摘要：風(fēng)電齒輪體積龐大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且在感應(yīng)加熱時(shí)存在端部效應(yīng)，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)齒廓及齒寬的均勻加熱，影響最終強(qiáng)化質(zhì)量.本文以平均溫度、最大溫差和相對溫度浮動(dòng)率作為加熱效果判定指標(biāo)，研究了風(fēng)電齒輪在掃描感應(yīng)加熱過程中沿齒廓及沿齒寬方向的溫度場，并對齒輪相變和淬硬情況進(jìn)行分析.研究發(fā)現(xiàn)，一定范圍內(nèi)的溫度均勻性在齒寬方向由齒頂至齒底逐漸提升，其原因在于齒形結(jié)構(gòu)厚度的劇烈變化.在穩(wěn)態(tài)位置經(jīng)感應(yīng)淬火強(qiáng)化的齒輪，齒廓方向淬硬層深度整體上幾乎與宏觀相變層深度保持一致，過渡區(qū)域相對較 窄.闡明了齒輪掃描感應(yīng)加熱的效果以及強(qiáng)化結(jié)果，為高性能鋼鐵材料在風(fēng)電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ).

　　近些年，風(fēng)電等清潔能源的快速發(fā)展對鋼鐵材料提出更高的要求. 由于風(fēng)電機(jī)組常服役于高山、低谷等風(fēng)能資源豐富但環(huán)境惡劣的地區(qū)，維護(hù)成本高昂，因此，保證其關(guān)鍵部件的可靠性尤為重要.風(fēng)電齒輪是風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的重要傳動(dòng)部件.感應(yīng)淬火技術(shù)作為一種金屬冶金加工有效的強(qiáng)化方式，憑借其清潔、高效的優(yōu)勢，對碳中和等產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生積極影響。

　　良好的溫度均勻性是獲得沿齒廓均勻分布的硬化層以及全齒寬均勻淬硬的前提，也是保障齒輪表面強(qiáng)化質(zhì)量的重要條件. 然而，目前齒輪的感應(yīng)淬火較難獲得理想的硬化層，齒根位置以及端面位置是熱處理的薄弱區(qū)域，容易產(chǎn)生軟點(diǎn)和淬火軟帶，風(fēng)電等重載齒輪更是如此，當(dāng)齒輪發(fā)生偏載時(shí)，輪齒的兩端未硬化區(qū)極易發(fā)生開裂失效. 因此，實(shí)現(xiàn)全齒寬硬化是提高齒輪使用性能的重要途徑. Lusgin 等在鑄鐵熔煉的多頻加熱中，改變現(xiàn)有低高頻電流功率的調(diào)節(jié)方法，實(shí)現(xiàn)對熔池加熱和金屬運(yùn)動(dòng)的靈活控制. 王寧等發(fā)現(xiàn)感應(yīng)加熱能夠明顯提高加熱速率，并有效解決在加熱過程中溫降的問題. Sung 等發(fā)現(xiàn)采用相鄰方向相反的兩種線圈均勻加熱工具鋼表面，可使表面具有更均勻的溫度分布. Kierepka 等利用雙頻諧振逆變器改變形狀不規(guī)則復(fù)雜元件的磁場穿透深度，從而達(dá)到控制加熱過程的目的. Min 等研究發(fā)現(xiàn)不同的材料性能參數(shù)對感應(yīng)加熱過程有著不同的影響;感應(yīng)焊管焊接生產(chǎn)中，受加熱參數(shù)影響，焊縫表面沿壁厚形成沙漏狀溫度場;橫向磁通感應(yīng)加熱可以有效加熱連鑄和熱軋之間的板坯表面，選擇合適的參數(shù)可使溫度分布更加均勻. Barglik 等將連續(xù)雙頻淬火 ( consecutive dual frequency induct harding，CDFIH)工藝應(yīng)用在齒輪的高頻節(jié)能輪廓淬火中，并提出數(shù)學(xué)模型能夠?qū)τ不瘻囟燃坝捕冗M(jìn)行有效預(yù)測，獲得齒輪的完全硬化區(qū)域的齒廓形狀. Barglik 等認(rèn)為短時(shí)高功率感應(yīng)加熱有利于提高齒面硬化層厚度均勻性. Su 等對一種新開發(fā)的兩步感應(yīng)加熱 ( double induction quenching，DIQ)方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行過 DIQ 處理的硬化層中存在陡峭的壓縮殘余應(yīng)變。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)越來越多被應(yīng)用于制造領(lǐng)域，用以解決傳統(tǒng)方式較難完成以及實(shí)驗(yàn)成本較高的工作與研究.感應(yīng)加熱的計(jì)算機(jī)仿真有助于明確工件內(nèi)的磁場、溫度場、功率分布等情況，進(jìn)而明確加熱區(qū)域溫度相關(guān)影響，建立經(jīng)驗(yàn)公式等.相較于實(shí)驗(yàn)方式，計(jì)算機(jī)仿真具有實(shí)施靈活、周期短的特點(diǎn)，并且可以探究實(shí)驗(yàn)較難發(fā)現(xiàn)的工件內(nèi)部演變情況.周丹等利用 ABAQUS 模擬軟件，準(zhǔn)確地預(yù)測球扁鋼感應(yīng)加熱過程中截面溫度場變化，并且預(yù)測結(jié)果可作為球扁鋼感應(yīng)加熱工藝參數(shù)優(yōu)化的參考;肖瑤等利用有限元軟件 ANSYS 以及專用焊接軟件 SYSWELD 進(jìn)行中頻組織場模擬，得出加熱后焊管焊縫附近的組織分布.將運(yùn)動(dòng)考慮在內(nèi)的感應(yīng)加熱有限元模型可以得到更精確的數(shù)值結(jié)果，通過計(jì)算機(jī)模擬仿真的方式進(jìn)行風(fēng)電齒輪感應(yīng)加熱過程預(yù)測與研究，有利于提升研究效率，降低成本.

