感应淬火全齿宽硬化工艺

作者：汪正兵，易亮，朱百智，叶小飞

单位：南京高速齿轮制造有限公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志2019年第1期57-59页

感应淬火具有工件变形小，高效节能环保，易于实现自动化等优点，成为一种常用的表面热处理技术。随着工业技术的发展，对齿轮的承载能力及品质等方面提出了更高的要求。而现有感应淬火技术中，存在齿轮两端面齿根未硬化问题，在服役过程中易产生弯曲疲劳裂纹。尤其对于重载齿轮，在出现偏载的情况下，两端未硬化的轮齿容易发生开裂失效。因此，实现齿轮全齿宽范围内硬化，可大幅提高我国感应淬火技术水平，提升齿轮的承载能力及品质，产生显著经济效益。本文通过优化感应淬火工艺，解决了齿轮端面齿根未硬化而齿面过热烧熔问题，实现全齿宽硬化，并应用于批量生产。

一、全齿宽硬化技术要求

感应淬火全齿宽硬化：即有效硬化层在轮齿全齿宽范围内分布，齿轮两端面的层深、组织等指标要求同齿宽中部接近（符合图样标准要求）。考虑到感应加热工艺的技术难点，目前国内外标准对全齿宽硬化要求不明确且比较宽松，具体要求以客户为准。其中JB/T 9171-1999 《齿轮火焰及感应淬火工艺及其质量控制》标准规定：在150mm齿宽范围内，有效硬化层分布范围为齿宽的80%，距两端各10%齿宽范围内不作评判。ISO 6336-5：2003《直齿轮和斜齿轮承重能力的计算 第5部分：材料强度和质量》标准要求硬化层深在全齿宽范围内覆盖，但对两端层深的具体要求无明确阐述。其他如AGMA及DIN标准等对全齿宽硬化要求比较宽松。从距端面至一倍模数或1/8齿宽范围内，层深不作评判要求。

二、工艺现状分析

感应淬火工艺的问题点包括：尖角处涡流集中加热温度高，而内圆角不易加热等。因此，齿轮在感应加热过程中易出现端部齿面尖角过热烧熔，而内圆角位置的齿根未硬化或硬化层深不足问题，如图1所示。由于国内外标准对端面的硬化层深要求比较宽松，通常采取降低加热功率方法，防止齿轮出现端面烧熔这一明显的外观质量缺陷，而忽略了端面齿根硬化层深严重偏浅或未硬化的质量隐患。降低了齿轮的承载能力及品质，存在早期失效风险。针对该问题，本文通过设计新型感应器结构及调整工艺参数，对感应淬火工艺进行了优化。

图1  端面齿面烧熔及齿根硬化层深分布

三、工艺优化

（1）感应器结构优化

现有的沿齿廓扫描仿形结构感应器，在加热过程中同时加热齿面及齿根位置。在感应加热效应的影响下，使得齿轮两端面齿根位置加热不足导致未硬化或硬化层深不足，而端面的齿面节圆位置温度过高发生过热烧熔。因此，深入分析其技术难点，通过优化感应器上下导板及硅钢片结构，以解决现有感应器结构存在的齿廓同时加热的弊端；结构优化后的感应器的上导板与下导板为去圆弧斜向上/下三角结构，增加的导体部分增强了齿根加热效果。同时，该特殊的斜向上/下的三角结构实现了齿根与齿面的不同步加热，这样，可使得感应器在端面只对齿根进行加热，避免端面处的齿面温度过高，如图2所示。在提升端面齿根硬化层深的同时，避免端面的齿面节圆位置的过热烧融问题。

图2  感应器结构示意

（2）工艺参数优化

感应淬火全齿宽硬化的工艺主要影响因素包括：耦合间隙、加热功率、时间和加热位置等。通过筛选影响因子、重点分析预热功率、预热时间、加热功率及加热位置等影响因子，以得到最优参数因子组合。在采用上述新型结构感应器（用于Mn14风电内齿圈）的基础上，通过优化感应淬火端面工艺参数解决端面齿根未硬化而端面过热烧熔问题。对预热功率X₁、预热时间X₂、加热功率X₃、加热位置X4四个影响因素进行部分因子DOE试验设计，输出变量为端面齿根最小硬化层深Y₁及齿面节圆位置的晶粒度Y₂，试验参数及结果如表1所示。

表1 DOE试验设计参数及结果

对试验数据进行相应分析，拟合得到齿根硬化层深Y₁及节圆晶粒度Y₂与预热功率X₁、预热时间X₂、加热功率X₃、加热位置X₄的关系。并通过响应优化器对最佳参数进行预测，得到最优的工艺参数为中心点，即编号为4的参数。齿根硬化层深明显提升，齿面晶粒度符合要求，未出现过热烧熔情况。对采用DOE试验优化的中心点参数进行重复性验证，重复性很好，如表2所示。

表2  最优参数重复性试验结果

四、推广应用

通过设计新型结构感应器及优化感应淬火工艺参数DOE试验，实现齿根及齿面的不同步加热，解决了齿轮端面齿根未硬化而齿面过热烧熔问题。实现了全齿宽硬化，提升了齿轮的承载能力及品质。目前该工艺已用于Mn14至Mn20大模数内齿圈的批量生产，范围覆盖1.5～4MW风电齿轮箱，且全面推广并批量供货给GE等国内外客户。