主動圓柱齒輪軸感應淬火技術的研究

張翠麗

【摘? 要】本文主要從感應器的設計、淬火介質的選擇與控制、淬火前半成品的設計加工等各方面，論述了主動圓柱齒輪軸的中頻感應淬火技術，通過應用仿形感應器加熱淬火，并采用水溶性淬火液冷卻，彌補了傳統感應器產生的不足，避免了零件表面開裂缺陷，實現了主動圓柱齒輪軸同步感應淬火。

【關鍵詞】圓柱齒輪軸;仿形感應器;感應淬火;開裂因素;控制措施

引言

主動圓柱齒輪軸是用于主動、被動齒輪之間傳遞轉動、扭矩或彎矩，并與之一起回轉的傳動零件，該零件結構和使用方式決定了它應具有表面高強度、高耐磨性，而心部具有良好韌性，且能承受高轉矩的特點。傳統的熱處理強化方法主要采用表面滲碳淬火，但采用普通滲碳淬火工藝可能會產生諸多不足，常見的問題有：同一零件不同部位要求難以保證，零件較粗時心部硬度偏低，滲碳淬火生產周期長、變形大。而目前正在興起的采用中碳鋼調質+感應淬火工藝，不但解決了傳統滲碳淬火過程中存在的難題，而且極大地提高了生產效率。

本文所述齒輪軸采用42CrMoH材料，零件采用三段式外花鍵設計，硬化層區別要求。

零件硬化層要求：桿部：9.0-11mm，花鍵處：5.5-8.5mm，R弧處：≥4mm，軸兩端和中部花鍵局部不要求淬火，詳見下圖：

表面硬度：56-62HRC。

零件制造路線為：鍛造--正火--粗車--調質--精車加工--中頻淬火--磨外圓。42CrMoH材料中加入大量的Mo元素，一方面提高鋼材的淬透性，增加回火穩定性，消除第二類回火脆性;另一方面因材料淬透性的提高，增大了感應淬火開裂傾向。下文主要從感應器設計，工藝方法、冷卻介質的控制、開裂原因和預防措施等方面介紹了主動圓柱齒輪軸的中頻感應淬火技術。

1.仿形感應器的特點和優勢

（1）起初試驗此產品時，采用了掃描式圓圈感應器淬火，結果未能達到圖紙要求，主要存在以下幾方面的問題：

①φ106圓和φ93圓端面始終存在加熱不足的現象，溫度很難達到830℃以上，淬火后此兩處硬度低于56HRC;②R弧硬化層<4mm;③φ93圓、φ70圓、φ56圓處硬化層深不一致;④表面金相組織：針狀和板條狀馬氏體，并有少量的托氏體和鐵素體。

針對上述試驗中出現的問題進行分析，由于該齒輪軸粗細不一致，在同一掃描感應圈加熱時，隨感應器與零件間距的增大，集膚效應和鄰近效應隨之減弱，單位表面積上電流減小，加熱不足，導致局部表面溫度較低、奧氏體化不完全，冷卻后不同部位硬化層不均，表面硬度和金相組織不合格。

（2）針對采用掃描式圓圈感應器淬火出現的問題改進了感應器結構，，采用仿形式感應器加熱，并配套使用水盒兩側噴水，試驗情況得到明顯改善。淬火后零件表面硬度58HRC以上，各處硬化層符合圖紙要求，表面金相組織：針狀和板條狀馬氏體，淬硬層內未出現托氏體等非馬氏體組織。仿形感應器試驗成功的原因在于：

①仿形感應器是完全按照零件的結構和淬硬層區域仿制而成，并具備整體同步加熱、同步淬火的特點，此種結構的優勢在于感應器與零件表面的間距基本一致（2-3mm），實現了同步加熱。

