齒圈高頻淬火硬度、層深的影響因素分析

楊輝+劉亞輝+祁偉+李進萍

摘 要：簡要分析了材料、壓力、介質溫度、感應器結構和工藝參數等對齒圈的影響，闡述了齒圈熱處理過程中出現的問題，并采取合理、有效的方法解決它，以提高零件加工的合格率。

關鍵詞：齒圈；感應器；淬火；溫度

中圖分類號：TG156.3 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.122

文章編號：2095-6835（2016）11-0122-02

飛輪齒圈是經過加熱后鑲在飛輪外緣上的，它冷卻之后會緊固在飛輪外緣上，并與起動機齒輪嚙合，以帶動曲軸旋轉，啟動發動機。

近期，某公司齒圈熱處理工序出現部分齒圈按照工藝參數進行淬火后硬度、淬硬層深偏低的情況，嚴重影響了齒圈的制造質量。鑒于此，專門成立了專項工作組查證、分析、解決這類質量問題。

齒圈技術要求，材料為45#，硬度為HRC48-56，齒根處淬硬深度為0.5～2.0 mm。

1 影響淬火的因素分析

1.1 毛坯材料

檢測齒圈毛坯的成分后，結果顯示，齒圈成分合格。但是，在抽檢過程中發現，齒圈毛坯的基體組織為鍛造態齒圈，這嚴重違反了圖紙的設計要求，即正火態HB170-210，所以，要求廠家立即修改。正火的目的是使晶粒細化，使碳化物分布均勻，去除材料的內應力，穩定工件的尺寸，防止變形與開裂。另外，還要采取感應加熱方法進行表面淬火前的預備處理，使淬火后的層深無法深入。

1.2 感應器噴水壓力

相關工藝要求感應器噴水壓力為0.2 MPa，但是，其實際壓力最低為0.05 MPa，噴水壓力不足。這樣，熱量瞬時就會被帶走，從而降低冷卻速率，影響組織轉變，導致齒圈淬硬層深度不夠。出現這種情況的主要原因是：①冷卻水管路堵塞，再加上水泵電機長期使用，功率損耗增大。當壓力調節閥開至最大時，壓力表顯示0.18 MPa，噴水時，壓力表顯示0.05 MPa。②因為當地水質比較硬，所以，長時間使用感應器，其噴水孔會結垢，導致部分噴水孔水量減少，嚴重時還會堵塞。③現場出現了3種結構不一致的感應器，噴水孔排列方式、數量都不一樣。

鑒于此，可采取以下措施：①檢修水泵電機，清理、沖洗管路內壁，保證其流量；②定期使用草酸液浸泡感應器，為其除垢，并疏通噴水孔；③確認感應器結構的唯一性和有效性，規定使用交叉5孔感應器，不得隨意更換。

1.3 淬火介質溫度

淬火介質冷卻水的溫度變化比較大，齒圈淬火設備使用的冷卻水沒有外部冷卻裝置，依靠儲水箱自行降溫。11月份，從齒圈淬火開始加工，水箱內的水溫接近室溫，為8～10 ℃；加工100件后，水溫升至20 ℃；繼續加工，最終水溫為33～35 ℃。8月份，從齒圈淬火開始加工，水箱內的水溫接近室溫，為30～35 ℃；加工100件后，水溫升至40 ℃；繼續加工，最終水溫為45～50 ℃。冷卻水溫下降速度緩慢，如果換熱不及時，水溫會逐漸升高，導致齒圈的整體硬度偏低。

1.4 調整感應器

夾具不正，齒圈與感應器存在偏心或高低不平的情況，導致齒圈裝夾定位后，存在局部間隙較大、加熱速率慢、噴水距離遠的問題，最終影響齒圈的整體硬度和層深。鑒于此，要更換新感應器，避免因為舊感應器使用時間過長而增加功率損耗，降低齒圈的加熱溫度和加熱深度。同時，要調整感應器與夾具的同心度，消除夾具與感應器之間存在的偏心量，優化齒圈邊緣與感應器的間隙，使其更加均勻。齒尖距離感應器內表面尺寸為（4.9±0.5）mm。

在這項工作中，可以利用打表測量夾具的平面度，采取臨時加墊銅皮（長久措施堆焊、打磨）的方式，使齒圈厚度與感應器之間的對中性更加均勻，防止齒圈端面凸出感應器平面。調整感應器后，齒圈兩端面距離其平面（2.5±0.5）mm。

1.5 調整工藝參數

經過一系列的調整，相關工藝參數為：①在工藝規定范圍內，將感應電源功率由428～432 kW調至440～445 kW，測得齒圈硬度無明顯變化。②調整加熱時間和冷卻時間，由加熱24 s、噴水9 s提升至加熱25 s、噴水13 s，測得齒圈硬度高點提升約3HRC。③在相同的工藝參數下，測得不同廠家的毛坯齒圈的硬度和寬度區間基本一致，低點為41.5～42.5 HRC，高點為53～55 HRC。由此可以判斷，A廠家齒圈低于48 HRC點偏多，占60%，B廠家和C廠家齒圈低于48 HRC點的占30%.④在相同參數、相同毛坯的情況下，水溫越低，硬度、寬度范圍越窄，硬度值整體偏高。⑤在相同參數、毛坯、水溫情況下，堆放冷卻和單獨冷卻對齒圈硬度的影響甚微。

1.6 淬火加熱溫度

由檢測結果和顯微鏡下觀察的切割樣塊兒（圖1）可知，齒圈齒內含有游離鐵素體，未完全轉化為馬氏體。這是淬火加熱溫度不足所致，所以，要采取相應的措施延長加熱時間。第一次加熱，時間由24 s延長至27 s，使用紅外測溫儀測得齒圈的表面溫度約為630 ℃，切割檢測結果為齒根無層深，鐵素體依然存在。第二次加熱，時間由27 s延長至30 s，使用紅外測溫儀測得齒圈的表面溫度約為670 ℃，結果依然是齒頂有鐵素體，齒根馬氏體較少?？紤]到繼續加熱會導致齒圈嚴重變形，因此，無法繼續調整工藝參數。

2 改進措施

鑒于上述情況，可采取以下措施：①加強對毛坯熱處理過程的控制，禁止鍛態毛坯混入合格品中；②改造齒圈儲水箱，在其外部增加換熱器，以加快水溫的冷卻速度；③改造水泵和管路系統，更換更大型號的水泵電機和與之匹配的管路，以提升噴水壓力；④調整感應器夾具，并定期測量、檢測，發現夾具偏心或高低不平時，要及時調整；⑤調整工藝參數，將加熱時間由24 s調至25 s，噴水間隙由0.5 s調至0.8 s，冷卻時間由9 s調至11 s，并根據外部環境的變化和毛坯材料一致性控制的不同隨時調整工藝參數。

3 結論

齒圈高頻淬火不合格主要是感應器與夾具不對正導致的。感應器結構改變，導致加熱溫度不夠，冷卻速度減慢。本文全面分析了齒圈淬火超差的原因，為解決這類質量問題提出了一種解決思路。這樣，有利于后續改進工作的順利進行，而且還能防止同類情況再次發生，避免造成更大的損失。

參考文獻

[1]胡光立，謝希文.鋼的熱處理原理和工藝[M].西安：西北工業大學出版社，2008.

〔編輯：白潔〕