40Cr齒輪鹽浴爐快速加熱表面淬火

■李小銀，崔軍，李軍，余長海

40Cr齒輪鹽浴爐快速加熱表面淬火

■李小銀，崔軍，李軍，余長海

摘要：研制并使用鹽浴爐快速加熱表面淬火保護裝置，對m8的40Cr重載齒輪實施鹽浴爐快速加熱和冷卻保護，確定了合適的鹽浴爐快速加熱表面淬火工藝，實現了齒輪的齒部表面淬火，從而解決了該齒輪采用中頻感應淬火無法保證齒面硬度和齒根有一定硬化層深度，以及容易導致齒面磨損和輪齒折斷失效的技術難題。

一、概述

我公司生產的某液壓汽車起重機產品，回轉機構系統中帶動吊臂起吊和旋轉的關鍵部件，使用了圖1所示的開式齒輪傳動的漸開線直齒正變位輸出重載齒輪，m＝8，z＝15，齒頂圓直徑為139.2mm，齒寬76mm，固定弦齒厚約為11.1mm，齒深為18.0mm。它是一個主動輪，承受很大的工作載荷。齒輪的設計材料為40Cr，技術要求粗加工后調質硬度260～300HBW，轉機加半精加工及插齒后再齒部表面淬火至50～55HRC。

該齒輪在開式傳動環境下工作，灰塵和砂粒等易落入齒面間，在與內齒圈嚙合工作時，通過齒面的接觸傳遞動力和改變運動方向。因此，輪齒表面受到交變接觸應力及摩擦力的作用，而齒根部則受到交變彎曲應力的作用，根部彎曲應力最大，而且應力集中。同時，齒頂特別是齒根處磨損較嚴重。磨損后，齒廓已不是漸開線，齒側間隙增大，齒根變薄，從而降低了齒輪傳動的平穩性和輪齒彎曲強度，甚至輪齒折斷。對于開式齒輪傳動的硬齒面齒輪，齒面疲勞磨損和輪齒折斷是主要失效形式。因此，該齒輪在表面淬火時，既要保證齒面硬度，又要保證齒根部有一定的硬化層深度。從齒輪的齒根彎曲疲勞強度出發，表面淬火齒輪的最佳硬化層深度為0.3～0.4m。我們設定齒輪合理的表面硬化層分布見圖2（a、b、c為合理的硬化層分布，d、e為不合理的硬化層分布），工藝要求齒面硬化層深2.4～3.2mm，齒根以下有≥1.5mm的硬化層深度，極限硬度值取齒輪的最低表面硬度要求50HRC。

圖1　齒輪示意

圖2　齒輪表面硬化層分布示意

對于m8齒輪的齒部表面淬火，通常采用中頻感應淬火方法。該齒輪若采用中頻感應淬火，一方面，不僅因齒槽較窄且較深，很難制作出合適的按齒槽仿形，并需加裝導磁體來驅流的V形結構的單齒沿齒槽加熱中頻感應淬火感應器，且若用該中頻感應淬火感應器對齒槽逐一實施連續加熱或同時加熱表面淬火時，因固定弦齒厚較薄，也很易使已經淬火的相鄰齒面因加熱屏蔽不好或旁邊冷卻不好產生回火而硬度下降，達不到設計要求，降低齒面的疲勞強度和耐磨性；另一方面，因輪齒較寬且深，若采用全齒的單匝或多匝圈式結構的中頻感應淬火感應器對齒輪進行兩次預熱+加熱后淬火，硬化層不易控制，用硬度法測試，硬化層＜2/3齒高，很難達到節圓以下齒面，齒根只有基體硬度，齒輪的表面淬火質量得不到保證；同時，因多次加熱，齒輪的淬火變形較大，淬火后需增加磨齒工序并需修整鍵槽，增加了生產成本。

為了保證齒輪的齒部表面淬火質量，減小淬火變形，降低生產成本，決定采用鹽浴爐快速加熱表面淬火的工藝方法來實現齒輪的齒部表面淬火，確保齒面硬度和齒根有≥1.5mm的硬化層深度和較高的彎曲疲勞強度，從而滿足齒輪的使用要求，避免齒面嚴重磨損和輪齒折斷失效。

