• 結(jié)合滲碳工藝和感應(yīng)工藝，解決了大模數(shù)齒輪整體感應(yīng)淬火無法解決的硬化層深度問題。

齒輪淬火后能夠提高表面硬度，進(jìn)而大大提高耐磨性和疲勞壽命，故大多數(shù)重載齒輪均需淬火。對于大模數(shù)齒輪淬火常用的熱處理淬火工藝有三種：整體感應(yīng)淬火、單齒感應(yīng)淬火、滲碳淬火，三種工藝方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文討論了一種大模數(shù)齒輪的復(fù)合熱處理工藝，將滲碳淬火及感應(yīng)加熱淬火工藝進(jìn)行綜合應(yīng)用，得到了較好的硬度和硬化層分布。

1.齒輪簡介

齒輪模數(shù)為7，齒頂圓直徑585.94（0-0.7）mm，齒輪簡圖見圖1，設(shè)計(jì)材料為S48C，化學(xué)成分見表1。針對該種齒輪結(jié)構(gòu)及材料特點(diǎn)，首先考慮淬火工藝為感應(yīng)加熱淬火。設(shè)計(jì)工藝路線為：下料→鍛造→正火→粗車→調(diào)質(zhì)→精車→滾齒→感應(yīng)淬火→回火→磨齒。

齒輪的感應(yīng)加熱淬火通常有兩種方案：單齒連續(xù)加熱感應(yīng)淬火和整體加熱感應(yīng)淬火。一般而言大模數(shù)、大尺寸的齒輪常采用單齒連續(xù)感應(yīng)加熱淬火，此種工藝不要功率太大的電源即可實(shí)現(xiàn)淬火，并且齒圈硬化層分布較為均勻，但需要感應(yīng)淬火機(jī)床具有較好的分度精度以實(shí)現(xiàn)所有齒的淬火；小模數(shù)齒輪常采用整體加熱感應(yīng)淬火，該種工藝方法不僅具有非常高的生產(chǎn)效率，還可以保證齒輪具有良好的硬化層分布。

我公司現(xiàn)有較多的齒輪感應(yīng)淬火設(shè)備，但是均不具備分度功能，無法采用單齒連續(xù)感應(yīng)淬火，但是我公司具有800kW電源可滿足整體加熱功率需求，可嘗試使用整體加熱感應(yīng)淬火。我們制定了整體感應(yīng)加熱淬火工藝方案，并進(jìn)行多次嘗試，如圖2所示，但是均無法取得較好的試驗(yàn)效果。

當(dāng)齒頂硬化層深度滿足要求，齒根硬化層往往過淺無法滿足要求；而齒根硬化層滿足要時(shí)，齒頂、節(jié)圓處硬化層已經(jīng)超出要求范圍，無法做到齒頂、節(jié)圓、齒根硬化層同時(shí)滿足要求，如圖3所示。考慮多方面的因素，我們分析造成上述問題的原因主要有兩個(gè)方面：

（1）感應(yīng)加熱電流透入深度主要受電流頻率、磁導(dǎo)率、電阻率影響，對于大模數(shù)、大尺寸的齒輪而言，齒頂和齒溝距離較大，齒頂距離感應(yīng)器較近、齒溝距離感應(yīng)器較遠(yuǎn)，在單一頻率下感應(yīng)加熱時(shí)齒頂和齒溝的加熱速度具有非同時(shí)性，齒頂加熱較快，齒溝加熱較慢。

（2）齒溝靠近基體，加熱齒溝時(shí)基體吸收大量的熱量，造成齒溝加熱速度較慢，而齒頂加熱時(shí)向內(nèi)傳遞的熱量較慢。為此，要解決大模數(shù)齒溝硬化層的深度問題，勢必需要延長加熱時(shí)間，這樣就造成齒頂加熱深度過深，硬化層過深。

整體感應(yīng)加熱淬火無法滿足需求，我們嘗試使用滲碳工藝，采用20CrMnMo材質(zhì)，調(diào)整工藝路線為：鍛造→正火→粗車→精車→滾齒→滲碳→淬火→高溫回火→加工滲碳層→淬火→磨齒。該種工藝方法先后進(jìn)行了兩次淬火，出現(xiàn)較大的變形，最大變形處可達(dá)到1mm，磨齒時(shí)部分位置磨不到，部分位置磨削量過大，該種工藝方法無法滿足需求。

2.新工藝的開發(fā)

針對上述試驗(yàn)情況，我公司經(jīng)過多次討論可否嘗試將滲碳工藝和感應(yīng)工藝綜合使用，即滲碳淬火后高溫回火，然后再使用感應(yīng)加熱淬火。我們分析認(rèn)為20CrMnMo齒輪滲碳后僅有齒輪表面滲碳層處含碳量較高，而滲碳層內(nèi)過渡區(qū)和心部仍屬于低碳區(qū)，感應(yīng)加熱淬火后表面高碳區(qū)屬于高硬度區(qū)，而過渡區(qū)及心部即使加熱達(dá)到淬火溫度，由于其低碳特點(diǎn)，也無法獲得較高的淬火硬度。

我們將工藝路線再次調(diào)整為：鍛造→正火→粗車→精車→滾齒→滲碳→淬火→高溫回火→加工→感應(yīng)淬火→磨齒。采用上述工藝方案，并進(jìn)行實(shí)施，滲碳和感應(yīng)加熱淬火后齒輪檢測其齒頂硬化層深度為6.2mm，齒溝硬化層深度為2.5mm，節(jié)圓處硬化層為4.0mm，如圖4所示。齒面硬度59HRC、齒頂硬度59HRC、齒根硬度59HRC，金相組織為3級馬氏體，殘留奧氏體含量15%，碳化物1級，如圖5所示，達(dá)到圖樣及標(biāo)準(zhǔn)要求。

該種工藝生產(chǎn)的齒輪硬度達(dá)到58～62HRC，較普通感應(yīng)淬火硬化提高，并且硬化層表面含有細(xì)小的碳化物，耐磨性大大提高，同時(shí)20CrMnMo材質(zhì)基體強(qiáng)度也高于S48C，各方面性能均得到提高，變形量也較單一的整體加熱感應(yīng)淬火齒輪減小，磨削后齒輪完全滿足需求。

3.結(jié)語

本次試驗(yàn)創(chuàng)新性的將滲碳工藝和感應(yīng)工藝相結(jié)合，解決了大模數(shù)齒輪整體感應(yīng)淬火無法解決的硬化層深度問題。