在現(xiàn)代機(jī)械各種各樣的傳動形式中，齒輪傳動應(yīng)用最為廣泛。齒輪傳動機(jī)構(gòu)即一對相同模數(shù)的齒輪相互嚙合將動力由甲軸傳送給乙軸，以完成動力傳遞。如圖 1 所示，齒輪傳動是靠齒與齒的嚙合進(jìn)行工作的。輪齒是齒輪直接參與工作的部分，故齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒上。主要的失效形式有輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面磨 損、齒面膠合以及塑性變形等，而熱處理的質(zhì)量將對齒輪的質(zhì)量和服役壽命起到?jīng)Q定性的作用。

圖 1 齒輪傳動示意圖

　　一、預(yù)處理組織對45號鋼齒輪表面淬火的影響

　　感應(yīng)淬火前選用合理的預(yù)處理工藝至關(guān)重要。由于感應(yīng)淬火的工藝特點(diǎn)，只能獲得表面的組織和硬度，這就需要一定的原始組織來保證零件在使用過程的最佳狀態(tài)。不同的原始組織和加熱速度對45號鋼相變臨界溫度 Ac3 的影響如圖 2 所示，可以看出，在相同的加熱速度下，由于原始組織的不同，其相變臨界溫度 Ac3 差異很大，其中原始組織為調(diào)質(zhì)組織時的相變溫度最低。

圖 2 原始組織和加熱速度對45號鋼相變臨界溫度 Ac3 的影響

　　用退火預(yù)處理得到原始組織為粗片狀珠光體及大塊狀鐵素體，經(jīng)表面感應(yīng)淬火后心部力學(xué)性能較差。用正火預(yù)熱處理得到的原始組織為珠光體及少量鐵素體，表面淬火后也能獲得較好的硬化層，但其心部力學(xué)性能比回火索氏體差。對45號鋼齒輪采用淬火+高溫回火的調(diào)質(zhì)預(yù)處理可以得到回火索氏體，回火索氏體組織中彌 散細(xì)小的碳化物顆粒均勻分布在鐵素體基體上，可以獲得最佳的強(qiáng)韌性匹配。之后進(jìn)行表面淬火時，表面可以在較低的溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，快速實(shí)現(xiàn)奧氏體均勻化，同時心部保持回火索氏組織。采用調(diào)質(zhì)預(yù)處理的齒輪可以通過表面淬火以獲得具有高硬度和良好耐磨性的表面硬化層，同時心部保留調(diào)質(zhì)態(tài)的綜合力學(xué)性能。因此，調(diào)質(zhì)預(yù)處理是45號鋼齒輪的最佳預(yù)處理工藝。

　　原始組織和加熱速度對45號鋼表面淬火溫度的影響如圖 3 所示，其中二區(qū)間為最佳范圍;一、三區(qū)間為允許范圍。在加熱速度確定時，原始組織細(xì)小的45號鋼齒輪時其淬火溫度工藝窗口較寬，同時淬火溫度下限較低，更有利于現(xiàn)場生產(chǎn)組織。

圖 3 原始組織和加熱速度對45號鋼表面淬火溫度的影響

　　二、感應(yīng)線圈形狀對45號鋼齒輪表面淬火的影響

　　感應(yīng)器是將高頻電流轉(zhuǎn)化為高頻磁場對零件實(shí)施感應(yīng)加熱的能量轉(zhuǎn)換器，直接影響零件表面淬火質(zhì)量和設(shè)備效率。感應(yīng)器結(jié)構(gòu)與感應(yīng)線圈形狀應(yīng)按齒輪的熱處理技術(shù)條件確定，能夠獲得所需的加熱區(qū)和加熱層，及獲得均勻的硬化層分布，力求加熱均勻，防止過熱、欠熱、加熱層厚薄不均等。

　　感應(yīng)線圈的截面形狀有各種類型，感應(yīng)加熱后熱形也不同，如圖 4 所示，矩形截面感應(yīng)圈較均勻，橢圓截面次之，圓形截面最差，感應(yīng)線圈截面形狀選取矩形為宜。

圖 4 不同截面形狀的感應(yīng)器 He 等同狀況下對熱形的影響

　　感應(yīng)器應(yīng)具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度和使用壽命，確保使用過程中不產(chǎn)生變形，同時避免加熱時因晃動擦碰齒輪產(chǎn)生電擊傷。