二、可行性分析

對于齒輪類零件，若采用鹽浴爐快速加熱（爐溫超出正常加熱溫度100～150℃，工件入爐后，爐溫要保持平穩，波動不超過30℃），一方面，因加熱溫度高，加熱速度就快；另一方面，因齒部的有效受熱面積比內孔和端面大得多，故齒部的加熱速度也較快。同時，根據齒輪形狀尺寸，相似于管子零件，兩端敞開加熱比兩端封閉加熱要快兩倍，因此，若齒輪內孔兩端再用鋼板夾具夾緊，使內孔和端面只靠傳導加熱，加熱速度慢，這樣可以進一步加大齒部與端面和內孔的溫度差，能達到齒輪的齒部表面快速加熱表面淬火的目的。因此，采用鹽浴爐快速加熱可實現齒輪的齒部表面淬火。

三、鹽浴爐快速加熱表面淬火

1. 快速加熱表面淬火裝置

我們研制了圖3所示的快速加熱表面淬火保護裝置，由壓塊Ⅰ、壓塊Ⅱ、M16螺栓和M16螺母組成，并在M16的螺栓上焊一個M8的吊裝螺母。此快速加熱表面淬火保護裝置可以增加不需淬火部位加熱的有效厚度，減緩內孔、端面和不需淬火的外圓表面等位置的加熱速度。保護裝置中的所有零件均采用低碳鋼如Q235鋼或20鋼制造，防止其因淬火而引起變形和裂紋。壓塊Ⅰ和壓塊Ⅱ的外圓直徑一般應與齒根圓直徑相同或小2～3mm，厚度分別為20mm和30mm。

2. 淬火

（1）齒輪的吊裝齒輪淬火加熱和冷卻時的吊裝方式見圖3，采用單個齒輪吊裝加熱和冷卻。齒輪兩端必須用快速加熱表面淬火保護裝置夾緊，以減緩內孔和端面的加熱速度，防止鹽液和大量的淬火油進入內孔。

一般齒輪直徑小于150mm時，采用單個或成串浸入鹽浴中加熱，個數的多少，以不顯著降低鹽浴溫度（溫度波動不超過30℃）為原則。當齒輪直徑大于150mm時，采用旋轉式加熱，轉動速度保持0.5～1r/s恒定，必須正、反轉相繼進行。

齒輪快速加熱時，為避免壓塊Ⅱ因多次高溫加熱變形而影響齒輪端面與內孔的密封和齒輪快速加熱表面淬火效果，壓塊Ⅱ及其以上部分不進入鹽浴爐中加熱（見圖3）。

（2）烘干為了防止發生鹽液飛濺傷人，齒輪在進入鹽浴爐加熱前，必須與快速加熱表面淬火保護裝置固裝在一起，在30kW箱式電阻爐中進行（200～250）℃×1h的預熱，以烘干工件和快速加熱表面淬火保護裝置表面的水分。

圖3　齒輪加熱和冷卻時的吊裝示意

（3）淬火首先是快速加熱表面淬火溫度。工件要達到快速加熱的目的，爐溫就必須比正常加熱溫度高得多。40Cr材料正常淬火加熱溫度為830～860℃，采用鹽浴爐快速加熱時，爐溫應超出正常淬火加熱溫度100～150℃。因此，齒輪的快速加熱溫度應為930～1010℃。因我公司沒有高溫鹽浴爐，故選用中溫鹽浴爐加熱，選擇快速加熱表面淬火溫度為（930+10）℃。

