焊接式齒圈的齒面熱處理工藝及改進

摘 要：因為齒圈早期出現輪齒嚴重磨損的情況，所以需對齒面進行中頻感應淬火的熱處理。經過多次試驗，最終確定了齒面熱處理工藝，延長了齒圈的耐磨壽命。

關鍵詞：齒圈；中頻感應淬火；熱處理

引言

齒圈在實際使用過程中，出現多起早期輪齒磨損的情況，因此對焊接式齒圈的齒面進行中頻感應淬火的熱處理試驗，經過多次試驗和分析，最終確定了熱處理工藝，提高了工件的耐磨性能。

1 焊接式齒圈的加工工藝流程

焊接式齒圈是由圈板和齒板拼焊而成的總成件，其中齒板材料采用18MnMoNb。

具體的工藝流程為：圈板下料→板材卷圓、接口焊接→齒板下料→齒板拼焊→齒圈焊接成型→去應力退火→齒圈表面加工→齒圈內齒加工。

2 齒圈進行齒面熱處理的原因

2.1 工件的使用環境

齒圈與蝸輪箱小齒輪形成內嚙合齒輪副。作業工況為：低速重載、開式齒輪傳動；作業環境為多粉塵顆粒物，防護和潤滑條件差，為人工油脂潤滑。容易引起齒輪副磨損。

2.2 使用情況

齒圈在實際使用過程中，早期（500小時之前）出現多起輪齒嚴重磨損的情況如圖1所示：

于是決定針對齒板18MnMoNb進行齒面中頻感應淬火，以提高齒面硬度，達到延長齒圈耐磨壽命的目的。

3 齒板材料簡介

18MnMoNb鋼屬于屈服強度≥500MPa級的低合金高強度鋼，是鍋爐和壓力容器專用的低合金結構鋼。具有較高的強度和屈服比，熱加工性能和中溫性能較好，生產工藝較簡單，焊接性能良好，耐熱性較高。用于制造大型化工容器，也做水輪機和水輪發電機大軸以及交直流電機軸等。其力學性能為（厚度或直徑為40-95mm）：屈服強度≥500MPa，抗拉強度≥650MPa，延伸率≥16%，硬度190-220HB。焊接性（用碳當量表示）良好，其碳當量為0.56，與45鋼的焊接性相當。

18MnMoNb鋼加入少量的Nb可以顯著細化晶粒，Nb的析出強化作用，使屈服強度提高，同時Mo、Nb都能提高剛的熱強性，適合于石油化工行業使用的中溫高壓后壁容器和鍋爐等用鋼，使用溫度在500℃以下。該鋼淬火+低溫回火后得到的低碳馬氏體組織，其硬度可以達到40-45HRC。

4 熱處理試驗

4.1 熱處理設備及原理簡介

熱處理設備為：一臺中頻感應淬火設備和一臺低溫回火爐。

感應淬火的基本原理為工件和感應器保持一定間隙，感應器通入中頻交流電后，在工件表面形成同頻率的感應電流，將零件表面迅速加熱后立即噴水冷卻，使工件表面淬硬。感應器是中頻感應淬火的主要工具，它的結構和尺寸直接影響淬火質量。其主要結構分為感應頭、導磁體、絕緣板、冷卻水管和緊固裝置等。我公司感應頭如圖2所示：

感應頭與齒面各處的間隙值是影響淬火質量的重要因素。間隙小處，磁力線通過零件多，加熱效率高。由于齒各處散熱條件不同，間隙值不能相同。感應頭的匹配情況如圖3所示：

回火的目的是降低零件的淬火應力，防止開裂，提高零件的力學性能和使用壽命。回火必須及時，淬火后的零件在4h內必須進行回火。感應加熱淬火的零件常用的回火方法有自行回火、爐中回火和感應回火。自行回火是采用控制零件冷卻時間使零件不完全淬透，用零件內部的殘余熱量將表面淬硬層加熱到所需回火溫度的方法，自行回火時間一般大于20s；爐中回火，直徑小于10mm或壁厚小于5mm的零件以及移動加熱連續淬火零件不宜采用自行回火，一般采用爐中回火；感應加熱回火，要求局部回火的零件同城采用感應加熱回火，不能采用自行回火的簡單形狀的零件也可以采用感應加熱回火。綜合考慮，齒圈的回火采用的是爐中回火的方法。

4.2 熱處理試驗及分析

18MnMoNb作為一種低碳合金鋼，要獲得低碳馬氏體，需要較高的淬火溫度以使得碳固熔于奧氏體中，同時需要較快的冷卻速度使得奧氏體轉變為淬火馬氏體組織。具體的淬火控制參數見表1：

熱處理后分別對齒圈的齒面和齒根位置進行硬度的測量，結果如表2所示：

從測量結果來看，18MnMoNb齒圈經過齒面淬火后，輪齒區域的硬度大幅提高，熱處理效果顯著。但是硬度平均值均低于設計值370-450HB，并且每組硬度數值都很不均勻，齒面硬度值極差為145HB，齒根硬度值極差為87HB。因此需對熱處理工藝進行調整和改進。

4.3 熱處理工藝調整和改進

經過分析，原因主要有：首先，感應器為模型制作，技術水平和制作精度不足，感應器與工件的耦合間隙不均勻，造成淬火硬度不均勻。其次，淬火功率低、淬火速度過快、淬火距離的過短使得局部加熱溫度不足，奧氏體化不完全，造成硬度偏低和不均勻。再次，噴水盒上的噴孔容易被雜物盒淬火液堵塞，噴水不均勻，冷卻不充分就會影響淬火表面硬度，造成硬度偏低。

針對以上原因，修整了感應器與工件耦合部位的形狀，新增了水質過濾系統。通過反復多次試驗，最終確定合適的淬火功率、淬火速度和淬火距離參數。調整后具體的淬火控制參數見表3：

改進過后，重新對齒圈進行熱處理，效果顯著提高，硬度平均值達到設計要求。改進后的硬度測量結果如表4：

5 結束語

文章簡要的介紹了中頻感應淬火的原理，經過多次試驗分析，調整了熱處理的工藝，最終使工件達到了設計要求，提高了齒圈嚙合的疲勞壽命。

作者簡介：衡芳芳（1986，3-），女，大學學歷，助理工程師，研究方向為回轉支承應用與設計。