大型鏈輪感應(yīng)淬火熱處理

向志華，趙紅利，范謙,2，汪利俊，聶羽婕，周茂林，余博文

(1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北十堰 442002;2.十堰天舒感應(yīng)設(shè)備有限公司，湖北十堰 442003)

0 引言

鏈輪是一種新型的動(dòng)力傳輸部件，鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輪齒承受扭矩彎曲的交變載荷，齒面承受強(qiáng)烈的摩擦，因此要求有足夠大的抗拉、抗彎、抗疲勞及耐磨損性能，并兼顧較高的塑性和韌性。感應(yīng)熱處理特點(diǎn)為快速加熱，只對要求耐磨抗疲勞的表面進(jìn)行加熱，心部位置不加熱，然后快速淬火，從而實(shí)現(xiàn)表面高硬度和心部塑韌性的目標(biāo)，由于加熱時(shí)間短，可以大大減少變形[1-2]。本文作者采用感應(yīng)熱處理方式對大型鏈輪齒廓部分表面強(qiáng)化，根據(jù)鏈輪特點(diǎn)設(shè)計(jì)合適的淬火感應(yīng)器及感應(yīng)淬火工藝調(diào)試，并對調(diào)試的零件進(jìn)行檢測分析，確保最佳工藝參數(shù)。

1 鏈輪材料及技術(shù)要求

大型鏈輪材料35Mn鋼，其化學(xué)成分及相關(guān)重要幾何尺寸見表1和表2。

表2 鏈輪相關(guān)重要幾何尺寸

鏈輪的感應(yīng)淬火技術(shù)要求:鏈輪的齒面部位感應(yīng)淬火，要求硬化層深度不小于1.5 mm，硬化層硬度不小于45 HRC。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 感應(yīng)淬火相關(guān)工藝參數(shù)的選擇

影響感應(yīng)淬火質(zhì)量的參數(shù)主要有電流頻率、功率和加熱時(shí)間，淬火冷卻介質(zhì)等,其參數(shù)值見表3。

表3 工藝調(diào)試鏈輪選取的感應(yīng)淬火參數(shù)

選擇電流頻率時(shí)，首先選擇加熱方式，電流透入深度大于淬硬層深度為透入式加熱，其生產(chǎn)率高、表面過熱度小;電流透入深度小于淬硬層深度為傳導(dǎo)式加熱，其效率低且表面過熱度大。根據(jù)生產(chǎn)要求，選擇透入式加熱[3]。不同的硬化層深度和不同的工件直徑需要搭配不同的電流頻率，才能達(dá)到兼顧質(zhì)量的同時(shí)兼顧熱效率[4]。不同硬化層深度所需的電流頻率建議表中，硬化層深度在1.5～2.3 mm之間，且工件直徑大于100 mm時(shí)，選擇10 kHz左右的電流頻率為鏈輪進(jìn)行感應(yīng)加熱。

加熱功率的選擇取決于功率密度值和加熱面積的乘積，碳鋼在不同頻率及功率密度下得到的硬化層深度不同，根據(jù)所選電流頻率和所需要的硬化層深度，選擇電源功率密度1.24 kW/cm2，電源功率為電源功率密度和一次加熱面積的乘積，文中鏈輪的一次加熱面積約為45 cm2，所需功率應(yīng)大于55 kW。

不同的加熱功率和不同的加熱時(shí)間搭配可以達(dá)到相同的硬化層深度[4]。從節(jié)能的角度和控制工件硬化層過渡區(qū)厚度兩個(gè)方面考慮，表面淬火加熱時(shí)間一般為5～20 s，有特殊要求的零件例外。

鏈輪的淬火劑為8%PAG水基淬火劑，PAG淬火劑是由有機(jī)聚合物和腐蝕抑制劑組成的水溶液，它克服了水冷快速、工件易開裂、油冷卻緩慢、淬火效果差等缺點(diǎn)。此外，PAG水基淬火劑在使用過程中不會(huì)釋放有害氣體，不會(huì)燃燒，具有良好的工作環(huán)境。

淬火冷卻時(shí)，在介質(zhì)中冷卻時(shí)間不宜過長，要及時(shí)取出帶溫回火，以消除熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。防止零件淬火后發(fā)生較大變形或開裂。

2.2 感應(yīng)器的形狀及參數(shù)確定

回轉(zhuǎn)感應(yīng)淬火在合適的感應(yīng)加熱條件下可以使齒頂和齒根都得到硬化[5-6]。對于文中所研究的鏈輪，要使齒頂和齒根都獲得高硬度的效果，考慮選擇回轉(zhuǎn)感應(yīng)淬火的方式。根據(jù)鏈輪的形狀和硬化層要求，采用環(huán)形感應(yīng)器一次加熱的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

