CN108977637B - 一种直齿锥齿轮表面感应淬火方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直齿锥齿轮表面感应淬火方法，其包括如下步骤：(1)用矩形铜管制作适合直齿锥齿轮齿宽方向整齿的仿形感应器；(2)将直齿锥齿轮的齿部置于仿形感应器内；(3)将齿部采用间歇加热方式加热至淬火温度；(4)对加热至淬火温度的齿部整体喷射淬火水淬火；(5)低温回火至合适的硬度。本方法适用于直齿锥齿轮的中频感应淬火、高频感应淬火和超音频感应淬火，能有效减小直齿锥齿轮感应淬火时的变形量，增强直齿锥齿轮的力学性能，使直齿锥齿轮的齿面硬度和硬化层深度均匀且不会产生淬火软带。

Description

一种直齿锥齿轮表面感应淬火方法及其应用

技术领域

本发明涉及金属表面淬火技术领域，尤其涉及一种直齿锥齿轮表面感应淬火方法及其应用。

背景技术

热处理可以提高工件的性能，延长其使用寿命，表面加热淬火是重要的热处理工艺之一。表面加热淬火是将工件快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使工件的表面层获得淬火组织的热处理方法。齿轮、凸轮等零件在扭曲、弯曲等交变载荷下工作，并承受摩擦和冲击，其表面要比心部承受更高的应力。因此，零件的表面要求具有较高的强度、硬度和耐磨性，心部要求具有一定的强度、足够的塑性和韧性，而采用表面淬火工艺可以使零件达到这种表硬心韧的性能要求。感应淬火(感应加热表面淬火)是常用的表面加热淬火方法，在齿轮从软齿面向硬齿面技术发展过程中，感应淬火工艺发挥了重要作用。感应淬火是利用电磁感应、集肤效应、涡流和电阻热等电磁原理，使工件表层快速加热，并快速冷却的热处理工艺。感应淬火时，将工件放在铜管制成的感应器内，当一定频率的交流电通过感应器时，处于交变磁场中的工件产生感应电流，在集肤效应和涡流的作用下，工件表层的高密度交流电产生的电阻热迅速加热工件表层，使其达到淬火温度，随即用淬火水冷却，使工件表层被淬硬。由于感应淬火具有工艺简单、工件变形小、生产效率高、节能、环境污染少、工艺过程易于实现机械化和自动化等诸多优点，因而被广泛使用。感应淬火设备类型分为：工频、低频、中频、超音频、高频、超高频感应淬火设备几种，根据淬硬深度需要来选择适用频率。淬硬层深度越大，所需频率越低，反之，则越高。目前感应淬火以中频、超音频、高频、超高频为主。

直齿锥齿轮由于其齿部两端的尺寸大小不同，对模数较小的直齿锥齿轮进行表面感应淬火的感应器尚可采用传统的设计方法，而对模数较大的直齿锥齿轮进行中频感应加热时，若感应器的工作面沿锥齿全长具有恒定的间隙，则锥齿轮齿部的小端会强烈地过热，而大端会加热不足。为解决这一问题，目前最常用的方法是根据经验适当地增加小端间隙并使之大于大端间隙。还有另外一种解决方法就是适当地减小感应器工作面的锥角，使它小于齿顶圆的锥角，这种方法实际上也等同于增加小端间隙，借此抑制小端过热。上述两种解决方法都存在如下缺点：1.感应器制作的盲目性很大，准确性差，往往要试制几个感应器才能摸索到合适的间隙，造成工时和材料的浪费；2.淬火质量不稳，主要表现为锥齿轮的齿面硬度和硬化层深度不均匀。此外，感应器是用铜管压制及对接焊接而成，感应器头部连接通水部分采用的是最小管径ф6mm的铜管。经试验，采用ф6mm以下的铜管制作的感应器在淬火时会从尖部烧断，所以尖部尺寸的制作受到了限制，造成感应器尖部与齿根部的间隙达到4～5mm，齿部淬火后下齿面留有较大的软带，而软带的存在会导致齿轮在传动过程中齿面被压塌或断齿。齿面的硬度不均匀、硬化层深度不均匀以及下齿面软带较大均容易造成零件过早失效。因此，如何避免模数较大的直齿锥齿轮在中频感应淬火时出现的质量问题一直是热处理领域迫切需要解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺点和不足，提供一种直齿锥齿轮表面感应淬火方法，本方法适用于直齿锥齿轮的中频感应淬火、高频感应淬火和超音频感应淬火，能有效减小直齿锥齿轮感应淬火时的变形量，增强直齿锥齿轮的力学性能，使直齿锥齿轮的齿面硬度和硬化层深度均匀且不会产生淬火软带。

