重载齿轮件穿透式感应淬火技术应用_贺飞龙.pdf

感 应 加 热Induction Heating2023年 第4期 热加工77重载齿轮件穿透式感应淬火技术应用贺飞龙，朱科，吴佩泽西安煤矿机械有限公司 陕西西安 710200摘要：以某大功率采煤机牵引部高速传动齿轮发生断裂失效为案例，通过对宏观及微观化学成分、硬度、金相组织等进行检测分析，推断出其失效原因为硬化层深度过浅、齿根与齿心部硬度低。提出用中频穿透式感应淬火技术进行替代，试验达到预期效果。关键词：感应加热；穿透式加热；淬火；齿根；齿心 1 序言感应淬火是一种提高零件表面的强度、硬度和耐磨性，同时使心部保持足够塑性和韧性的快速加热技术。经过几十年的发展，借助于其绿色、节能、环保，以及工件氧化脱碳轻微的特点，在交通运输、工业机械及军工装备等行业得到了充分肯定，已经发展成为应用领域最广泛的热处理技术之一。我公司采煤机、掘进机、掘锚机等产品均以齿轮传动为主，且大多数为重载渗碳齿轮，受制于矿井下复杂的作业环境，齿轮在运转中需承受极大的应力应变。其中，中小模数齿轮件采用“渗碳调质齿部高频感应淬火”的热处理工艺，但在新研发的大功率产品使用过程中出现了断齿事故，这引起我们高度重视。根据对返回断齿齿轮件金相组织及性能的研究，提出用中频穿透式感应淬火替换原先的高频感应淬火。2 断齿分析2.1 宏观分析图1、图2所示分别为4个轮齿发生弯曲疲劳断裂的断口宏观形貌和疲劳源区宏观形貌。从图1、图2可看出，疲劳源为线源，位于滚齿倒角处，断口贝纹线较细密，疲劳扩展区及疲劳源区约占断口面积的90%，属典型的高周弯曲疲劳断裂形式1。根据失效分析的判别原则，轮齿发生弯曲疲劳断裂是齿轮最早发生的失效形式，是造成轮齿挤压、滚光的直接原因。2.2 微观分析（1）化学成分分析 断齿齿轮材料为18Cr2Ni4WA钢，对其取样进行化学成分分析，结果见表1。从表1可看出，化学成分符合据GB/T 30772015合金结构钢技术要求。（2）硬度检测 按JB/T 130272017重载齿轮图1断齿齿轮疲劳断口宏观形貌图2断齿齿轮疲劳源区宏观形貌 表1 断齿齿轮材料化学成分（质量分数）（%）元素CSiMnCrNiW实测值0.180.210.461.414.200.93标准值0.130.190.170.370.300.601.351.654.004.500.801.20感 应 加 热Induction Heating2023年 第4期 热加工78渗碳热处理技术要求对齿轮进行硬度检测，齿面硬度为59HRC，齿心部硬度为28.5HRC，齿根硬度为36.5HRC，其中齿轮根部及齿心部硬度不符合内控技术要求（齿根硬度5862HRC，齿心硬度3842HRC）。（3）金相检测 从齿轮断裂源处取样，对轮齿进行金相检测。低倍组织如图3所示。渡区域的交界处，残余应力从硬化区的压应力转变为非硬化区的拉应力，因此最大残余应力出现在硬化层结束的下方，这就使得因在齿根或圆角处易产生裂缝而导致失效，尤其对于重载渗碳齿轮，高负载的工作拉应力和残余应力的结合，更容易使齿根或内圆角处具备产生裂纹倾向的条件2。事实上，由于这种不利的应力分布状态，所以使齿轮弯曲疲劳强度甚至比硬化前的还稍低。3 中频穿透式感应淬火技术3.1 原理本次改进技术采用中频穿透式感应淬火工艺（涡流透入式加热热传导加热）。开始加热时，通过涡轮电磁感应产生的热量从表面向心部加热，随着热态涡流透入深度的增大，加热深度逐步向内推移。而零件需要的淬火加热层大于电流感应热透入深度热，此时失磁的高温层厚度超过了热态的涡流透入深度，电磁感应加热进入收尾阶段，此时加热层深度的增加主要依靠热传导的方式进行，即穿透加热3。这就需要有一个适当的温度梯度和能量密度，通过控制电流频率、调整功率因子等参数，且借助先进的精准温控设备，进行缓慢的高温热传导加热，促使整个齿形齿廓加热温度达至Ac1以上，确保轮齿齿面、齿根、齿心部均淬透淬硬。