　　齒輪表面淬火感應(yīng)器力求簡單，選擇單匝感應(yīng)線圈，保持線圈冷卻暢通，如圖 5 所示。

圖 5 齒輪淬火用感應(yīng)加熱器示意圖

　　高頻感應(yīng)電流具有較高的表面效應(yīng)、鄰近效應(yīng)、環(huán)內(nèi)效應(yīng)的特性，感應(yīng)器形狀與齒輪加熱表面之間的間隙應(yīng)盡可能的小，間隙小就磁漏少，電效率就高。另一方面，感應(yīng)器加熱過程中由于交變磁場的作用，感應(yīng)器會上下左右晃動，直到工件完全奧氏體化失去磁性位置。在此階段，感應(yīng)器可能會與工件發(fā)生接觸，從而導(dǎo)致大電流瞬間從小的接觸面上通過，產(chǎn)生打火，從而燒傷工件和感應(yīng)器。因此，感應(yīng)器又不得不與工件保持適當(dāng)距離，以防止相互接觸燒傷，齒輪感應(yīng)加熱選用矩形截面單匝感應(yīng)圈形式的銅管為佳。

　　三、感應(yīng)加熱參數(shù)對45號鋼齒輪表面淬火的影響

　　感應(yīng)加熱表面淬火的使用頻率不同，可以分為超高頻(27 MHz)、高頻(200 ～ 250 kHz)、中頻(2 500 ～ 8 000 Hz)、工頻(50 Hz)等。由于電流頻率的 不同，加熱時感應(yīng)電流的透入深度不同。感應(yīng)加熱電流頻率與硬化層深度對應(yīng)關(guān)系如表 1 所示。

表 1 感應(yīng)加熱電流頻率與硬化層深度對應(yīng)表

　　超高頻透入深度極小，主要用于鋸齒、刀刃、薄件的表面淬火;高頻感應(yīng)透入深度約 0.5 mm，主要用于小模數(shù)齒輪和小軸類零件的表面淬火;中頻感應(yīng)透入深度約 5 ～ 10 mm，主要用于中、小模數(shù)齒輪、凸輪軸和曲軸類零件的表面淬火;工頻電流透入深度較大超過 10 mm，主要用于冷軋輥表面淬火。齒輪模數(shù)與感應(yīng)加熱頻率對應(yīng)關(guān)系見表 2。

表 2 齒輪模數(shù)與感應(yīng)加熱頻率對應(yīng)表

　　通過功率計算，得到設(shè)備必要的輸出功率，而設(shè)備輸出功率可以通過電氣參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

　　式中：P_s 為輸出功率，D 為零件直徑，H 為感應(yīng)器高度，N_g 為感應(yīng)器效率(取值范圍 0.75 ～ 0.85)，N_b 為淬火變壓器效率(取值范圍 0.75 ～ 0.85)。

　　在一定頻率下，感應(yīng)器的效率與零件直徑大小有關(guān)。齒輪直徑越大感應(yīng)器的效率越高，大直徑齒輪允許采用低頻率，而小直徑齒輪可采用高頻率。

　　不同的感應(yīng)加熱裝置在理想工作狀態(tài)下，陽極電流與柵極電流的比值為定值。100 kW 的高頻感應(yīng)加熱裝置的陽極電流與柵極電流之比為 7:1 ～ 10:1，60 kW 和 30 kW 的高頻感應(yīng)加熱裝置的陽極電流與柵極電流之比 為 5:1 ～ 10:1。在理想工作狀態(tài)下設(shè)備的輸出功率為

　　式中：P_s 為輸出功率，V_a 為陽極電壓，I_a 為陽極電流，N 為振蕩管數(shù)目。

　　通過理論計算后，還要經(jīng)過試淬進(jìn)行檢驗，以修正并最終確定感應(yīng)加熱參數(shù)。為確保加熱均勻，齒輪根據(jù)工件大小的不同，旋轉(zhuǎn)速度控制在 60 ～ 120 r/min。齒輪需要加熱的表面被感應(yīng)器包圍而快速升溫，加熱完成后通過噴淬或淬火液中浸淬進(jìn)行快速冷卻。

　　四、淬火溫度和冷卻方式對45號鋼齒輪表面淬火的影響

　　決定零件淬火后的組織和性能的主要因素是溫升速度和加熱溫度。感應(yīng)加熱的特點(diǎn)是加熱速度快，溫度超過 A1 ～ A3 點(diǎn)時，導(dǎo)磁率急劇下降，加熱速度減慢，實(shí)際溫升速度約 100℃ /s，比在爐中加熱速度快得多，因此感應(yīng)加熱遠(yuǎn)高于 A1 溫度時相變才結(jié)束。