感應(yīng)器是感應(yīng)淬火終端設(shè)備，通過感應(yīng)加熱原理加熱工件。為滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，感應(yīng)器一般分為有效圈、導(dǎo)電板和極板三部分組成[4]，有效圈和導(dǎo)電板需要具備通循環(huán)冷卻水的管路，以保證在感應(yīng)加熱的過程中感應(yīng)器不會(huì)因?yàn)殡娏骱痛艌龅挠绊懀a(chǎn)生過高的溫度從而產(chǎn)生熔化或其他形式的失效。

制造感應(yīng)器的材料必須有優(yōu)良的導(dǎo)電性。T3銅含有99.70%的銅，具有低電阻率、易于成形、特定的耐腐蝕性和良好的導(dǎo)熱性。感應(yīng)器的有效圈一般采用紫銅管繞制而成，銅管的形狀采用方管或者矩形管，是因?yàn)榫匦喂茉诩訜峁ぜr(shí)可以得到理想的電流分布[6]。

感應(yīng)器有效圈使用的管材厚度應(yīng)該大于1.57d銅(d銅是電流在銅中的透入深度)，如10 kHz電流下的1.57d，銅約為1.1 mm，選擇的管材厚度至少為1.5 mm。

同時(shí)加熱感應(yīng)器的有效圈高度應(yīng)略高于零件厚度，以保證加熱效率和加熱均勻[7]。鏈輪齒根部位厚度29 mm，齒輪形狀復(fù)雜，為了保證加熱均勻并且避免尖角效應(yīng)，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)感應(yīng)器高度為40 mm。

根據(jù)不同頻率和不同工件直徑與有效圈之間的間隙選擇原則，在10 kHz電流下工件直徑大于400 mm時(shí)，加熱間隙應(yīng)為4.0～10.0 mm，并且考慮尖角效應(yīng)和實(shí)際生產(chǎn)情況后，確定有效圈的內(nèi)徑為460 mm。

為保證感應(yīng)器的精度、質(zhì)量以及使用壽命，感應(yīng)器的生產(chǎn)制造應(yīng)遵循一定的工藝要求。感應(yīng)器有效圈一般為彎折成形，并且應(yīng)借助模具以保證精度，有效圈和冷卻水管之間的焊接可以采用乙炔焊，焊條采用純銅材料，以保證焊接強(qiáng)度和密封性。焊接工作完成之后需要對感應(yīng)器進(jìn)行矯正，然后進(jìn)行噴砂處理，去除表面雜質(zhì)。最后檢測感應(yīng)器的氣密性，并對感應(yīng)器進(jìn)行絕緣處理，用聚四氟乙烯板夾在導(dǎo)電板之間，使用聚四氟乙烯緊固螺桿絕緣螺桿緊固。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)制造的感應(yīng)器如圖1所示。

圖1 感應(yīng)器實(shí)物圖片

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

檢查淬火機(jī)床及加熱電源是否可以正常工作；將感應(yīng)器安裝到淬火變壓器輸出端，并確保連接可靠牢固，貼合面平直，并連接冷卻水管，安裝夾具，放好鏈輪，調(diào)整感應(yīng)器與鏈輪之間的間隙和相對的高度位置。

啟動(dòng)設(shè)備，打開冷卻水泵和淬火泵，檢查冷卻水管流量。選擇合適的加熱功率、加熱時(shí)間和鏈輪的移動(dòng)速度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)定的參數(shù)對鏈輪按加熱時(shí)間不同，進(jìn)行感應(yīng)加熱淬火實(shí)驗(yàn)，按照規(guī)定方法對鏈輪進(jìn)行宏觀檢查，記錄淬火的各項(xiàng)參數(shù)。初步檢測合格則做進(jìn)一步檢測。

3 結(jié)果分析

3.1 宏觀形貌檢測

圖2所示為15 s加熱的鏈輪宏觀照片。4個(gè)實(shí)驗(yàn)方案為：加熱5 s，鏈輪淬火后齒廓顏色不均勻，齒根顏色變化不明顯，齒頂處顏色變?yōu)楹谏冶容^均勻；加熱10 s，鏈輪齒頂和齒根均變?yōu)楹谏?，且顏色均勻；加?5 s，鏈輪在淬火后齒廓變色均勻(圖2)；加熱20 s，鏈輪淬火后齒頂處出現(xiàn)小裂紋且有明顯過燒現(xiàn)象。

