盾構軸承套圈齒部淬火工藝研究

孫小東，王明禮，端木培蘭，霍曉磊

（洛陽LYC軸承有限公司a.技術中心；b.特大型軸承廠，河南 洛陽 471039）

土壓平衡盾構主軸軸承為3排組合結構，是盾構掘進機上承受載荷（主要是沖擊載荷）最大的部件之一。由于極其惡劣的工作條件，當其齒面和齒根淬火質量未達到技術要求時，軸承易發生早期失效，進而可能導致正在施工的隧道和盾構掘進機整體報廢，造成極大的經濟損失，因此，其必須具有很高的可靠性。由于盾構主軸軸承齒面和齒根的淬火質量（硬度、硬化層深度）是決定其可靠性的重要指標之一，因此，必須對軸承齒面和齒根的感應器結構和中頻淬火工藝進行深入研究，使齒面和齒根的淬火質量能夠滿足高強度、高耐磨性以及高可靠性的要求。

1 試驗設備和檢測儀器

試驗及檢測所使用的設備、儀器為：（1）淬火設備采用GC13650淬火機床；（2）硬度檢測儀器為HR-150洛氏硬度計；（3）淬火介質濃度測定使用WYT-15折光儀。

由于盾構主軸軸承的齒面和齒根均要求表面淬火，為了使齒面和齒根淬火后的硬度和硬化層深度能夠滿足技術要求，采用了如圖1所示結構的仿形感應器。

圖1 齒淬火仿形感應器結構形式

2 淬火技術要求

盾構主軸軸承齒的淬火技術要求為：（1）齒面、齒根硬度為50～60 HRC；（2）齒面、齒根有效硬化層深度≥2.9 mm；（3）淬火面不允許有裂紋。

3 中頻淬火工藝試驗

3.1 中頻淬火工藝試驗

3.1.1 感應器及齒淬火試驗基本參數

采用單齒仿形齒根齒面淬火感應器（圖1）。齒模數為M18；試樣材料為42CrMo。該材料屬于合金結構鋼，經過調質以后可以獲得良好的綜合力學性能。

3.1.2 淬火介質的選擇

目前，國內常用的淬火介質有聚乙烯醇（PVA）和聚二醇（PAG）。PVA的主要缺點是使用濃度低（約0.1%～0.3%），易老化變質。PAG在長期使用中性能比較穩定，而且使用濃度比在6%～8%，很容易用折光儀測定，容易控制。

3.1.3 齒淬火加熱參數的選擇

感應淬火由于加熱速度快，奧氏體不一定會完全均勻化，提高溫度可以減輕或消除這種現象，而過高的溫度會使表面過熱，淬火后易產生裂紋，所以，感應淬火溫度選擇880～920℃；根據技術要求的硬化層深度，選擇4 500 Hz的電流加熱頻率；工件移動速度慢影響生產效率，太快易導致淬火裂紋，因此選用130～240 mm／min。

齒淬火工藝試驗參數見表1。回火工藝為（170±10）℃×4 h，空冷。

表1 齒淬火試驗工藝

3.2 檢驗結果

（1）著色探傷。齒試樣淬回火后經著色滲透探傷均無裂紋。

（2）硬度及硬化層深度檢測。齒淬火試樣硬化層深度檢測結果見表2，檢測部位及硬化層形狀分布見圖2。

表2 淬火硬化層深度檢測結果 mm

圖2 各工藝測量部位及硬化層分布

3.3 結果分析

（1）從表2可以看出，齒頂、齒面和齒根的硬化層深度依次降低，這是由于在淬火加熱時，齒面和齒根部位的加熱和散熱狀態不同。電磁感應加熱的邊緣效應使得尖角處（齒頂部位）的加熱深度較深，且此處散熱差，所以淬火后硬化層就深；由于齒根處需要的熱量多，而該部位熱量向零件內部散熱較快，所以淬火后硬化層較淺。

（2）從表1和表2可以看出，工件的移動速度越慢，硬化層越深。這是因為工件的移動速度越慢，加熱時間就越長，工件獲得的總熱量就越多，加熱深度就越深，因此，淬火后的硬化層深度就越深。

（3）試驗結果表明，A2-2，A6-2齒面和齒根淬硬層深度均能到達2.9 mm。但由于A2-2工藝感應器移動速度過慢，生產效率低，故實際生產中不易采用此工藝。

根據試驗結果，綜合考慮產品質量和生產效率等因素，確定土壓平衡盾構主軸軸承齒的淬火工藝為A6-2。其具體工藝參數為：感應器移動速度為160～180 mm／min；淬火溫度為（900±20）℃；加熱頻率為4 500 Hz；淬火介質濃度比為c（PAG）＝6%～8%，淬火介質溫度為（30±5）℃。