40Cr齿轮盐浴炉快速加热表面淬火- .pdfVIP

H Gea Y y 血 姆 I 重 载 齿 轮 4 0 C r 齿轮盐浴炉快速加热表面淬火 李小银 崔军 李军 余长海 摘要 研制并使用盐浴炉快速加热表 面淬火保护装置 对m8 的4 0 C r 重载齿轮实施盐浴 炉快速加热和冷却保护 确定 了合适 的盐浴炉快速加热表面淬火工 艺 实现 了齿轮的齿部表面淬火 从而解决 了该齿轮 采用中频 感应淬火无法保证齿面硬度和 齿根 有一 定硬 化层 深度 以及 容 易导致 齿 面磨损 和 轮 齿折 断失 效 的技 术难题 一 概述 我公司生产的某液压汽车起 重机产 品 回转机构 系统 中带动 吊 臂起 吊和 旋 转 的关 键部 件 使用 了图 1 所示 的开式齿轮 传动 的 渐开 线直 齿 正 变位 输 出 重载 齿轮 1 7 8 Z 1 5 齿顶 圆直 径为 1 3 9 2 mm 齿宽7 6 mm 固 定弦齿厚 约为 1 1 1 mm 齿深为 1 8 0 ram 它是 一个主动 轮 承 受很大的工作载荷 齿轮 的设计 材料为4 0 C r 技术要求粗加 工后 调质硬度2 6 0 3 0 0 HBW 转机 加半精加 工及插齿后再齿部表面 一 l J 毫 f 1 一 0 3 2 一 西 2 0 西 3 9 2 图1齿轮示意 淬火至5 0 5 5 HR C 该齿轮在开式传动环境下 工 作 灰 尘 和砂 粒 等 易落 入 齿面 间 在与内齿圈啮合工作时 通 过齿面的接 触传递动力和改变运 动方向 因此 轮齿表面受到交 变接触应力及摩擦 力的作用 而 齿根部则受到交变弯 曲应力的作 用 根部弯曲应 力最大 而且应 力集中 同时 齿顶特别是齿根 处磨损较严重 磨 损后 齿廓 已 不是渐开线 齿侧 间隙增大 齿 根变薄 从而降低 了齿轮传动的 平稳性和轮齿弯曲强度 甚至轮 齿折断 对于开式 齿轮传动的硬 齿面齿轮 齿面疲劳磨损和轮 齿 折断是 主要失效形式 因此 该 齿轮 在表面淬火时 既要保证 齿 面硬度 又要保证齿根部有一定 的 硬化 层深 度 从 齿轮 的齿 根 弯 曲疲 劳 强 度 出发 表 面 淬 火 齿轮 的最 佳硬化 层深度 为0 3 0 4 m 我们设定齿轮合理的表面 硬化层分布见图2 a b c 为合 理的硬化层分布 d e 为不合理 的硬化层分布 工艺要求齿面 硬化层深2 4 3 2 mm 齿根以下 有 1 5 mm的硬化层深度 极限 硬度值取齿轮的最低表面硬度要 求 5 0 HR C 誉 a 全齿淬硬 b 仿齿廓淬硬 c 仿齿廓淬硬 d 硬 化 层 齿 高 e 硬 化 层 终 止 于 齿 根 图2 齿轮表面硬化层分布示意 参 磊 热 处 l1 1 H e av y 枷 I 重 载 齿 轮 对 于 7 8 齿 轮 的齿 部 表 面淬 火 通 常 采 用 中频 感 应 淬火 方 法 该 齿 轮 若 采 用 中频 感 应淬 火 一方面 不仅因齿槽较 窄且 较深 很难 制作出合适的按齿槽 仿 形 并 需 加 装导 磁 体 来 驱流 的V形结构 的单 齿沿齿槽加热 中 频感应淬火感应器 且若 用该 中 频感应淬火感应器对齿槽逐一实 施连续加热或 同时加热表面淬火 时 因固定弦齿厚较薄 也很易 使 已经淬火的相邻齿面因加热屏 蔽不好或旁边冷却不好产生 回火 而硬度下降 达不到设计要求 降低齿面的疲劳强度和耐磨性 另一方面 因轮齿较宽且深 若 采用全齿 的单 匝或 多匝圈式结构 的中频 感应淬火感应 器对齿轮进 行 两次预 热 加热 后淬火 硬化 层不易控制 用硬度法测试 硬 化 层 2 3 齿高 很难 达到 节 圆 以下齿面 齿根 只有 基体硬 度 齿 轮 的表 面 淬 火 质量 得 