本批次试验件中频感应淬火工艺参数见表2。齿轮中频穿透式感应淬火试验状态如图6所示。表2感应淬火工艺参数淬火温度/电流频率/kHz加热功率/kW扫描速率/（mm/s）冷却方式8108302.02.58012026油冷图4 断齿根部金相组织（400）图3断齿轮齿低倍组织 图5断齿齿心部金相组织（400）图6齿轮中频穿透式感应淬火试验状态由图3可见，轮齿齿根及齿心部感应淬火组织不充分。高倍组织按GB/T 257442010钢件渗碳淬火回火金相检验进行检测，齿面分度圆处碳化物评为2级，马氏体及残留奥氏体评为2级，齿根、齿心部组织为回火索氏体。齿轮齿面渗层组织符合技术要求，根部、心部组织不符合重载齿轮技术要求，金相组织如图4、图5所示。2.3 结果分析从检测结果发现，对高频感应淬火后的齿轮来说，齿顶淬透但齿根、齿心淬不上火是齿轮疲劳断裂的诱因之一。由于重要的两处齿部区域（心部和根部）没有硬化，因此使齿轮在运行过程中受到极大的限制。分析其原因：由于其在硬化与未硬化过加热过程控制如下。1）以较快速度移动感应线圈，对工件进行预热处理。感 应 加 热Induction Heating2023年 第4期 热加工792）降低线圈扫描速率，以较大加热功率对齿面、齿根进行感应加热。3）适当减小加热功率，使热量向齿心部传导加热，直至加热结束。3.2 试验件分析（1）硬度检测 按JB/T 130272017重载齿轮渗碳热处理技术要求对试验齿轮硬度进行检测，齿顶硬度62.2HRC，节圆处硬度62HRC，齿根表面硬度60.5HRC，齿心部硬度40HRC，均符合要求。切取齿轮试样，按GB/T 94502005钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核对其进行显微硬度检测，结果见表3。硬度梯度分布合理，如图7所示。表3 硬度梯度检测结果 距表面距离/mm0.10.30.51.01.21.41.61.82.0硬度HV顶齿766751740638630603580553542节圆745739720623611588577556542齿根7066896636005845635395315124 结束语从断齿分析结果可看到，对于重载渗碳齿轮件来说，有效硬化层的合理分布、齿心部硬度不能偏低，这在复杂作业环境下是非常重要的。在采用中频穿透式感应淬火工艺后，可以保证齿部所有接触区域的连续硬化，这种淬火效果使齿轮有了更好的耐磨性，同时确保了在齿轮表面获得连续分布的压应力，提高了齿面接触疲劳强度。此外，穿透式感应淬火既提高了齿心部的硬度，又使其具有相应的塑韧性，从而提高了齿轮根部区域的抗弯曲疲劳强度。总体而言，中频穿透式感应淬火可提高重载齿轮的整体性能及使用寿命。参考文献：1 崔忠圻，覃耀春金属学与热处理M2版北京：机械工业出版社，2007.2 中国机械工程学会热处理学会热处理手册（第1卷）M4版北京：机械工业出版社，2013.3 杨满热处理实用技术回答M北京：机械工业出版社，2009.20230102图7显微硬度梯度分布（2）金相检测 从试验齿轮件取样，低倍组织如图8所示。由图8可见，采用新工艺后轮齿齿根及齿心部均获得感应淬火组织。在高倍显微镜下，齿面渗层组织为回火隐针及细针马氏体加少量残余奥氏体，碳化物级别评为1级，马氏体及残留奥氏体评为2级；齿心部组织为回火低碳马氏体，如图9、图10所示。3.3 结果分析从检测结果看到，采用中频穿透式感应淬火工艺后，产品的力学性能相比较采用高频感应淬火工艺有了极大提升，金相组织分布合理，满足产品使用性能要求，确保了产品在使用过程中具有良好的抗疲劳性能。图8试验轮齿截面低倍组织图9试验轮齿齿面金相组织（500）图10试验轮齿齿心部金相组织（500）