圖2 15 s加熱的鏈輪宏觀照片

對4種不同時(shí)間加熱的鏈輪齒頂和齒根附近，使用洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果見表4。

表4 鏈輪表面洛氏硬度檢測結(jié)果

由表4洛氏硬度測試表明：1號鏈輪硬度偏低；2號鏈輪齒根處硬度偏低；3號鏈輪和4號鏈輪齒頂和齒根處硬度均大于45 HRC，但是4號鏈輪出現(xiàn)裂紋，不合格；接下來對3號鏈輪進(jìn)行取樣，并做進(jìn)一步檢測。

3.2 金相組織觀察

表面淬火工件一般分為硬化層區(qū)、過渡區(qū)和芯部區(qū)域3部分。金相取樣的部位要能夠清楚地觀察到這3個(gè)部位的剖面，對取樣部位進(jìn)行金相制樣和拋光，4%硝酸酒精溶液腐蝕。

對3號鏈輪試樣宏觀腐蝕形貌及不同區(qū)域的顯微金相組織拍照，如圖3所示。

圖3 3號鏈輪腐蝕形貌及齒根部位金相組織

圖3(a)為宏觀形貌，通過對試樣測量分析，腐蝕后的不同區(qū)域，顏色略有區(qū)別。鏈輪齒頂部位淬硬層形狀良好，顏色呈現(xiàn)均勻的淺灰色，過渡區(qū)的顏色是以暗黑色為主，芯部的顏色不同于硬化層和過渡區(qū)，呈銀灰色。3號鏈輪的齒根處硬化層深度均勻，深度約為2.2 mm。

觀察鏈輪淬火后的試樣顯微組織，3號鏈輪的硬化層部位(圖3(b))，組織為均勻細(xì)密針狀馬氏體，過渡區(qū)(圖3(c))金相組織為馬氏體+托氏體+索氏體+鐵素體等組織共同存在。試樣的芯部組織(圖3(d))是較為細(xì)小的鐵素體和索氏體，分布均勻。

3.3 顯微硬度檢測

鏈輪技術(shù)要求硬化層的硬度大于45 HRC，通過查閱洛氏硬度、維氏硬度對照表得知洛氏硬度45 HRC相當(dāng)于維氏硬度450 HV。鏈輪主要受力部位是齒根和分度圓位置，這兩個(gè)部位的硬度和硬化層深度決定了鏈輪的耐磨性和抗疲勞能力，所以對齒根、分度圓和過渡位置進(jìn)行硬度分布檢測，具體的硬度檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 3號鏈輪硬度分布

由圖4可以看出，鏈輪硬度分布是由表面向芯部逐漸降低，鏈輪的表面硬度均大于450 HV，符合對鏈輪硬化層硬度的要求。3號鏈輪的齒根部位硬化層深度為2.4 mm，過渡位置硬化層深度為3.2 mm，分度圓位置硬化層深度大于3 mm,硬化層深度達(dá)標(biāo)。

鏈輪表面的硬度高具有更好的耐磨性，硬化層的深度合適，確保鏈輪足夠高的彎曲疲勞強(qiáng)度，可承受更大載荷。

綜合上述金相檢測和硬度檢測可以得出，3號鏈輪所采用的感應(yīng)加熱參數(shù)可以得到理想的硬化層深度和硬度。

4 結(jié)論

(1)感應(yīng)器的設(shè)計(jì)要考慮工件的大小及厚度等形狀特點(diǎn)，避免尖角效應(yīng)給形狀復(fù)雜工件帶來的不利影響，文中感應(yīng)器內(nèi)徑為461 mm，有效圈銅管壁厚為2 mm，有效圈高度為40 mm。

(2)當(dāng)確定加熱功率和電流頻率，改變加熱時(shí)間主要影響鏈輪齒根的硬化層深度，加熱時(shí)間長，得到的硬化層較深，但加熱時(shí)間也不宜過長。鏈輪經(jīng)過感應(yīng)淬火后表面硬度有所提升，硬度的變化趨勢都是由表面向芯部逐漸降低。

(3)對于文中的大型鏈輪，較合適的感應(yīng)淬火參數(shù)是：加熱功率60 kW，電流頻率10 kHz，加熱時(shí)間15 s，選擇濃度為8%的PAG水基淬火劑進(jìn)行淬火，質(zhì)量檢測結(jié)果滿足鏈輪的技術(shù)要求。實(shí)際生產(chǎn)中要多次總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整合適的工藝參數(shù)，才能確保生產(chǎn)出合格的硬化層且無裂紋的工件。