生产中，过大的功率会造成工件表面温度过高，有增大淬火裂纹的倾向。

（3）标号59和61的数据表明感应器移动速度对硬化层的影响。在连续淬火时，当感应器移动速度增加50mm/min，硬化层将降低1mm左右，表现出移动速度影响非常大，工件感应加热时，移动速度的快慢直接影响电流透入工件加热的时间，选择合适的感应器移动速度才能保证电流透入深度，达到要求的硬化层深度。

表 2

表 3

4.结语

因电源输出功率、频率、感应器移动速度、淬火冷却介质成分及温度等工艺参数均对硬化层深度有一定的影响，只有在生产中多次总结经验，调整合适的工艺参数，才能确保生产出合适硬化层且无裂纹的工件。

经过多次试验分析及对试验数据的总结，对于45钢大模数齿轮表面感应淬火，感应器的移动速度选择在120～150mm/min之间，设备功率选择在39～45kW，设备频率4200Hz，淬火冷却介质温度控制在20～40℃，可以得到3～5mm厚的硬化层。

图2 57#和58#试样感应淬火硬化层宏观分布形态

图3 59#和60#试样感应淬火硬化层宏观分布形态

图4 61#和62#试样感应淬火硬化层宏观分布形态