從齒輪強度的觀點來分析感應(yīng)淬火和滲碳熱處理節(jié)能

從齒輪強度的觀點來分析感應(yīng)淬火和滲碳熱處理節(jié)能

陳國民，教授，鄭州機械研究所

從強度的觀點，滲碳具有最好的綜合力學(xué)性能，但從工藝的角度，滲碳卻是最復(fù)雜而耗能的工藝，而感應(yīng)淬火具有工序短、變形小、能耗低等諸多優(yōu)點（見表1、表2）。

擴大節(jié)能工藝的應(yīng)用，在齒輪行業(yè)具有很大的意義。據(jù)統(tǒng)計，2013 年我國齒輪行業(yè)總產(chǎn)值已達(dá)2080億元，僅就我國滲碳齒輪制造中的磨削費用就是一項驚人的數(shù)字。

然而，由于齒輪生產(chǎn)工藝主要是由強度所決定的，所以欲擴大感應(yīng)淬火節(jié)能工藝的應(yīng)用范圍，首先應(yīng)分析和了解工藝中的物理冶金因素對齒輪強度的影響。

感應(yīng)淬火齒輪的強度與節(jié)能

在現(xiàn)行的工程應(yīng)用中，齒輪感應(yīng)淬火表面強化工藝受到了滲碳工藝的挑戰(zhàn)，一方面是強度問題，另一方面還有工藝問題。

1. 感應(yīng)淬火存在的強度和工藝問題

（1）硬化層與心部的過渡區(qū)薄弱，圖1所示為冷軋輥經(jīng)感應(yīng)淬火的殘余應(yīng)力分布。由圖可見，在過渡區(qū)存在很大的拉應(yīng)力。

（2）由于感應(yīng)加熱所存在的固有特性，工件淬火后在硬化層與調(diào)質(zhì)基體之間往往會產(chǎn)生一個受到高溫過度回火的軟帶，如圖2所示。

（3）單齒沿齒溝感應(yīng)淬火的淬裂傾向。從齒輪接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度來說，都要求采用沿齒溝感應(yīng)淬火（見表3）。

但沿齒溝感應(yīng)淬火存在一大工藝問題就是齒根淬火開裂。經(jīng)計算機模擬和齒溝X-射線應(yīng)力測試表明，齒根的確存在不利的殘余拉應(yīng)力。

（4）中碳合金鋼齒輪硬度一般能達(dá)45～55HRC，要進(jìn)一步提高硬度水平，必須提高鋼材的含碳量，但隨著鋼材含碳量的提高，齒輪的淬裂傾向隨之增大。

2. 改善熱處理工藝，提高強度性能

滲碳模壓淬火滲碳自由淬火感應(yīng)淬火（雙頻）1 8個工序：粗加工→去油污→屏蔽罩→鍍銅→去掉屏蔽→檢查鍍銅層→表面滲碳→緩冷→清洗→去掉鍍銅層→完成齒部機加工→裝入淬火爐→模壓淬火→去油污→回火→、噴砂（清理）→檢查→精整1 4個工序：粗加工→齒部半成形→鍍銅→去掉屏蔽→檢查鍍銅層→表面滲碳→直接淬火→回火→去油污→噴砂→去掉鍍銅層→噴砂→檢查→精整9個工序：粗加工→預(yù)備熱處理（淬火）→去油污→回火→完成機加工（最終尺寸）→感應(yīng)淬火→回火→卸載→檢查

表2 感應(yīng)淬火和滲碳淬火經(jīng)濟性的對比

只有克服了以上所述的各種問題，才能促進(jìn)高效節(jié)能的感應(yīng)淬火工藝在齒輪生產(chǎn)中的應(yīng)用。

（1）沿齒廓“一發(fā)法”加熱淬火 欲改善硬化層和殘余應(yīng)力的分布，沿齒廓同時感應(yīng)加熱淬火是最佳工藝。按美國的《工業(yè)應(yīng)用》推薦：模數(shù)小于8mm，直徑小于600mm的齒輪一般采用“一發(fā)法”淬火（Single Shoting）；而對于模數(shù)大于8mm，直徑大于600mm的齒輪則采用單齒逐齒加熱淬火。

雙頻感應(yīng)加熱淬火原理見圖3，效果見表4。

由于齒根熱應(yīng)力的改善，從而減小了淬裂傾向，同時還為提高淬火齒輪鋼材的含碳量提供了可能性。

發(fā)展雙頻淬火工藝，需要開發(fā)大功率晶體管固態(tài)電源，因為雙頻整體加熱淬火所需一次功率較高，如φ132mm、模數(shù)3mm的齒輪，其加熱電源分別為100kW/3kHz和600kW/150kHz。從可靠性和效率考慮，應(yīng)當(dāng)開發(fā)大功率的IGBT晶體管來支持齒輪雙頻淬火工藝的發(fā)展。

重新啟動低淬透性感應(yīng)加熱淬火，60T、70T低淬透性鋼既具有較高的含碳量，又沒有高的淬裂傾向。過去因為受到鋼材冶金質(zhì)量的限制，但現(xiàn)在已不是問題了，應(yīng)當(dāng)重啟這種鋼材的應(yīng)用。