　　然而，目前專門針對感應(yīng)加熱過程中金屬工件的溫度分布和變化的研究相對較少.實(shí)現(xiàn)齒輪等材料感應(yīng)加熱的精確控制，明確其存在的溫度分布形式及原因?qū)ιa(chǎn)精品鋼鐵具有積極意義.本文研究大模數(shù)風(fēng)電齒輪掃描感應(yīng)加熱沿齒廓和齒寬方向的溫度分布與溫度場均勻性，為研究全齒寬硬化提供了有效手段，為適應(yīng)未來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展對高端齒輪的需求提供理論參考.

　　一、有限元模型

　　本文以一風(fēng)電機(jī)組齒輪箱齒圈為仿真對象，齒輪模數(shù) m = 16，齒數(shù) z = 95，齒寬 b = 200 mm.所用感應(yīng)器為Π形感應(yīng)器，圖 1 為Π形感應(yīng)器電流走向和實(shí)體結(jié)構(gòu)，其中 h_π = 10 mm，d_mπ = 20 mm，h_π0 = 40 mm.冷卻采用在感應(yīng)器端部增加噴淋孔的方式，根據(jù)感應(yīng)器的實(shí)體結(jié)構(gòu)可以得到該熱處理過程的掃描速度為 3. 8 mm/s.掃描感應(yīng)淬火的電參數(shù)均為用示波器測量感應(yīng)線圈接線柱得到的，相關(guān)參數(shù)如表 1 所示.所用電源為 IGBT 晶體管變頻電源，額定輸出功率為 250 kW.

　　齒輪材料為 42CrMo，加熱時(shí)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度 AC1為 718 ℃，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的終了溫度 AC3為 775 ℃.感應(yīng)加熱過程中，材料的磁導(dǎo)率、電阻率決定了渦流產(chǎn)生的過程，熱導(dǎo)率、比熱容則決定了傳熱過程.針對這 4 個(gè)與溫度相關(guān)的重要物性參數(shù)，本模型采用查表法進(jìn)行非線性變化的計(jì)算.

