頻率因素在預防齒圈中頻感應(yīng)淬火開裂的作用

黃星，陳亮，張京，陳金龍

中車戚墅堰機車車輛工藝研究有限公司 江蘇常州 213011

1 序言

風電作為應(yīng)用最廣泛和發(fā)展最快的新能源發(fā)電技術(shù)，已在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。2019年，全國風電新增并網(wǎng)裝機2574萬kW，風電裝機占全部發(fā)電裝機的10.4%，風電發(fā)電量4057億kW·h，首次突破4000億kW·h，占全部發(fā)電量的5.5%，風電已成為部分國家新增電力供應(yīng)的重要組成部分。隨著全球發(fā)展可再生能源的共識不斷增強，風電在未來能源電力系統(tǒng)中將發(fā)揮更加重要的作用。

增速齒輪箱作為風力發(fā)電裝置中的一個重要部件，其內(nèi)齒圈是齒輪箱行星級傳動機構(gòu)的重要零件。為了保證長壽命設(shè)計的使用要求，針對內(nèi)齒圈的生產(chǎn)制造工藝，目前大功率風電增速箱已基本不再使用以單純調(diào)質(zhì)作為最終熱處理，齒圈的表面強化工藝主要采用中頻感應(yīng)淬火、滲氮，也有少數(shù)廠家使用滲碳淬火工藝作為表面強化的手段。其中，中頻感應(yīng)淬火具有周期短、效率高、無脫碳、變形小、生產(chǎn)成本低，以及容易實現(xiàn)自動化作業(yè)的特點[1]。尤其是對于更高功率的增速箱，齒圈模數(shù)在16以上，由于滲氮工藝的滲氮層深偏淺，因此滲氮工藝顯得不再合適，而滲碳對于更大模數(shù)的齒圈則意味著更大的熱處理變形，以及更大的輪齒磨削量[2]。對于大模數(shù)齒圈的表面強化而言，中頻感應(yīng)淬火相對于滲氮和滲碳淬火技術(shù)有更大的優(yōu)勢。但是，感應(yīng)淬火也有自身的技術(shù)缺陷，主要是感應(yīng)熱處理存在熱影響區(qū)和容易產(chǎn)生淬火開裂的問題。熱影響區(qū)的問題主要靠材料的淬透性、淬火冷卻介質(zhì)加以改善，淬火裂紋則需要進行一系列的參數(shù)組合優(yōu)化來解決。影響感應(yīng)淬火有眾多因素，整體來說，工藝參數(shù)分為熱參數(shù)（包括加熱溫度、加熱時間、加熱速度）和電參數(shù)（包括頻率、表面功率、電流）。本文通過工藝參數(shù)組合試驗，闡述頻率因素在預防齒圈中頻感應(yīng)淬火開裂中的作用。

2 試驗材料及方法

2.1 產(chǎn)品材料及關(guān)鍵參數(shù)

某型風電齒圈材料為42CrMo4鋼，模數(shù)17，齒數(shù)96，螺旋角8°，感應(yīng)淬火層深3.2~4.2mm，采用單齒感應(yīng)淬火，經(jīng)過感應(yīng)淬火解剖后，檢測節(jié)圓部位淬火層深為3.4mm，表面硬度為56HRC。生產(chǎn)工藝路線為：輾環(huán)鍛造→粗車→調(diào)質(zhì)→銑齒→感應(yīng)淬火→精加工→磨齒。感應(yīng)淬火工藝參數(shù)見表1。

表1 感應(yīng)淬火參數(shù)

由于淬硬層較深，在感應(yīng)淬火后容易產(chǎn)生裂紋（見圖1箭頭處），且裂紋分布在齒頂處。從裂紋的形貌可看出，開口較大，無法在后續(xù)加工中去除，只能報廢處理，帶來了很大的經(jīng)濟損失。為了解決該問題，同時考慮到淬硬層深符合技術(shù)要求，因此對感應(yīng)器沒有重新設(shè)計，僅對電參數(shù)進行了組合優(yōu)化試驗。

