熱處理技術之: 齒圈感應加熱淬火工藝控制要點和注意事項

化學熱處理和感應熱處理是鋼鐵零件表面熱處理強化的兩種主要熱處理工藝方法,以使零件具有“表硬里韌”的力學性能。感應加熱淬火因工藝簡單,零件變形小,可對零件進行局部處理,生產效率高,節能,清潔生產、環境污染少,以及工藝過程易于實現機械化和自動化等優點而得到廣泛的應用。

齒圈(包括外齒圈和內齒圈)作為常用的機械傳動零件,特別是大直徑齒圈通過感應加熱淬火工藝進行表面強化應用相當普遍。

一、齒圈感應淬火常用方法

齒圈感應加熱淬火有四種,沿齒溝感應淬火(gap-by-gap)、逐齒感應淬火(tooth-by-tooth)、回轉感應淬火(spin hardening)、雙頻感應淬火。沿齒溝感應淬火、逐齒感應淬火工藝特別適用于直徑大(可達2.5m以上)、模數大的外齒圈和內齒圈,但不適用于小直徑和小模數齒輪(模數小于6)。

1. 沿齒溝感應淬火

使齒面和齒根得到硬化,齒頂中部無淬硬層(見圖1)。此法熱處理變形小,但生產效率低。

圖1 沿齒溝感應淬火

2.逐齒感應淬火

齒面硬化,齒根無硬化層,提高齒面的耐磨性,但因熱影響區的存在,會降低齒的強度,如圖2所示。

圖2 逐齒感應淬火

3.回轉感應淬火

單圈掃描淬火或多匝同時加熱淬火,齒部基本淬透,齒根硬化層淺(見圖3)。適于中小齒輪,不適于高速、重載齒輪。

圖3 回轉感應淬火

4.雙頻感應淬火

中頻預熱齒槽,高頻加熱齒頂,得到基本沿齒廓分布的硬化層。

二、沿齒溝感應淬火工藝控制要點

(1)齒圈沿齒溝感應淬火常用頻率為1～30kHz,感應器與零件的間隙控制在0.5～1mm。

(2)沿齒溝感應器產生的渦流呈蝴蝶狀,根部電流密度最高。因此,感應器必須加裝導磁體,利用其槽口驅流效應,增加感應器鄰近齒根表面的電流密度,改善感應器的效率。

(3)需精確控制感應器與相鄰兩齒側非常對稱,并嚴格控制齒側和齒根的間隙。

(4)合理匹配感應器的高度和導磁體的用量,保證齒面、齒根的加熱溫度均勻一致,防止淬裂。

現場應用如圖4、圖5所示。

圖  4

圖   5

三、沿齒溝感應淬火感應器種類

(1)單回路感應器

 如圖6所示。

圖  6

(2)分支回路感應器

主路居中,兩支回路居兩側,主路電流是支路電流的兩倍,可有效減少齒圈進、出端面的尖角過熱形象。

感應器制造精度要高,使用壽命長,使用中還需認真細致地進行調整,以避免其早期損壞。

四、沿齒溝感應淬火常見問題與對策

(1)淬硬層分布不勻,一側硬度高、硬層深;另一側硬度低、硬層淺。這是因為沿齒溝感應淬火與圓環感應器回轉感應淬火相比,位置敏感度很高,需要設計制造高精度定位裝置,以保證齒側與感應器的間隙高度對稱分布。若不對稱,還可能造成間隙小的一側發生感應器與零件短路打弧,使感應器早期損壞。

(2)已淬硬齒側退火。原因是輔助冷卻裝置調整不到位或冷卻液量不足。

(3)感應器鼻尖部分銅管過熱。在采用非埋入式沿齒溝掃描淬火工藝時,因感應器與零件間的間隙相對較小,受加熱面的熱輻射,以及鼻部銅管有限尺寸的約束,銅管極易過熱燒壞,使感應器損壞。因此,感應器要保證有足夠流量和壓力的冷卻介質通過。

(4)感應處理過程中齒圈的形狀、位置變化。沿齒溝掃描淬火時,最后處理齒會脹出0.1～0.3mm。形變、熱膨脹、感應器調整不當會造成零件與感應器相碰而損壞。因此,在決定感應器與齒側間隙時要考慮熱膨脹因素,并采用適當的限位裝置來保證間隙。

(5)感應器導磁體性能退化。導磁體工作條件惡劣,處于高密磁場、高電流環境下,極易過熱損壞(見圖7),同時淬火介質、銹蝕都會使其性能退化。因此,要做好感應器的日常維護和保養。

圖7  感應器過熱損壞

作者:李鳳海,李偉