　　圖 2 為∏形感應(yīng)器原理圖與齒輪的有限元模型.在中頻感應(yīng)加熱中，所用頻率為 6 000 Hz，計(jì)算得到波長為 5 × 10⁴ m，波長遠(yuǎn)大于所研究工件的幾何尺寸.本文采用∏形感應(yīng)器進(jìn)行感應(yīng)加熱，其工作原理如圖 2a 所示.感應(yīng)器的兩側(cè)形成一個(gè)完整的電流環(huán)，感應(yīng)器放置于兩齒之間，在齒輪上產(chǎn)生相應(yīng)的渦流區(qū).為了確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性同時(shí)節(jié)省計(jì)算成本，對齒輪進(jìn)行如圖 2b 所示的網(wǎng)格劃分.將滲透層中的網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)劃分，并在加熱層與基體之間添加過渡層.由于加熱時(shí)感應(yīng)器靠近輪齒表面，在掃描加熱過程中很難準(zhǔn)確測量到加熱表面溫度，故采用感應(yīng)淬火相變層深度測量實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該動(dòng)態(tài)仿真過程.

　　在此工藝參數(shù)下，掃描至齒寬中部加熱穩(wěn)定狀態(tài)的相變層宏觀形貌如圖 3 所示，以感應(yīng)器完全駛?cè)臊X輪開始計(jì)算，所截取齒輪截面位置為距離駛?cè)攵嗣?100 mm 處.其中，δ_m ，δ_rl，δ_e，δ_rr分別表示側(cè)向齒廓、左側(cè)齒根圓角、齒根中部，以及右側(cè)齒根圓角處的最小相變層深度.

　　位置不同，相變層深度也不同.側(cè)向齒廓位置與齒根處相變層距離分別達(dá)到 3 mm 與 2 mm，深度分別為 δ_m =3. 38 mm， δ_e = 2. 10 mm.而兩側(cè)齒根圓角位置，相變層深度則分別為 δ_rl = 1. 65 mm，δ_rr = 1. 40 mm.左右兩側(cè)齒根圓角處相變層深度不一致，主要原因在于執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行偏差，導(dǎo)致感應(yīng)器與兩側(cè)齒廓間隙存在誤差從而使加熱結(jié)果產(chǎn)生差異.同時(shí)，由于感應(yīng)器噴淋孔的結(jié)構(gòu)不能夠保證完全對稱導(dǎo)致冷卻的不同，也會(huì)影響相變的結(jié)果.

　　在沿齒溝逐齒感應(yīng)淬火中，端部淬火質(zhì)量較薄弱.圖 4 所示為試件的不同位置截面，齒輪端面為起始位置，l₁ ，l₂ ，l₃ ，l₄ 分別表示相應(yīng)截面與齒輪端面的距離，其中，l₁ = 5 mm，l₂ = 10 mm，l₃ = 15 mm，l₄ = 20 mm.運(yùn)動(dòng)參數(shù)引入后，將使加熱過程發(fā)生改變，因而需再次對模型進(jìn)行驗(yàn)證與修正.齒輪端部的冷卻在整個(gè)齒寬處理中屬于較佳區(qū)域，而加熱結(jié)果較差.因此取 l₁ 處截面位置進(jìn)行分析，該位置冷卻充分使組織保存良好.

　　對試件打磨拋光后，使用 4% 硝酸酒精溶液腐蝕表面，獲得如圖 5a 所示相變層形貌.對修正后模型的計(jì)算結(jié)果，截取相同位置的溫度場，獲取圖 5b 所示云圖.結(jié)果顯示，側(cè)向齒廓位置相變層深度顯著大于齒根及圓角處.齒輪材料 42CrMo 的相變起始溫度為 718 ℃，以此為判據(jù)測量仿真云圖中的加熱層深度.齒廓方向不同位置的加熱層深度及相變層深度如表 2 所示.