②仿形感應器在設計時充分利用電磁感應、集膚效應、熱傳導等基本原理，通過機械加工、焊接而成。在設計感應器時，針對φ106和φ93外圓端面倒角處設計為角狀，考慮到花鍵、R角，臺階等不易加熱，故在感應器對應位置外加導磁體，使電流集中，有效提高了集膚效應和熱傳導效應，提高了R角和臺階部位溫度，實現了不同部位同步加熱淬火的目的，避免了掃描式圓圈感應器加熱淬火存在的缺陷。另外，仿形感應器與掃描式感應器相比，除淬后火零件的質量穩定外，生產效率也較后者提高不少。

2.中頻淬火工藝

（1）應用設備：使用立式數控淬火機床+可控硅中頻電源。主要參數：額定功率160kw，輸出頻率：4000HZ，輸出電流400A。仿形感應器。

（2）工藝參數。實際功率：130kw，直流電壓：425V，直流電流：305A，中頻電壓：475V，中頻頻率：4200HZ;主軸轉速：240r/min，冷卻介質：水溶性淬火液（今禹8-60），按8%-10%配比。

加熱時間：長端為28S，短端為21S;噴液冷卻時間：長端40-43S，短端30-33S。

回火溫度/時間：150×3小時。

（3）檢測結果：花鍵處表面硬度：58.0-59.5HRC，桿部：56.5-57HRC;各處硬化層均符合圖紙要求。

金相組織：針狀+板條狀馬氏體，未發現明顯的非馬組織，在表層下7mm左右開始出現少量游離狀鐵素體，符合感應淬火金相標準。

3.影響零件開裂的因素和控制措施

（1）開裂因素分析。該零件設計用材料為42CrMoH，要求表面硬度56-62HRC，起初試驗階段，基于從提高表面耐磨性和強度的方向考慮，采用噴水冷卻，淬火后表面硬度達到60HRC，R圓弧達到58HRC，硬化層和金相組織亦符合要求，但出現了表層花鍵端部開裂的現象，開裂比例約30%。裂紋延伸方向大多為圓周方向，多出現在倒角處，開裂原因主要是零件的尖角效應和淬火組織應力、熱應力的綜合體現。

經分析，從齒輪軸淬火前結構考慮，如果將花鍵倒角處設計加工為大R弧，同時通過控制水溫和噴水時間，應該能避免裂紋出現，但由于淬火后硬度較高，R弧加工難度較大，且對花鍵會產生不利影響。另外，如外界氣溫較低時，水溫不易控制，淬火零件仍存在開裂的隱患，最終否定采用噴水冷卻的方法，轉變思路，考慮使用水基淬火液進行冷卻。根據材料性能和該產品的技術要求選用了水溶性淬火液--今禹8-60型。經試驗按8%-10%的比例配比最為理想，未出現裂紋，且試驗結果得到明顯的改善。

（2）防止裂紋的控制措施：①采用水溶性淬火液，合理控制淬火液的濃度和冷卻時間。

②改進感應器，針對R圓角和φ106和φ93外圓端面處，在仿形感應器對應位置處增加導磁體，提高了倒角、圓臺處的奧氏體化溫度，彌補了因冷速降低而造成的表面硬度下降。

③嚴格控制淬火、回火時間間隔，回火充分，規定一小時內回火。

④合理控制淬火前零件的加工過程，嚴禁出現倒角尖銳、過度圓臺倒角太小、花鍵鍵槽毛刺較大、花鍵撕裂等加工缺陷。

4.總結

采用仿形感應器中頻感應淬火，不但能夠避免齒輪軸表層硬度低和硬化層不均勻現象，而且滿足了齒輪軸R圓角、臺階部位的淬硬層要求，實現了同步加熱。主要有以下優勢：

（1）由于零件與感應器均處于固定狀態，克服了傳統掃描式感應器加熱時因移動而產生質量不穩定的情況。

（2）感應器加熱部位與冷卻套獨立設置，不易損壞，維護成本低，生產效率高。

（3）通過合理控制水溶性淬火液的濃度和噴冷時間、淬火前加工的精度和倒角、以及回火的及時性，避免了零件的淬火開裂和后期早期失效的危險，提高了表面強度和轉矩性能。

參考文獻

[1]中國工程機械學會熱處理學會編. 4版.熱處理手冊.第一卷，工藝基礎-----北京：機械工業出版社，2008.1