不 到保 证 同时 因多次加 热 齿轮 的 淬火变形较大 淬火 后需 增加磨 齿工序并需修整键槽 增加 了生 产成本 为 了保证齿轮的 齿部表 面淬 火质量 减小淬火变形 降低生 产成本 决定采用盐浴炉快速加 热表面淬火的工艺方法来实现齿 轮的齿部表面淬火 确保齿面硬 度和齿 根有 1 5 mm的硬化层深 度和较高 的弯 曲疲劳 强度 从而 满足齿轮 的使 用要求 避免齿面 严重磨损和轮 齿折断失效 二 可行性分析 对 于齿轮 类零件 若采 用盐 浴炉快速加热 炉温超出正常加 热 温度 1 O 0 1 5 0 工 件入 炉 1 2 算 me t o l瑚wo r k i n l lg S O 僧 c o m 参 磊 热 加 工 后 炉温要 保持平稳 波动不超 过3 0 C 一方面 因加热温度 高 加热速 度就快 另一方面 因齿部的有效受热 面积比内4 L l l 端面大得多 故齿部的加 热速 度 也较快 同时 根据 齿轮形状尺 寸 相似于管子零件 两端 敞开 加热比两端封闭加热要快 两倍 因此 若齿轮内孔两端再 用钢板 夹具夹紧 使 内孔和端面只靠传 导加热 加热速度慢 这样可以 进一步加大齿部与端面和内孔的 温度差 能达到齿轮的齿部表面 快 速加 热表 面 淬 火 的 目的 因 此 采用盐浴炉快速加热可实现 齿轮的齿部表面淬 火 三 盐浴炉快速加热 表面淬火 1 快速加热表面淬火装置 我 们研 制 了 图3 所示 的快速 加热表面淬火 保护装置 由压块 I 压块 M1 6 螺 栓和M 1 6 螺 母组成 并在M1 6 的螺栓上焊一 个M8 的 吊装 螺母 此快 速加热 表面淬火保护装置可以增加 不需 淬火部位加热的有效厚度 减缓 内孔 端面和不需淬火的外 圆表 面等位置的加热速度 保护装置 中 的所 有零 件 均 采 用低 碳 钢 如 Q 2 3 5 N 或2 0 钢制造 防止其 因淬 火而 引起变形和裂纹 压块 I 和 压块 的外圆直径一般应与齿根 圆直径相 同或小2 3 mm 厚度 分别为2 0 mm 3 O mm 2 淬火 1 齿轮的 吊装齿轮淬火 加 热 和冷 却 时 的 吊装 方 式 见 图 3 采用单 个 齿轮 吊装加热 和冷 却 齿轮两端必须用快速加热表 面淬 火保护 装置夹 紧 以减缓 内 孔和端面 的加热速 度 防止盐液 和大量的淬火油进入内孔 一 般 齿轮 直 径 小 于 I 5 O mm 时 采 用 单 个或 成 串浸 入盐 浴 中加 热 个数的多少 以不显著 降低盐浴温 度 温 度波动 不超过 3 0 为原则 当齿轮直 径大于 1 5 0 mm时 采用旋转式加热 转 动速度保持0 5 1 r s 恒定 必须 正 反转相继进行 齿轮 快速加热时 为避免压 块 因多次高温加热变形而影响 齿轮端面与 内孔的密封和齿轮快 速加热表面淬火效果 压块 及 其以上部分不进入盐浴炉 中加热 见图3 2 烘干为 了防止发生盐 液飞溅伤人 齿轮在进入盐浴炉 加热 前 必 须 与快 速 加 热表 面 淬火 保 护 装 置 固装 在 一 起 在 3 0 k W箱式 电阻炉中进行 2 0 0 2 5 0 1 h 的预热 以烘干 工 件和快 速加 热表面淬 火保护 装置 表面的水分 图3 齿轮加热和冷却时的吊装示意 3 淬火首先是快速加热 表面淬火温度 工件要达到快速 加热的 目的 炉温就 必须比正常 加热温度高得 多 4 0 C r 材料正常 淬火加热温度为8 3 0 8 6 0 C 采 用盐浴炉快速加热时 炉温应超 出正常淬火加热温度1 0 0 1 5 0 C 因此 齿轮的快速加热温度应为 9 3 0 1 0 1 0 因我公司没有高 温盐浴炉 故选用 中温盐浴 炉加 热 