齿类零件感应热处理

艾玛应泰感应科技（北京）有限公司总经理 刘 平

感应热处理主要应用在表面淬火、模压淬火、保护气氛淬火、退火、回火中。

感应模压淬火-回火工艺

随着汽拖制造技术越来越成熟，对零部件的加工要求越来越高，对淬硬层的分布和变形要求更加严格，批量要求变大。零件一般加热到900～950℃时进行淬火，淬火时存在很多的问题：加热膨胀导致变形，淬硬层分布不均匀导致变形，加热时相变引起的体积增加导致变形，工件结构不对称引起的变形，还有就是上述结果的累积导致变形。淬火之前工件机加工时内部会产生应力，淬火时这些应力将释放出来，特别是薄壁类零件，这些问题更加普遍，都将导致变形。

淬火后，为了减少变形，将在精加工工序中花费大量的时间进行矫直、磨削等，对淬火表面进行精加工。为在根本上解决这些问题，EMA开发了一系列的模压淬火机床，综合了感应热处理和传统的模压式压淬的一整套工艺，适用于圆形、圆盘形零件。比如滑套的模压淬火，如图1所示，先把变形的椭圆零件固定在非导磁定心和夹持装置上（工步1），开始对零件加热（工步2），900℃时零件会达到均匀的温度，这时矫正芯模就位（工步3），即可进行淬火喷淋（工步4），这里矫正芯模的作用就是防止和限制零件变形。之后感应器下移到零件位置开始加热，受热后零件就会膨胀，与矫正芯模之间会产生很小的间隙，芯模会自由脱落，最后把零件冷却下来。

图1

滑套模压淬火过程参数：功率100kW，频率20kHz；淬火+回火工艺中，节拍60s，表面硬度为650～720HV1，淬层深度0.3～0.6mm，心部硬度320～420HV1；变形检查结果，圆度<0.05mm，平面度<0.06mm，锥度<0.05mm，热处理能力指数Cpk>1.67。

锥齿轮感应模压淬火如图2所示，在工步3和工步4中多了一个上下压模（绿色部分），作用是牢固地夹持工件进行淬火。锥齿轮模压淬火过程参数：功率250kW，频率10kHz；淬火+回火工艺中，节拍4min，表面硬度680～780HV30，淬层深度0.8～1.2mm，心部硬度350～480HV30；变形检查结果，齿部圆度<0.03mm，法兰部圆度<0.03mm，内径锥度<0.03mm，法兰部平面度<0.05mm。

感应模压淬火工艺的优势：加热后，立即进行模压淬火，变形小；4路单独控制的淬火冷却装置，均匀、高效；芯模几乎没有磨损；加热时间短，能源消耗少；工件尺寸更精确；淬火参数可重复性好。相比传统的转底炉渗碳或加热压淬系统设备，感应模压淬火系统设备能够直接与生产线集成，淬火、回火共用一套加热电源，不需要回火炉，不需要清洗机，工件传输系统少，还可以进行保护气氛下淬回火，可以二次加热进行模压淬火，不改变硬化层轮廓（深度和分布/全部表面），运行条件更便利，占地面积小。适合感应模压淬火的零件有同步器滑套、同步器齿圈、锥齿轮、离合器片、轴承等高精度工件。

大齿轮、齿条感应淬火

图2

图3

图4

图5

利用单齿“齿廓”淬火方法（见图3），我们进行了风电齿轮单齿淬火（见图4a）、矿山机械单齿淬火（见图4b）、模数为63的大的齿板齿条单齿淬火（见图4c）等，单齿切片如图5所示。全齿长的淬硬层均匀分布，决定因素有温度、温度的分布控制、冷却，间隙控制技术，加热温度对产品的最终质量起到至关重要的作用，感应器的间隙控制对于温度的控制是很关键的，EMA的淬火机床都会安装一个高精密的感应探头，对齿廓进行初始的精确定位，避免了人工调整感应器间隙带来的误差，齿轮在加热淬火时会产生变形，我们采用一套随动系统来适应齿轮的变形，从而保证感应器的间隙是合适的，保证淬硬层的分布是均匀的。沿齿长方向的能量均匀分布控制，连续淬火中，出口和入口处的棱角会产生端面效应，造成局部过热或欠热，轻则导致淬硬层分布不均匀，重则导致开裂，因此需要对整个温度进行均匀控制，由于红外测温法的局限性，能量法是唯一可行的控制方式，EMA开发了一套沿齿长方向的温度控制系统，把齿长方向分成若干了微小等分，系统自动计量每个等分的能量，小于0.01s后把其显示在操作屏上，如果采集的数据落在曲线区域之内就正常，如果落在区域之外系统就会报警，之后通过调整功率和速率来控制温度。

EMA的单头淬火机床，集成带有旋转分度台专用工装就可以对大的零件进行淬火，目前能加工直径4m的零部件。这种机床如果加上保护气氛罩，就可以避免工件氧化层的形成，免掉了抛丸、磨削等工序。特别是对于重载齿轮，在感应热处理后都需要对整个齿进行硬度检查和裂纹检查，需要工人花大量的时间把齿轮打磨的很干净后进行着色检查，如果整个工件在保护气氛下淬火，这种情况就不会再发生了。这种机床解决了小功率电源对大规格齿轮的淬火，但是相对于整体淬火效率较低，尤其是规格较大、齿数较多的齿轮，加工时间很长，放到回火炉回火时第一个齿有开裂的倾向。为此，EMA开发了双加热头淬火机床，大大提高了生产效率，降低了齿轮的开裂倾向，还可以应用到齿条的感应淬火。典型案例就是三峡大坝升船机超大模数齿条的感应淬火工艺，升船机的提升机构包括4套大齿轮以及4个垂直的总长113m的齿条，升船机重量将达到34000t。

另外，齿面淬火方法如图6所示，用以加工的切片试样如图7所示，可见淬硬层分布比较均匀。

图6

图7