2.2 試驗方法

（1）重新測定淬火機床精度 由于淬火機床的精度可能影響感應(yīng)器和齒圈齒面的間隙，淬火機床的精度如果不能保證，會直接造成有的區(qū)域感應(yīng)器和齒圈的間隙過小，從而導致感應(yīng)淬火的加熱溫度過高，淬火應(yīng)力過大，最終造成淬火裂紋。經(jīng)過對超過全齒高范圍內(nèi)的淬火機床垂直度、圓度、平面度進行了檢測，結(jié)果表明，淬火機床垂直度在0.09mm、圓度在0.12mm、平面度在0.06mm，對淬火機床的精度而言，其精度在可控范圍內(nèi)，因此不是造成齒頂裂紋的原因。

（2）排查原材料及鍛造過程 對生產(chǎn)原材料的鋼廠冶煉方式以及進廠的復驗報告進行排查，從化學成分、夾雜物等級、鍛造工藝方面等可能對產(chǎn)生淬火裂紋的影響因素進行分析，均未發(fā)現(xiàn)異常情況。

（3）感應(yīng)淬火工藝試驗 由于淬火機床精度、原材料、鍛造均未發(fā)現(xiàn)異常，因此從感應(yīng)淬火參數(shù)方面進行優(yōu)化更具有可行性。對感應(yīng)淬火參數(shù)而言，主要有熱參數(shù)和電參數(shù)，影響加熱的因素有加熱功率、掃描移動速度和感應(yīng)器與齒圈的間隙；而電參數(shù)則是通過合理的調(diào)整頻率、電流、電壓來獲得希望的淬硬層深和硬度值。

要避免淬火開裂，必須對感應(yīng)淬火的參數(shù)進行調(diào)整，降低可能產(chǎn)生裂紋的傾向。很明顯，功率、移動速度、間隙、頻率等都可以對感應(yīng)淬火的淬硬層深、硬度、開裂造成一定影響。為了驗證各個工藝參數(shù)的影響，我們進行了以下工藝參數(shù)調(diào)整的優(yōu)化試驗，具體調(diào)整方案的參數(shù)對比見表2。試驗的齒數(shù)為50個齒，感應(yīng)淬火后進行了190℃×5h回火。

表2 試驗感應(yīng)淬火參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗結(jié)果

感應(yīng)淬火、回火后，經(jīng)過解剖檢測、磁粉檢測的結(jié)果對比見表3。

表3 試驗感應(yīng)淬火檢測結(jié)果

為了驗證降低頻率方案的可靠性，對5個齒圈（每個齒圈96個齒）進行了淬火工藝試驗，并進行了190℃×5h回火，冷卻后經(jīng)過磁粉檢測，齒頂、齒面均無裂紋。在試驗完5個齒圈后，進行了20個齒圈的感應(yīng)淬火，對每件齒圈都在淬火、回火后進行了磁粉檢測，證明了通過降低頻率且保持其他工藝參數(shù)不變的情況下，可以解決齒圈齒頂開裂問題。

3.2 結(jié)果討論

1）從檢測結(jié)果來看，降低功率同樣會使淬硬層深降低，這是因為降低功率會直接降低淬火溫度，而淬火溫度的下降，會影響到齒圈的淬硬深度，使淬硬層深不符合技術(shù)要求，同時產(chǎn)生齒頂裂紋，因此降低功率方案不可行。

2）感應(yīng)器和齒圈間隙的關(guān)系是：間隙大，層深淺，硬度低，淬火開裂的傾向低；反之，則容易開裂。為了減少開裂風險，可以增加感應(yīng)器和齒面的間隙，但從檢測結(jié)果來看，節(jié)圓的淬硬層深更淺了，雖然無裂紋，但不符合技術(shù)要求。

3）增加淬火機床的移動速度，相當于降低淬火溫度，可以降低開裂傾向，但加快移動速度，理論上會使淬火溫度下降，淬硬層深下降。從試驗結(jié)果來看，淬硬層深下降不多，在技術(shù)要求的下限，工藝的可靠性不夠。另外，在磁粉檢測后，仍然存在開放性的淬火裂紋，因此增加淬火機床移動速度的方案也不可取。

4）降低淬火頻率，由9.6k H z降到8.0k H z，從檢測結(jié)果看，淬硬層深由原先的3.4m m增加到3.6mm，且齒圈表面沒有裂紋產(chǎn)生。從試驗結(jié)果來看，該技術(shù)方案可行，在隨后經(jīng)5個齒圈小批量試生產(chǎn)、20個齒圈中批量試生產(chǎn)中也得到了驗證，該方案確實可行，既增加了感應(yīng)淬火淬硬層深，同時又避免了齒圈裂紋的產(chǎn)生。

