齿轮的感应淬火

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1、 2006 2 （总第 190 期） 齿轮的感应淬火（1 ） 渗碳齿轮硬化层深度对其接触与弯曲 疲劳强度的影响（ 5） 了解怎样磨削锥齿轮 （16） ASTM A 304-04 保证淬透性碳钢及合 金钢棒材试验标准规范( 二) （ 21） 齿 轮 资 料 郑州机械研究所齿轮资料编辑部 地址：河南省郑州市嵩山南路 81 号 邮编：450052 电话（传真）：0371-67710820 本期责任编委：张元国 本期责任编辑：王 琦 齿轮的感应淬火 Daniel J.Williams（美） 当您购买了感应淬火设备以后，它就作为生产线的一部分，应该稳定运行。那么，如何才能保证您的感应淬火设备一日三班、一

2、周七日地稳定运行呢？ 设备预防性维护应该由制造厂商每年定期进行，这是确保产品质量，以及设备良好状态的最好方式，设备维护程序应该日常进行，其内容包括： 1、通过实物解剖、酸液腐蚀，检查感应淬火后的齿轮截面，每周检查一次硬化层分布和表面硬度，同时制备、镶嵌试样，作显微组织检查。如果淬火工件有开裂倾向，应该进行磁粉探伤，直至找出裂纹产生的原因，并彻底消除；如果开裂的危险依然存在，就应该进行100%的无损涡流检测，对存在裂纹的工件自动分拣出来。这些检测既是为了保证产品质量，也是为了确定设备是否正常运行。另外还应对机床导轨和导轴进行检测，以确保其运动精度。 2、检查机床电源系统的各种仪表，以保证按设定值

3、运行。 3、检查淬火液添加剂（浓度）是否满足要求。水基淬火液生产商应该提供使用方面的咨询服务。淬火液与各种可能混入的液体要有兼容性。 4、检查淬火液温度。如果液温太低，淬火件开裂倾向加大；而如果液温太高，则难以达到硬度要求。 5、确保加热功率（千瓦秒）与设定值吻合。 6、检查淬火液过滤器，必要时进行清理和更换。如果发生过滤器阻塞，淬火液流动不畅，就会导致不当的硬化结果。对于新装设备，应该注意观察过滤器前后的压力表；而老式设备则需人工开启，肉眼观测。 7、观察机床旋转若干周次，确保工件转动正常。 8、检查感应圈与汇流排是否联接良好。有时发生电火花现象，经服务人员现场检查，发现是由于接触不良所致。

4、 9、确保变压器绝缘良好。 10、检查淬火液喷孔是否堵塞，必要时进行清理。不幸的是感应圈常常起到过滤器的作用，所以容易积存残渣、氧化皮等，导致流动不畅，降低冷却能力，降低淬火效果。 Inductoheat 的齿轮感应淬火 - 1 - 11、确保感应圈与淬火件相对位置适当，使二者同心度满足要求。 每六个月要排空、清理淬火槽一次，然后更换新介质，并清理或更换所有的过滤器。要确定淬火液喷孔无堵塞现象，检查喷孔周围的感应圈是否有裂痕。 检查确认电源系统内部接线无松动现象。 1 机床改造，处理多种齿轮 首先考虑，是否能用现有的感应淬火机床处理另外的齿轮。比如，感应淬火机床已经成功地处理了 123#齿轮，

5、而公司又刚刚接到 789#齿轮加工的大订单，该齿轮要求进行感应淬火。此时不要匆忙地决定购买新设备，也许改造一下现有机床即可。应该考虑以下因素： 链轮是最适应感应淬火的工件之一 能力（容量）：现有感应淬火机床是否有足够空间。如果有，考虑适当改造；如果没有，也许只能购置一台新设备了。 1200电源频率：工件图纸上会注明789#齿轮的硬化层深度要求，能否达到要求，电源频率至关重要。频率太低，会导致齿顶部位欠热；而频率太高，有可能在齿根部位未被完全加热的情况下齿顶出现过热（如图 1 所示） 。 10008006004002000如果现有设备的频率不太匹配，可以考虑增加 25 50%的“通电时间”来满足