　　圖 5a 及表 2 均顯示，實(shí)驗(yàn)獲得的相變層具有顯著的偏移現(xiàn)象，而仿真結(jié)果則具有良好的對稱性.設(shè)備運(yùn)行偏差在齒輪端部位置的影響尤其劇烈.因此將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)兩側(cè)對應(yīng)位置的平均值，作為分析數(shù)據(jù).在此，齒頂?shù)南嘧儗由疃葹?4. 65 mm，中部相變層深度為 6. 15 mm，左側(cè)齒根圓角相變深度為 1. 60 mm，齒根相變層深度為 2. 50 mm.仿真結(jié)果與此相比，齒頂位置偏差 5. 38% ，中部位置偏差 7. 30% ，齒根圓角處偏差 0% .而齒根處偏差較大，達(dá)到 66. 60% ，這是由于感應(yīng)器為圖 1b 所示結(jié)構(gòu)，引發(fā)的冷卻不足所導(dǎo)致的.綜上認(rèn)定，本文所建立的風(fēng)電齒輪移動(dòng)感應(yīng)加熱模型可以進(jìn)行相關(guān)研究.

　　二、移動(dòng)加熱效果分析

　　在齒輪的逐齒掃描感應(yīng)加熱中，齒輪兩側(cè)端部位置及中間部位的溫度分布及演化過程存在較大差異.對齒輪端部及中間位置的齒廓方向溫度分布，以及齒寬方向上的溫度場進(jìn)行研究，揭示移動(dòng)加熱的效果.為加熱質(zhì)量的預(yù)測以及工藝優(yōu)化提供了參考依據(jù).

　　相對溫度浮動(dòng)率分析

　　在風(fēng)電齒輪的移動(dòng)感應(yīng)加熱過程中，由于感應(yīng)器為上下兩層線圈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致同一位置先后經(jīng)歷了預(yù)熱與加熱兩個(gè)過程.同時(shí)，在輸入功率與頻率一定的情況下，齒輪的表面溫度可反映一定深度內(nèi)的加熱溫度.因此，對于不同的分析截面，獲取整個(gè)加熱過程中表面上各位置的最高溫度記為 “綜合溫度”，以綜合溫度作為判定加熱效果的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

　　對于齒廓方向，根據(jù)齒輪的特殊幾何結(jié)構(gòu)，建立由齒頂中點(diǎn)為起點(diǎn)，沿齒輪表面終止于齒根中點(diǎn)的路徑.所建立的路徑位于圖 4 所示的取樣截面上.以平均溫度與路徑上的最大溫度差 Δtmax作為加熱結(jié)果判定指標(biāo)，其數(shù)據(jù)來源于節(jié)點(diǎn)上的綜合溫度.

　　對于齒寬方向，由于齒根位置加熱狀態(tài)相對穩(wěn)定，因此對側(cè)向齒廓的溫度加熱結(jié)果進(jìn)行分析.建立如圖 6 所示的路徑，因加熱過程中的對稱性，選取一側(cè)齒廓作為研究對象.圖 6 所示的路徑位 于齒輪的一側(cè)齒廓表面，LA - LA ，LB - LB，LC - LC 三條分析路徑均與齒頂?shù)睦膺吰叫?路徑完整地貫穿齒輪兩側(cè)，起于齒輪端面，經(jīng)過側(cè)向齒廓，終于另一端面.

　　對于齒寬方向上的溫度分布，除經(jīng)綜合溫度計(jì)算的平均溫度 及最大溫度差 Δt_max外，引入相對溫度浮動(dòng)率 U_t 作為另一判斷指標(biāo).U_t 的定義 如式(1)所示.路徑在齒寬中間部分的數(shù)據(jù)點(diǎn)選取數(shù)量，與兩側(cè)端部的數(shù)量相同.相對溫度浮動(dòng)率 U_t 的數(shù)值越大，則表示齒輪兩端與中部的差距越大，溫度在齒寬方向上的溫度分布均勻性越差.