为解决其技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种直齿锥齿轮表面感应淬火方法，包括如下步骤：

(1)用矩形铜管制作适合直齿锥齿轮齿宽方向整齿的仿形感应器；

(2)将直齿锥齿轮的齿部置于仿形感应器内；

(3)将齿部采用间歇加热方式加热至淬火温度；

(4)对加热至淬火温度的齿部整体喷射淬火水淬火；

(5)低温回火至合适的硬度。

本发明人经过系列深入研究，对直齿锥齿轮的表面感应淬火方法进行了改进。先是采用矩形铜管并按照直齿锥齿轮的整齿仿形制作与之适配的仿形感应器，如此，淬火加热时，可保证齿轮的齿部于齿宽方向的温度和硬度均匀，而不会出现齿部的小端过热、大端加热不足的现象，还可将感应器与齿根之间的间隙减到最小。再结合间歇的加热方式，利用热传导原理，减小齿部内外的温差，使整个齿部加热均匀，从而达到使整个齿部的温度均匀，整个齿面的硬度均匀和硬化层深度均匀的效果；同时，淬火后，齿部的下齿面不会产生软带。间歇的加热方式还可减小齿轮受到的热应力和相变应力，从而减小齿轮变形。

优选的，步骤(2)中，所述间歇加热方式具体为：

a：将齿部表面加热至550℃±10℃，然后停止加热5～10秒，使齿部的表面和心部的温度均匀；

b：将齿部表面继续加热至650℃±10℃，然后停止加热5～10秒，使齿部的表面和心部的温度均匀；

c：将齿部表面继续加热至淬火温度。

发明人经过大量深入研究发现，加热的温度对直齿锥齿轮的力学性能影响较大，温度过低会造成热传导效率较低，达不到预热效果，温度过高则会对齿轮的组织产生较大影响。而将首次加热的温度控制在550℃±10℃范围，二次加热的温度控制在650℃±10℃范围，如此，可使齿轮的齿部获得适宜的热传导效率，预热效果好，且间歇加热的温差适中，不会对齿轮的组织产生较大影响，对齿轮的淬火效果好。

优选的，步骤(3)中，所述淬火采取隔齿淬火方式。本发明的隔齿淬火方式与现有的隔齿淬火工艺相同，本发明不再赘述。现有的直齿锥齿轮淬火一般都是按齿部顺序淬火，而本发明采用隔齿淬火的方式进行淬火可保证齿轮齿部的左右应力状态相同，减小应力对齿轮的影响，从而进一步减小齿轮变形。

优选的，步骤(4)中，所述低温回火的温度为180℃以上。优选的，步骤(4)中，所述低温回火的次数为两次，每次保温3小时。由于感应淬火只是工件表面发生组织转变，180℃以上回火并保温3小时可在保证高硬度的同时，最大限度消除淬火时产生的应力。温度太低或时间过短都不利于应力的消除，如果残余应力过大会造成在后序的磨削加工中容易产生磨削裂纹；保温时间过长则会浪费能耗。第一次回火后，一部分残余奥氏体会转变成马氏体，产生新的应力，第二次回火就可以很好地消除这一部分应力。

优选的，步骤(1)中，所述仿形感应器的内侧面开设有用于喷射淬火水的喷水孔，所述仿形感应器的外表面设有冷却水管，所述仿形感应器的开口端对称焊接有两块汇流排。进一步具体的，所述汇流排(也称“接触板”)与所述仿形感应器的开口端焊接，所述汇流排的作用是使电流构成回路，其由铜板制成。

淬火时，淬火水从矩形铜管的一端口流入，并经喷水孔喷出，以对齿轮的齿部进行淬火。而冷却水管的作用是流通冷却水，以对仿形感应器进行冷却。由此可见，本发明的仿形感应器中，其冷却水管为独立设置，冷却水和淬火水为独立分开，如此，仿形感应器的结构及规格大小不受冷却水管的限制，有效减小了感应器与齿根之间的间隙，也不会出现淬火时感应器被烧损的情况。