6、要求。而如果频率相差太多，就要考虑另购一套电源系统了。 功率：功率计算主要考虑五个因素：工件的原始金相组织、材料、成分、硬化层深度、模数以及要求硬化的表面积。再按三种不同的金相组织（退火态、正火态以及调质态）试淬来选择合适的功率值，如果所要求的功率等于或低于现有功率，则继续使用。否则要考虑购买更大功率的新电源系统。 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 图 1 选择合适的频率使工件均衡加热。也可能用一新的电源系统安装于现有场地 表 1 电源功率与频率 能力与要求 对策 现有频率高于或等于对电源要求 使用现有电源 频率现有频率太低 购置新电源系统频率功率 现有功率大于或等于对电源要

7、求 使用现有电源 功率 现有功率太低 购置新电源系统- 2 - 工件尺寸： 789#齿轮是否在现有机床空间允许范围，该齿轮（或任何齿轮）不能超过机床的中心距限制（本实例中约为 10 英寸）。 淬火机床具有单轴和双轴结构，当 789#齿轮直径超过双轴机床的 10限制时，简单的办法就是只使用其中一轴而加大空间，换句话说，将双轴机床改造为单轴机床。如果 789#齿轮没有超越 10的最大值，应该仍然在双轴状态下运行。 夹具：如果前面的核查表明产品可在现有机床上处理，即空间足够，频率、功率可行，下一步就要考虑机床夹具，其中比较重要的是，定位夹具最好在感应器设计制做的公司订购。合适的定位夹具对于减小或消除

8、工件变形非常重要。 定位夹具属于易损件，与工件频繁接触，通过其基准面，变化范围可限制在热处理规范允许值的 1/10 之内。对于立式机床，水平位置与高度值都要设定。齿轮与感应圈的同心度也要校正。 夹具最好由有色金属制造，以防止腐蚀或由于感应器磁场引起偶然过热。如果感应圈与定位夹具的间隙足够，也可用低碳钢制做，表面镀铬或镀镍可使低碳钢承受淬火剂的腐蚀。 感应器：感应圈都是量身定做，因此， 789#齿轮（其它大多数工件都一样）要制做新感应圈。感应圈结构一般要保证在给定频率下间隙不超过加热深度的 1.5 倍，淬火剂喷孔的面积总和相当于线圈加热面的 5 10%，在重新购买电源系统，甚至淬火机床时，最好由

9、该设备制造商提供配套的定位夹具与感应圈。另外还要进行先期工艺试验，以确保工件金相组织合乎要求。许多情况下，淬火件达不到预期效果，因此，需要对工件材料、热处理规范，甚至工件结构进行改进，同时还要对定位夹具、感应器以及工艺参数经过优化才能获得理想的金相组织。 保证碳元素充分溶解时的感应加热时间 （能量密度：45kw g/m2） 粉末冶金 球墨铸铁 钢 高铬合金钢 灰口铸铁 时间，s 图 2 “一发法”感应淬火的典型加热时间范围为 220s（扫描加热时加热速度为 0.252.0/s） 设备制造商的试验部门应当提供指导，即在现有电源功率和频率范围内能否获得理想的结果。例如，您现有 30KHz 电源，而

10、设备制造商试验室却在 200KHz 条件下试验制定齿轮感应淬火工艺，这不能说明问题，除非他们证明，30KHz 无法实现此工艺。 淬火槽：有时需要配备专用淬火槽以方便局部淬火。 最后，当得到理想的冶金质量结果后，供应商要提供试验室报告，来确保在现有设备上- 3 - - 4 -成功运行，供应商要提供关于夹具、仪表等方面的操作规程，包括感应圈、淬火液喷管、定位夹具，以及现有设备装配新夹具、执行新工艺所需要改造的必要方案。此时，最好考虑更换一套具有可变频感应加热的电源系统，以使现有淬火机床更具灵活性。售后服务人员还应帮助用户制订齿轮淬火工艺的初始设定及调整规范。 市场竞争迫使企业必须考虑在现有或较少的

11、设备上，在没有或较少的投资情况下生产出同类或多种类的齿轮。 在进行生产设备投资前，应该仔细分析现有设备的能力和适用性。 附：定位夹具和感应器采购注意事项： 对于经验丰富的工程技术人员开发新工件配套的定位夹具并非难事，但最好还是由淬火设备厂商来设计、制做。定位夹具对于能否确定工件与感应器相对位置，以及感应淬火质量至关重要。 定位夹具对于变形也有影响，设计时应考虑到如何才能减小齿轮变形（锥度和径跳）。设计恰当会防止变形，而设计不当会加大变形。定位夹具必须经过确认，不使工件产生严重变形。 选择合适的感应器材料也是重要的设计内容，该材料必须能够： a）承受磁场环境； b）承受淬火剂的反复冲刷； c）自