　　式中：t_max為齒寬路徑上的溫度最高值;t_min為齒寬路徑上的溫度最低值.

　　入口端加熱效果分析

　　圖 7 為截面齒廓方向溫度變化.以圖 4 所示取樣位置，獲取完整加熱過程中每個(gè)齒廓上節(jié)點(diǎn)的綜合溫度.齒輪入口端部位置的綜合溫度分布如圖 7a 所示.在 l₁ = 5 mm 截面位置，齒廓側(cè)邊的綜合溫度顯著高于其他截面，而齒根處溫度則低于其他截面.原因在于齒輪端部具有的棱邊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致邊部磁場集中，同時(shí)向外傳熱較小.而對于齒根及附近位置，由于 l₁ = 5 mm 截面距離端面較近，使得此處磁力線逸散嚴(yán)重.在 l₂ = 10 mm 截面到 l₄ = 20 mm 截面位置，最高溫度產(chǎn)生于齒根處，而齒根圓角位置溫度則相對較低.原因則在于導(dǎo)磁體的驅(qū)磁作用使齒根磁力線集中，同時(shí)因?qū)Т朋w的缺口，使得圓角附近的磁力線較少.

　　以圖 7a 中溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算得到不同截面的平均溫度與最大溫度差 Δt_max結(jié)果如圖 7b 所示.在 l₁ = 5 mm 截面處的平均溫度顯著高于 l₂ = 10 mm 至 l₄ = 20 mm 截面處.由 l₂ = 10 mm 向l₄ = 20 mm 截面位置靠近，平均溫度有小幅度的升高.最大溫度差 Δt_max則先略有降低，而后顯著升高.原因在于，齒輪的棱邊使得靠近其位置截面的平均溫度明顯更高.隨著位置由 l2 = 10 mm 截面繼續(xù)深入，區(qū)域的保溫效果較好，導(dǎo)致平均溫度略有上升.

　　對于遠(yuǎn)離齒輪端面的 l2 = 10 mm 截面和 l4 = 20 mm 截面，不同位置的加熱深度如表 3 所示.其中，δt，δm，δr，δe 分別表示齒頂、齒側(cè)、齒根圓角以及齒根的加熱深度.在不同截面中，齒根圓角處均為深度最小位置.在加熱達(dá)到運(yùn)動(dòng)穩(wěn)態(tài)之前，隨著遠(yuǎn)離齒輪端面，加熱深度逐漸降低.齒根圓角處不但是強(qiáng)化的薄弱區(qū)域，同時(shí)還是加熱的薄弱區(qū).

　　穩(wěn)態(tài)齒廓加熱效果分析

　　感應(yīng)器運(yùn)動(dòng)至齒輪中部達(dá)到加熱穩(wěn)態(tài)時(shí)，任一截面在一個(gè)完整的感應(yīng)器掃描加熱歷程中，其加熱過程皆相同.因此，對于加熱穩(wěn)態(tài)，只需選取一截面進(jìn)行分析.截面上的綜合溫度分布如圖 8 所示.

　　在整個(gè)加熱歷程中，截面的溫度最大值出現(xiàn)在齒根位置.整個(gè)截面上的平均溫度 為995. 9 ℃，最大溫度差 Δt_max達(dá)到 194 ℃.穩(wěn)態(tài)位置截面遠(yuǎn)離齒輪端面，最低溫度由 890 ℃上升為 914 ℃，而最高溫度幾乎維持不變.914 ℃ 產(chǎn)生于第二層線圈掃描加熱時(shí)，原因在于穩(wěn)態(tài)位置時(shí)感應(yīng)器運(yùn)動(dòng)的后方和前方溫度整體較高，同時(shí)前方未加熱區(qū)域熱梯度降低.