此外，本发明的目的还在于提供所述直齿锥齿轮表面感应淬火方法的应用，所述直齿锥齿轮表面感应淬火方法适用于中频感应淬火、高频感应淬火和超音频感应淬火。优选的，所述直齿锥齿轮表面感应淬火方法应用于直齿锥齿轮的中频感应淬火。特此说明，本发明对直齿锥齿轮的材料不作限定，凡适合表面感应淬火的直齿锥齿轮都适用本发明的表面感应淬火方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明采用矩形铜管按照直齿锥齿轮的整齿仿形制作与之适配的仿形感应器，淬火加热时，齿轮的齿部于齿宽方向的温度和硬度均匀，不会出现齿部的小端过热、大端加热不足的现象。加上本发明的仿形感应器设有独立的冷却水管，冷却水和淬火水为独立分开设计，仿形感应器与齿轮的齿根之间的间隙小，仿形感应器的结构稳定性好，使用寿命长，不易受损。

2.本发明采用间歇加热方式可减小齿部内外的温差，使整个齿部加热均匀，从而达到使整个齿部的温度均匀，整个齿面的硬度均匀和硬化层深度均匀的效果，还可减小齿轮受到的热应力和相变应力，从而减小齿轮变形；同时，由于仿形感应器与齿轮齿根之间的间隙小，淬火后，齿部的下齿面不会产生软带。

3.本发明采用隔齿淬火的方式对齿轮的齿部进行淬火，使齿轮齿部的左右应力状态相同，减小了应力对齿轮的影响，从而进一步减小齿轮变形。

4.本发明的表面感应淬火方法弥补了现有直齿锥齿轮中频感应淬火方法中存在的缺陷，经本发明方法淬火加工后的直齿锥齿轮的变形小，齿面的硬度和硬化层深度均匀，不会产生淬火软带，淬火效果好。

附图说明

图1为本发明所述直齿锥齿轮表面感应淬火方法的工艺流程图；

图2为本发明所述仿形感应器的结构示意图；

图3为图2的A-A面剖视图；

图4为本发明所述仿形感应器的喷水孔的分布示意图。

图中，仿形感应器1、喷水孔2、冷却水管3、汇流排4。

具体实施方式

实施例1

一种用于直齿锥齿轮表面感应淬火的仿形感应器，如图2至图4所示，所述仿形感应器1为采用矩形铜管并按照直齿锥齿轮齿宽方向的整齿仿形制作而成的，其与直齿锥齿轮的整齿适配套合。此外，所述仿形感应器1的内侧面均匀开设有用于喷射淬火水的喷水孔2，所述仿形感应器1的外表面焊合有冷却水管3，所述仿形感应器的开口端两侧对称焊接有两块汇流排4，汇流排4由铜板制成。

使用时，将仿形感应器1套于直齿锥齿轮的齿部。淬火时，淬火水从矩形铜管的一端口流入，并经喷水孔2喷出，以对齿轮的齿部进行淬火。冷却水管3的作用是流通冷却水，以对仿形感应器1进行冷却。冷却水管为独立设置，冷却水和淬火水为独立分开，如此，仿形感应器1的结构及规格大小不受冷却水管的限制，有效减小了感应器与齿根之间的间隙，也不会出现淬火时感应器被烧损的情况。

实施例2

我公司承接过某客户配套生产的一批直齿锥齿轮的中频感应淬火任务，具体如下：

直齿锥齿轮材料为42CrMo，调质硬度为229～277HBW，大端模数m：14mm，齿数Z：55，齿宽：105mm。

中频感应淬火技术要求：齿面硬度55～60HRC，硬化层深度≥3.0mm，马氏体组织：4～6级。

该批直齿锥齿轮的中频感应淬火技术如下：

1.按实施例1的仿形感应器结构，用14×4mm的矩形铜管制作适合直齿锥齿轮齿宽方向整齿的仿形感应器，仿形感应器外表面焊合的冷却水管为ф6mm的铜管；

2.将仿形感应器套于直齿锥齿轮的齿部；

3.将齿部表面加热至550℃±10℃；

4.停止加热5～10秒，使齿部表面和心部温度均匀；

5.将齿部表面继续加热至650℃±10℃预热；

6.停止加热5～8秒，使齿部表面和心部温度均匀；

7.将齿部表面继续加热至850℃±10℃，并使整个齿部温度均匀后开淬火水整齿淬火，淬火时采用隔齿的淬火方式；

8.用220℃回火两次，每次保温3小时。

在本实施例中，选取调质硬度同样为229～277HBW的42CrMo材料做中频感应淬火试验齿，试验齿的尺寸与直齿锥齿轮齿部尺寸完全相同，并齿轮同时淬火-回火，然后进行破坏性检验。分别在齿部大端、中部、小端三个部位截取试样进行检验，得到的技术参数如下：