12、净能力。 除非齿轮已经投入生产，而且感应器结构也很适用，否则，金相试验室要进行检验，确认工艺的有效性。 感应器结构难以预测，由设备制造商按设计制造开发（ DBD）程序，由专职冶金师在现场试验室完成，以提供适用的感应器（圈）。感应器要反复试验以不断完善（如间隙和尺寸）。 有时要求在对齿轮内孔加热的同时，外圆要进行冷却，这就要通过工艺试验来确定是否装备专用淬火槽。 同样，导磁体只能通过试制后定型。 本文译自GEAR TECHNOLOGY MARCH/APRIL 2005 翻译：牛万斌 校对：陈国民 渗碳齿轮硬化层深度对其接触与弯曲疲劳强度的影响 Thomas Tobie, Peter Oster

13、& Bernd-Robert Hhn 引言 术语 现代齿轮制造业中，传动齿轮几乎都采用渗碳淬火，尤其是在要求高载荷下不发生破坏的场合，表面渗碳更是十分理想的工艺，不过同时也要求具有高水平的技术与经验。 Eht 至 550HV1 维氏硬度处深度 EhtFopt 最大弯曲强度时最佳层深 EhtHopt最大接触强度时最佳层深 Ft 名义切向载荷 SF 安全系数弯曲 齿轮经渗碳淬火，以提高表面硬度，改善耐磨性，获得较高的接触与弯曲疲劳强度，其表层硬度分布状态一般是由表面硬度、硬化层深度（ Eht）和心部硬度几个参数来描述，并通常被用来估计硬化度分布。其中表面硬度和心部硬度都限制在比较窄的范围，而硬化层

14、深度却变的很宽。因此渗层深度就成渗碳层硬度（强度）分布的决定影响因素。 SH安全系数接触 YEht层深系数弯曲强度 Y 影响因子弯曲按 DIN 3990 标准 ZEht层深系数接触强度 Z 影响因子接触按 DIN 3990 标准 a 中心距 mn 法向模数 z 齿数 c 节点处齿面曲率半径 弯曲应力 渗层深度影响表面点蚀和齿根断裂的失效形式。齿面承载能力是与赫兹接触应力有关，决定于外加载荷的平方根和齿面当量曲率半径的倒数。而齿根强度则与弯曲应力有关，直接受外加载荷和齿轮模数的影响。 F Flim许用弯曲应力 H接触应力 Hlim许用接触应力 * 其余符号按 DIN 3990/ISO 6336（

15、文献 4 和 9）齿 面 齿 根 接触应力和弯曲应力的不同性质，就形成了对齿面和齿根部位强度分布的不同要求，因而在确定硬化层深度时就要兼顾两者，如图 1所示。 由硬度决定的强度 由硬度决定的强度 接触应力 弯曲应力 齿根应力 深度 深度 接触应力 由于渗层深度对渗碳齿轮的成本影响很大，所以就需要经验确定的简易计算公式来评估渗层深度的图 1 齿根齿面受力的基本原理 - 5 - 影响，以保证齿轮既有足够的齿面接触强度，又有足够的齿根弯曲强度。 因此，参考文献 14 研究了渗碳齿轮的接触强度与弯曲强度。试验项目中包括了多种齿轮尺寸和结构，以找出渗层深度影响齿轮承载能力的基本原理，另外，渗层深度也影响硬化层内残余应力及其它硬化层特征。 图 2 试验齿轮类型 表1 试验方案：渗层深度对接触及弯曲强度的影响 1 试验程序和试验齿轮 1 2 3 4 5 试验序号渗层深度,mm （图纸要求） EhtA 0.3 试验齿轮有几种尺寸和结构类型，如图 2 所示。 0.6 0.9 1.4 2.0 EhtB/B10.2* 0.4 0.7*1.1 1.6*EhtB2对于每种类型的齿轮，又分为不同渗层深度的几个系列，表 1 列出了完整的试验方案。 0.2*- 0.7*- 1.6*EhtC