　　當(dāng)感應(yīng)器運(yùn)動(dòng)達(dá)到加熱穩(wěn)態(tài)時(shí)，溫度場三維等值面情況如圖 9 所示.齒根部分的高溫區(qū)域覆蓋范圍顯著高于齒側(cè)位置.同時(shí)，雖然高溫區(qū)域達(dá)到穩(wěn)定的加熱狀態(tài)，但較低的溫度范圍仍存在明顯的向齒端滯后的現(xiàn)象.滯后現(xiàn)象持續(xù)的時(shí)間隨等溫線下限的降低而不斷延長.

　　在加熱深度方向，生熱情況將反向影響加熱結(jié)果，齒輪內(nèi)部對應(yīng)位置與表面溫度的差值是最直接的體現(xiàn).圖 10 為深度方向溫度圖，如圖 10a 所示分別在齒頂、齒中、齒根以及齒底位置取分析節(jié)點(diǎn)，計(jì)算表面與內(nèi)部溫度差，取樣深度為 3 mm.D₁ - D₁、D₂ - D₂、D₃ - D₃ 及 D₄ - D₄ 位置的溫度差值隨時(shí)間變化如圖 10b 所示.其中，起始時(shí)間為截面出現(xiàn) 870 ℃高溫區(qū)域時(shí)。

　　如圖 10b 所示，齒根位置 D₄ - D₄，齒根圓角位置 D₃ - D₃ 的內(nèi)外溫度場 Δt隨著溫度的升高而穩(wěn)步降低.原因在于兩處位置對應(yīng)的感應(yīng)器連續(xù)，加熱始終連續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，持續(xù)的加熱使溫度越來越均勻.D₃ - D₃ 處的溫差波動(dòng)幅度最大，達(dá)到 79. 5%.齒頂 D₁ - D₁ 的表面與內(nèi)部溫差首先升高，而后逐漸降低.原因則在于初始加熱時(shí)能量在表面集中，而隨著加熱進(jìn)行，劇烈的感應(yīng)加熱層不斷向內(nèi)移動(dòng).而側(cè)向齒面中部的 D₂ - D₂ 位置，由于感應(yīng)器在齒寬的不連續(xù)，導(dǎo)致溫度差 Δt 發(fā)生起伏.同時(shí)，由于感應(yīng)器側(cè)邊結(jié)構(gòu)在齒寬方向上的不連續(xù)，導(dǎo)致掃描加熱過程與靜態(tài)產(chǎn)生差異.因此，側(cè)向齒廓溫度有所降低.

　　齒寬加熱效果分析

　　風(fēng)電齒輪的掃描感應(yīng)強(qiáng)化，全齒寬高質(zhì)量淬硬始終是風(fēng)電齒輪熱處理的技術(shù)難題.優(yōu)異的加熱質(zhì)量是獲取高質(zhì)量強(qiáng)化結(jié)果的前提，因此采用如圖 6 所示分析路徑，以綜合溫度作為分析溫度，對齒寬方向的加熱效果進(jìn)行分析，以期為齒寬方向加熱質(zhì)量的提升提供研究基礎(chǔ)與依據(jù).

　　圖 11 分布.其中為在齒寬方向上 3 條路徑的綜合溫度，入口端表示感應(yīng)器駛?cè)胛恢玫凝X輪端面，出口端表示感應(yīng)器駛出位置齒輪的端面，圖中橫坐標(biāo)表示與入口端之間的距離.3 條分析路徑在齒寬中部的溫度分布較為平穩(wěn)，而在兩端面溫度有顯著變化.在距離兩端面 15 mm 附近位置，溫度有顯著的降低，繼續(xù)遠(yuǎn)離則稍有回升.齒輪端面的棱邊結(jié)構(gòu)，是其溫度更高的直接原因.而熱量的向內(nèi)快速傳遞，則導(dǎo)致銜接處溫度較低.并且由于感應(yīng)器掃描加熱過程中，齒輪中熱量向其前方位置傳遞，導(dǎo)致端部溫度更早到達(dá)居里點(diǎn)溫度，因此 3 條路徑上出口端的溫度均低于入口端位置溫度.