其次是加熱時間。加熱時間的控制，是快速加熱工藝成敗的關鍵因素之一，對質量影響很大。時間過長，工件不僅透燒，淬火變形大，達不到表面淬火的目的，且會造成表面過熱，晶粒粗大，性能變壞；而加熱時間不足，則硬度不夠或硬化層太淺。鹽浴爐快速加熱，對于碳鋼和低中碳低合金鋼件，有效厚度在10～60mm時，加熱系數為6～8s/mm。同時，經過工藝試驗，在保證工件入爐后爐溫波動不超過30℃的情況下，以目測齒輪根部表面實際加熱溫度達到正常淬火加熱溫度830～860℃為依據，確定了齒輪鹽浴爐快速加熱時間為150～168s，夏天取中下限，冬天取中上限。

最后是淬火冷卻。齒輪鹽浴爐快速加熱后，迅速出爐進入L-AN32全損耗系統用油中冷卻至室溫。入油后，工件要上下來回移動，以保證工件均勻冷卻，減少淬火變形。

（4）回火拆下快速加熱表面淬火保護裝置后，對工件進行回火。回火采用45k W箱式電阻爐加熱，回火工藝為（200±20）℃×3h，空冷。

四、檢測結果

1. 硬度試驗

經鹽浴爐快速加熱表面淬火+箱式爐回火后的齒輪，用HR-150A洛氏硬度計測試齒頂和齒根以下2～3mm處的硬度，都在51 ～53HRC，硬度合格。

2. 硬化層深度試驗

經鹽浴爐快速加熱表面淬火+箱式爐回火后的齒輪，用線切割加工出金相試樣，并用金相顯微鏡檢查金相組織，齒部表面馬氏體級別為4～5級，為合格組織。用顯微硬度計檢測硬化層深度，獲得仿齒形硬化層（見圖2c），齒面硬化層深為3.1～3.2mm，齒根部（徑向）硬化層深3～3.15mm。

硬度試驗和硬化層深度試驗結果表明：齒輪用鹽浴爐快速加熱表面淬火+箱式爐回火的工藝方法，達到了齒部表面淬火的目的。在齒輪的批量生產中，我們用洛氏硬度計在齒輪端面齒根以下2～3mm處檢測硬度，若在50 ～55HRC，則判定為合格品。從投放市場的產品使用情況看，未發現齒面磨損和輪齒折斷失效的質量問題，該齒輪的質量穩定可靠。

3. 淬火變形測試

齒輪經鹽浴爐快速加熱表面淬火+箱式爐回火后，節圓、齒向、跨齒距變形都在0.01～0.05mm，在公差要求范圍內。內孔收縮了0.05～0.10mm，通過精加工，達到了產品要求。鹽浴爐快速加熱表面淬火變形比中頻感應淬火變形要小得多，齒輪的齒形和鍵槽的變形均較小，能夠滿足使用要求，淬火后可以不磨齒和修整鍵槽，從而降低了生產成本。

五、結語

（1） m8模數的40Cr齒輪，采用鹽浴爐快速加熱表面淬火+箱式爐低溫回火，獲得了沿齒廓分布的硬化層，齒面硬度達到51 ～55HRC，具有高的耐磨性；齒根有≥1.5mm的硬化層深度，具有較高的彎曲疲勞強度，從而實現了齒輪的齒部表面淬火，其淬火質量達到了設計和使用要求。

（2） 鹽浴爐快速加熱表面淬火法，只適用于碳素鋼或低中碳低合金鋼制齒輪、軸、軸套等零件。采用鹽浴爐快速加熱表面淬火時，必須嚴格控制加熱時間，以工件表面或齒輪的齒根表面實際溫度達到正常淬火溫度（40Cr為830～860℃）為宜，否則會引起工件表面過熱，晶粒粗大，降低工件使用性能。

（3） 該技術可推廣應用到模數為4～10的齒輪、蝸桿等表面淬火零件，特別是很難制作合適的中高頻感應淬火感應器以實現表面淬火的齒輪、蝸桿等零件，對于缺乏中高頻設備的企業也具有很大的實用價值。我公司現已將該技術應用到模數為6或8 的40Cr和45鋼蝸桿、45鋼齒輪以及45鋼活塞桿的球頭表面淬火生產中，應用效果良好。

20150118

作者簡介：李小銀、崔軍、李軍、余長海，重慶大江工業有限責任公司。