1.硬度:

2.硬化层深度:

3.金相组织：大端、中端、小端三个部位的回火马氏体组织完全相同，按《中华人民共和国机械行业标准》JB/T9204-1999均可评为5级。

经过以上检测，各项指标均达到客户要求。

可见在实际生产中利用本发明的直齿锥齿轮表面感应淬火方法对锥齿轮中频淬火比较精准，淬火后整个齿部的硬度、硬化层深度均匀，马氏体组织完全相同，用户反映使用效果非常好。

实施例3

某客户长期使用的PXZ1500液压式旋回破碎机配套大锥齿轮长期依赖进口。锥齿轮材料为40Cr，调质硬度250～280HBW，大端模数m：30mm，小轮齿数Z：26，大轮齿数Z：77，齿宽：310mm。

中频淬火技术要求：齿面硬度53～55HRC，硬化层深度≥2.5mm。

对该锥齿轮的中频感应淬火技术如下：

1.按实施例1的仿形感应器结构，用14×4mm的矩形铜管制作适合直齿锥齿轮齿宽方向整齿的仿形感应器，仿形感应器外表面焊合的冷却水管为ф6mm的铜管；

2.将仿形感应器套于直齿锥齿轮的齿部；

3.将直齿锥齿轮的齿部表面加热至550℃±10℃；

4.停止加热5～10秒，使齿部表面和心部温度均匀；

5.将齿部表面继续加热至650℃±10℃预热；

6.停止加热5～8秒，使齿部表面和心部温度均匀；

7.将齿部表面继续加热至850℃±10℃，并使整个齿部温度均匀后开淬火水整齿淬火，淬火时采用隔齿的淬火方式；

8.用350℃回火两次，每次保温3小时

在本实施例中，对上述锥齿轮中频感应淬火后得到的技术参数如下：

1.表面硬度：53～55HRC；

2.硬化层深度为:2.8mm。

上述技术参数完全符合锥齿轮热处理技术要求。

此客户原来为了节约成本想用国产化替代进口产品，在其他厂中频淬火的齿轮在使用过程早期会出现齿面压塌和断齿现象，分析原因就是由于淬火硬度不均匀、硬化层深浅差别较大、存在较大软带造成的。而利用本发明直齿锥齿轮表面感应淬火方法淬火的齿轮未发现早期失效的现象，使用效果非常好，完全替代了进口齿轮，产生了巨大的经济效益。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种直齿锥齿轮表面感应淬火方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）用矩形铜管制作适合直齿锥齿轮齿宽方向整齿的仿形感应器；

（2）将直齿锥齿轮的齿部置于仿形感应器内；

（3）将齿部采用间歇加热方式加热至淬火温度；

（4）对加热至淬火温度的齿部整体喷射淬火水淬火；

（5）低温回火至合适的硬度；

所述间歇加热方式具体为：

a：将齿部表面加热至550℃±10℃，然后停止加热5~10秒；

b：将齿部表面继续加热至650℃±10℃，然后停止加热5~10秒；

c：将齿部表面继续加热至淬火温度；

所述低温回火的温度为180℃以上；所述低温回火的次数为两次，每次保温3小时；

步骤（3）中，所述淬火采取隔齿淬火方式。

2.如权利要求1所述的直齿锥齿轮表面感应淬火方法，其特征在于，所述仿形感应器的内侧面开设有用于喷射淬火水的喷水孔。

3.如权利要求1所述的直齿锥齿轮表面感应淬火方法，其特征在于，步骤（1）中，所述仿形感应器的外表面设有冷却水管。

4.如权利要求3所述的直齿锥齿轮表面感应淬火方法，其特征在于，步骤（1）中，所述仿形感应器的开口端对称焊接有两块汇流排。

5.如权利要求1~4任一项所述的直齿锥齿轮表面感应淬火方法在中频感应淬火、高频感应淬火和超音频感应淬火中的应用。