选择快速加热表面淬火温度 为 9 3 0 1 0 其次是加 热时间 加 热时间 的控制 是快速加热工艺成败的 关 键 因素之 一 对 质 量影 响 很 大 时 间过长 工件不仅透烧 淬火变形大 达不到表面淬火的 目的 且会造成表面过热 晶粒 粗大 性能变坏 而加 热时 间不 足 则硬 度不够或硬化层太浅 盐浴炉快速加热 对于碳钢和低 中碳低合金钢件 有效厚度在1 0 6 0 a i m时 加热系数为6 8 s mm 同时 经过工艺试验 在保证 工 件入炉后炉温波动不超过3 0 C的 情况下 以 目测 齿轮根部表面实 际加热温度达到正常淬火加热温 度8 3 0 8 6 0 为依据 确定 了齿 轮盐 浴炉快速加 热时 间为 1 5 0 1 6 8 s 夏天取中下限 冬天取 中 上限 最后是淬火冷却 齿轮盐浴 炉快 速 加热 后 迅速 出炉进 入 L A N 3 2 全损耗系统用油中冷却至 室温 入油后 工件要 上下来 回 移动 以保证工件均匀冷却 减 少淬火变形 4 回火拆 下快 速加 热 表 面 淬 火 保 护 装 置 后 对 工 件 进 行 回火 回火 采 用45 kW 箱 式 电 阻炉加 热 回火 工 艺 为 2 0 0 2 0 3 h 空冷 四 检测结果 1 硬度试验 经盐浴炉快速加热表面淬火 箱式 炉 回火 后的齿轮 用HR一 1 5 0 A 洛氏硬度计测试齿顶和齿根 以下2 3 mm处的硬度 都在5 1 5 3 HRC 硬度合格 2 硬化层深度试验 经盐浴炉快速加热表面淬火 箱式炉 回火 后的齿轮 用线切 割加 工出金相试样 并用金相显 微镜检查金相组织 齿部表面马 氏 体级 别为 4 5 级 为合 格组 织 用 显 微 硬度 计检 测 硬 化 层 深 度 获 得 仿齿 形 硬化 层 见 图2 c 齿面硬 化 层深 为3 1 3 2 mm 齿根部 径 向 硬化层 深3 3 1 5 mm 硬度试 验和硬化层深度试验 结果表 明 齿轮用盐浴炉快速加 热 表面淬火 箱式炉 回火 的工艺 方法 达到 了齿部表 面淬火 的 目 的 在齿轮的批量生产中 我们 用洛氏硬度计在齿轮端面齿根 以 下2 3 mm处检测硬 度 若 在5 0 5 5 HRC 则判定为合格品 从 投放市场 的产 品使用情况看 未 发现齿面磨损和轮齿折断失效的质 量问题 该齿轮的质量稳定可靠 3 淬火变形测试 齿轮 经盐 浴 炉快 速 加 热 表 面淬 火 箱式炉 回火 后 节 圆 齿 向 跨 齿 距 变形 都 在0 0 1 0 0 5 mm 在公差要 求范 围内 内孔收缩 了0 0 5 0 1 0 mm 通过 精加工 达到了产品要求 盐浴 炉快速加热表面淬火变形 比中频 I I eav y 血 蜉 l重 载 齿 轮 感应淬火变形要小得多 齿轮 的 齿形和键槽 的变形均较小 能够 满足 使用要求 淬火后可以不磨 齿和修 整键槽 从而降低 了生产 成本 五 结语 1 m8 模数的4 0 C r 齿轮 采用盐 浴炉快 速加热表面 淬火 箱式炉低温 回火 获得 了沿齿廓 分布的硬化层 齿面硬度达到5 1 5 5 H RC 具有高的耐磨性 齿 根有 1 5 mm的硬化层深 度 具 有较高 的弯 曲疲劳强度 从而 实 现 了齿轮的齿部表面淬火 其淬 火质量达到了设计和使用要求 2 盐浴炉快速加 热表 面 淬火 法 只适 用 于 碳 素钢 或 低 中碳低合金钢制齿轮 轴 轴套 等零件 采用盐浴炉快速加热表 面淬火时 必须严格控制加热时 间 以工件表 面或齿轮 的齿根表 面 实 际温 度 达 到正 常 淬 火温 度 4 0 Cr 为8 3 0 8 6 0 为宜 否 则会 引起工件表面过 热 晶粒粗 大 降低工件使用性能 3 该技 术