　　感應(yīng)加熱溫升速度快，高溫持續(xù)時間短，不會發(fā)生晶粒長大，故感應(yīng)加熱溫度要高于普通淬火加熱溫度。45 號鋼在不同加熱速度下的淬火溫度與硬度關(guān)系如圖 6 所示，當(dāng)提高加熱速度時，高硬度區(qū)域變寬并轉(zhuǎn)向高溫，最適宜的淬火溫度范圍由 t1 ～ t2 區(qū)間提高至 t3 ～ t4 區(qū)間。45 號鋼齒輪的感應(yīng)加熱溫度一般控制在 900℃～ 950℃。

圖 6 45 號鋼不同加熱速度下淬火溫度與硬度關(guān)系

　　噴射冷卻是感應(yīng)加熱淬火的最常見冷卻方式。45號鋼齒輪可對全部面積進(jìn)行噴射冷卻淬火，冷卻時間可以通過計時控制，一般為 5 ～ 15 s。淬火液溫度、噴射壓力、冷卻時間可根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。對于 m < 3 mm 的齒輪為防止淬火后產(chǎn)生點(diǎn)狀裂紋及軟點(diǎn)，淬火冷卻時可采取工件旋轉(zhuǎn)式淬火。

　　五、回火工藝對45號鋼齒輪表面淬火的影響

　　齒輪感應(yīng)加熱淬火和普通淬火零件一樣，需要回火處理，其目的是為了降低齒輪脆性，提高韌性，減少應(yīng)力，防止變形、開裂，提高尺寸穩(wěn)定性，保證良好綜合的機(jī)械性能。

　　淬火后齒輪需在 2 h 內(nèi)回火處理，回火后硬度稍有下降，減少了內(nèi)應(yīng)力，防止和減少齒輪的變形和開裂。45 號鋼淬火齒輪表面硬度的影響如圖 7 所示。齒輪一般要求具有較高的硬度，故多采用低溫回火。45 號鋼感應(yīng)加熱表面淬火爐中回火規(guī)范如表 3 所示。

圖 7 回火溫度對 45 號鋼淬火齒輪表面硬度的影響

表 3 45 號鋼高頻感應(yīng)加熱表面淬火爐中回火工藝

　　六、45號鋼齒輪表面淬火后的硬度檢驗

　　感應(yīng)加熱表面淬火零件的硬度、硬化區(qū)、硬化區(qū)位置、硬化層深度必須符合圖紙的技術(shù)要求。硬化區(qū)尺寸測量標(biāo)準(zhǔn)采用金相法和硬度法。

　　1)金相法 從表面 100% 馬氏體測至 50% 馬氏體 + 50% 屈氏體為止。預(yù)先調(diào)質(zhì)齒輪硬化層深度由表面測至明顯索氏體處。表面硬度> 55 HRC 齒輪硬化層內(nèi)不允許有鐵素體，預(yù)先調(diào)質(zhì)硬度下限< 55 HRC 齒輪允許有少量鐵素體。

　　2)硬度法 由表面測量至硬化區(qū)邊界的硬度來確定硬化層的深度。45 號鋼齒輪對應(yīng)的硬化區(qū)邊界硬度值為 45 HRC。齒輪模數(shù) m ≤ 3 mm 的 45 號鋼齒輪，允許全齒硬化，齒底要求有≥ 0.5 mm 的硬化層，如圖 8 所示。

圖 8 45 號鋼 m ≤ 3 齒輪的硬化層

　　七、45號鋼齒輪淬火缺陷及防治方法

　　45 號鋼齒輪表面淬火缺陷位置如圖 9 所示，齒的齒面、齒頂、齒底及側(cè)面是缺陷的多發(fā)生處。45 號鋼齒輪高頻淬火時產(chǎn)生缺陷及防治方法見表 4。

圖 9 45號鋼齒輪表面淬火缺陷位置示意圖

表 4 45號鋼齒輪高頻淬火時產(chǎn)生缺陷及防治方法

　　八、小結(jié)

　　齒輪傳動是靠齒與齒的嚙合進(jìn)行工作。輪齒是齒輪直接參與工作的部分，故齒輪的失效主要發(fā)生在輪齒上。熱處理質(zhì)量的好壞將對齒輪的質(zhì)量和服役壽命起到?jīng)Q定性的作用。表面感應(yīng)加熱升溫速度快，能獲得細(xì)化的奧氏體晶粒。淬火后得到極細(xì)的馬氏體組織，再經(jīng)回火得到高度彌散的回火馬氏體組織。45號鋼齒輪通過表面淬火可以獲得具有高硬度和良好耐磨性的表面硬化層，同時心部保留良好的綜合力學(xué)性能。通過選取合理的淬火工藝參數(shù)，可以大幅降低45號鋼齒輪各類淬火缺陷，改善熱處理品質(zhì)，提高齒輪實(shí)物質(zhì)量和服役壽命。