圖1 冷軋工作輥切向殘余應(yīng)力分布

圖2 硬化層與基體之間的過度回火軟帶

表3 不同硬化層分布齒輪的彎曲疲勞強度

表4 齒輪淬硬層深度及表面硬度

（2）單齒沿齒廓加熱淬火從工藝的角度：①降低齒根淬火拉應(yīng)力，改善不良原始組織，可降低加熱溫度和減緩冷卻，從而降低齒根殘余拉應(yīng)力；改善齒根幾何形狀、加大齒根圓角半徑可以改善齒根應(yīng)力狀態(tài)；合理選用淬火冷卻介質(zhì)和冷卻方法是防止淬火開裂的關(guān)鍵。②提高感應(yīng)淬火機床功能和控制水平，單齒沿齒廓加熱淬火對感應(yīng)器與輪齒間側(cè)隙很敏感，所以最好采用滾珠絲桿+步進(jìn)（或伺服）電動機傳動代替原來的液壓傳動是推薦的方案；同時，采用計算機對相對位置、移動速度、加熱功率、加熱時間、冷卻時間、淬火冷卻介質(zhì)壓力及流量等參數(shù)進(jìn)行控制，從而達(dá)到淬火質(zhì)量的有效控制。

從強度的角度，保證足夠的硬化層深度：從圖4的滲碳淬火和感應(yīng)淬火的硬度分布曲線看到，感應(yīng)淬火硬化層深度需要比滲碳淬火更深才能保證過渡區(qū)的安全。

滲碳齒輪的強度與節(jié)能

齒面剝落與硬化層深度直接相關(guān)，而硬化層深度又決定滲碳工藝周期，因此硬化層深度是節(jié)能的關(guān)鍵。

1. 滲碳層深度的確定

（1）常規(guī)的經(jīng)驗確定法 在齒輪的生產(chǎn)中，通常按以下經(jīng)驗公式來確定：

D=（0.15~0.4）m

式中，m為齒輪模數(shù)。齒輪行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T3480.5（ISO6336-5）的有硬化層深度推薦見圖5。

從以上看到，硬化層深度的上限和下限相差很大，相應(yīng)工藝周期的長短相差也就很大。

（2）滲碳硬化層深度的合理性 齒輪接觸疲勞破壞有以下幾種形式（見表5）。

硬化層深度設(shè)計的重點是要保證過渡區(qū)足夠安全而防止深層剝落。但是，從節(jié)能的角度就不宜過分加大安全余度。以下從強度的觀點來分析節(jié)能的可能性。

圖6中曲線A為載荷剪切應(yīng)力，B為原來的硬化層強度分布曲線，ks為原來過渡區(qū)的安全系數(shù)，經(jīng)計算分析，安全系數(shù)為k's亦足，故可調(diào)整強度分布為曲線C，相應(yīng)的硬度分布曲線見圖7，碳濃度梯度分布曲線見圖8。按調(diào)整后的碳濃度梯度滲碳，其工藝周期可比原來縮短20%左右，因此可取得明顯的節(jié)能效果。

圖4 感應(yīng)淬火和滲碳淬火硬度分布曲線

圖5 硬化層深度推薦值

表5 齒面接觸疲勞破壞特征

圖6 應(yīng)力分布曲線

圖7 硬度分布曲線

圖8 碳濃度分布曲線

目前，國內(nèi)外采用的深層滲碳其深度達(dá)6～8mm，有關(guān)力學(xué)依據(jù)至今尚不明確，有待研究，其節(jié)能潛力更大。

2. 有效硬化層深度與滲碳層深度的關(guān)系

滲碳工藝如何經(jīng)濟地達(dá)到要求的有效硬化層深度也有節(jié)能的潛力。有效硬化層深度的界限含碳量與齒輪鋼材的合金成分、淬火冷卻狀況及工件尺寸大小密切相關(guān)，見表6～表8。

舉一個與材料有關(guān)的實例：由于受淬透性的限制，一種齒輪由20CrMnTi 改為20CrMnMo，根據(jù)鋼材的界限含碳量：20CrMnTi為wC=0.42%，20CrMnMo為wC=0.32%。齒輪有效硬化層深度要求1.6mm，按20CrMnTi原工藝在界限點的含碳量應(yīng)達(dá)到wC=0.42%，但對20CrMnMo，界限點的含碳量只需要wC=0.32%即可，因此相應(yīng)將曲線1調(diào)整為曲線2，滲碳時間可節(jié)約20%以上（見圖9）。

3. 硬化層深度與心部硬度的匹配

滲碳齒輪心部硬度與硬化層深度共同影響疲勞剝落。如圖10所示，如果心部硬度很低，如曲線3，與中等硬度曲線2比較，其滲碳周期就有可能增長20%以上。

結(jié)語

節(jié)能是熱處理技術(shù)發(fā)展中的一項意義重大但又艱巨的任務(wù)，誠然，從熱處理工藝和設(shè)備本身去挖掘降低能耗是正確而有效的的方法，但是，從工件強度的角度合理設(shè)計材料熱處理的物理冶金因素，并相應(yīng)實施精密熱處理工藝，這應(yīng)該是另一條節(jié)能的途徑。

表6 界限含碳量與鋼材合金成分的關(guān)系（J9）

表7 不同冷速下的界限含碳量

表8 界限含碳量與工件大小的關(guān)系

圖10 硬化層深度與不同心部硬度相配合

圖9 齒輪有效硬化層碳濃度分布曲線