眾所周知，感應(yīng)淬火是利用交流電流通過感應(yīng)器，在感應(yīng)器和零件之間產(chǎn)生感應(yīng)電流并形成封閉回路即形成渦流。渦流有四種特性，分別是集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、環(huán)流效應(yīng)及尖角效應(yīng)[1]。根據(jù)集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，電流的頻率越高，集膚效應(yīng)越顯著，也就是感應(yīng)淬火的淬硬層深越小，熱量會集中在齒輪表面，同時集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)會在感應(yīng)加熱過程中產(chǎn)生疊加效應(yīng)，會使感應(yīng)加熱的熱量集中在工件表面。當熱量過于集中在表面時，工件表面的溫度要比心部高，由于表面的冷卻效果比心部更好，因此感應(yīng)淬火中在表面易產(chǎn)生裂紋，尤其是在倒角、齒根過渡圓弧處，或存在齒面銑刀痕、銑齒多肉等情況，對感應(yīng)淬火產(chǎn)生裂紋有很強的敏感性。因此，為了降低集中在表面的熱量，降低電流頻率是一個較好的選項。但是，如何找到合適的頻率，是值得探討的。如果頻率過高，則容易產(chǎn)生嚴重的集膚效應(yīng)，熱量集中于工件表面，容易產(chǎn)生裂紋；如果頻率過低，則會影響到表面的硬度。

確定一個合適的頻率，一般可以按照下式進行計算：

式中Δ熱——電流的熱透深度（mm)；

f——電流頻率（Hz)。

但是，按照該經(jīng)驗公式計算出的是熱透深度，而熱透深度和感應(yīng)淬火淬硬層深的關(guān)系，需要結(jié)合材料的淬透性、感應(yīng)淬火機床的淬火冷卻介質(zhì)的冷卻特性來確定。一般的經(jīng)驗是，淬硬層深介于透熱深度的 0.25~0.6mm之間比較好，按照工藝層深滿足最低層深3.2mm計算，頻率按照0.25透熱系數(shù)計算時，對應(yīng)的頻率是12.8kHz，按照0.6透熱系數(shù)計算時，對應(yīng)的頻率是5.3kHz。但頻率按照這個范圍的選擇比較寬，因此需要結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗并進行工藝的試驗驗證。本次工藝試驗是在原有頻率9.6kHz的基礎(chǔ)上降到8.0kHz，如果進行過大的修正，容易出現(xiàn)表面硬度不夠的情況，則試驗會產(chǎn)生失敗的風險。在進行工藝參數(shù)的組合優(yōu)化時，除了理論上的計算，同時還需要結(jié)合以往的工藝數(shù)據(jù)，進行工藝參數(shù)的調(diào)整，并且要盡量有針對性地進行單一參數(shù)的調(diào)整。如果一次試驗，進行了兩個以上參數(shù)調(diào)整，一旦工藝試驗結(jié)果不符合要求，容易導致分析的誤判，尤其是大型齒圈需要經(jīng)過感應(yīng)器設(shè)計、制作、試驗、線切割、試樣制樣及檢測環(huán)節(jié)，工序眾多，往往試驗周期需要10天左右，試驗的成本巨大。因此，理論計算、理論分析要與實際積累的經(jīng)驗相結(jié)合，以確保試驗成功的概率。

綜上所述，對于感應(yīng)淬火出現(xiàn)表面裂紋的情況，影響的因素主要有功率、間隙、頻率及淬火冷卻介質(zhì)等，在其他指標如淬硬層深、表面硬度符合技術(shù)條件的情況下，可以優(yōu)先考慮降低電流頻率，這樣對表面硬度、淬硬層深的影響較小，可以有效地減小感應(yīng)淬火中固有的集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、環(huán)流效應(yīng)及尖角效應(yīng)產(chǎn)生裂紋的可能性。

4 結(jié)束語

齒圈感應(yīng)淬火的熱處理指標由多重因素制約和影響，如果出現(xiàn)感應(yīng)淬火開裂現(xiàn)象，需要綜合分析和判定。感應(yīng)淬火工藝參數(shù)中的功率、頻率、間隙、速度對裂紋的產(chǎn)生均有一定影響，但單純從減少淬火開裂而言，在集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、環(huán)流效應(yīng)及尖角效應(yīng)的固有特性影響下，頻率因素對減少淬火裂紋有更明顯的作用。