　　綜合溫度的最大溫度差在 L_A - L_A 路徑上達(dá) 到 133 ℃，L_B - L_B 路徑上為 121. 11 ℃，L_C - L_C 路徑上為 86 ℃.由此可見，齒形幾何結(jié)構(gòu)在端面對加熱結(jié)果的影響貫穿整個(gè)加熱過程.L_A - L_A ，L_B - L_B，L_C - L_C 3 條路徑上的溫度浮動(dòng)率分別為 14. 3% ，12. 1% 以及 8. 3%.因此，齒寬方向上的加熱溫度結(jié)果，受齒形位置的影響較大.在齒側(cè)位置沿著齒寬方向，由齒頂向齒根方向的溫度均勻性不斷提升，原因在于齒形結(jié)構(gòu)厚度的劇烈變化.

　　三、感應(yīng)強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)研究

　　經(jīng)感應(yīng)加熱的齒輪，再經(jīng)過急冷處理，將使其表層被強(qiáng)化，能夠極大地提升現(xiàn)有性能.在冷速達(dá)到臨界冷卻速度且冷卻充分的情況下，所獲得的相變層與加熱溫度層能夠較好地貼合.因此高溫區(qū)域溫度場邊界，可表示理想冷卻條件下的感應(yīng)加熱淬火強(qiáng)化層.而對于淬硬深度，則根據(jù) GB/ T 5617—2005 規(guī)定，淬硬深度處極限硬度為零件表面所要求的最低硬度的 0. 8 倍.本節(jié)分別對齒輪相變情況，以及實(shí)際淬硬情況進(jìn)行分析并觀察組織成分，以明確最終強(qiáng)化結(jié)果.本實(shí)驗(yàn)中齒輪的表面硬度目標(biāo)值為 HRC58 ～ 62.

　　相變層深度分析

　　不同截面位置的相變層變化如圖 12 所示.在各個(gè)截面位置，齒根圓角處的相變層深度均為最低.在靠近齒輪端部位置的 l₁ = 5 mm 截面層，齒側(cè)中部相變層深度變化平緩，這與加熱結(jié)果及冷卻過程相契合.而隨著遠(yuǎn)離端面，相變層發(fā)生較快改變，中部位置相變層深度發(fā)生顯著收縮.至 l₄ = 20 mm 截面時(shí)，相變層達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).而齒根及圓角處，隨著遠(yuǎn)離端面，由于設(shè)備運(yùn)行偏差導(dǎo)致的影響降低.

　　而遠(yuǎn)離端面位置的側(cè)向齒廓中部，加熱狀態(tài)相對穩(wěn)定，同時(shí)冷卻狀態(tài)相對穩(wěn)定，因而產(chǎn)生相似的相變形貌.在齒側(cè)中部位置，最高溫度相對較低并且高溫持續(xù)時(shí)間更短，因而深度下降.而齒頂?shù)睦膺吔Y(jié)構(gòu)，則會(huì)導(dǎo)致加熱深度更大.同時(shí)結(jié)合感應(yīng)器下方冷卻結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生圖 12 所示的結(jié)果。

　　圖 13 為不同模數(shù)的齒輪逐齒感應(yīng)淬火后的相變層形貌. 圖 13a 中齒輪模數(shù)為 14，圖 13b 齒輪模數(shù)為 20.兩齒輪側(cè)向齒廓靠近齒頂中上的位置，均如圖 12 中存在相似的相變層深度減小現(xiàn)象，圖 13a 中的減小現(xiàn)象相較于圖 13b 中的減小現(xiàn)象更為明顯.同時(shí)隨著模數(shù)增大，齒根及齒根圓角位置的相變層深度發(fā)生明顯的降低.

　　將模數(shù)為 16 的齒輪側(cè)向齒廓最小相變層深度 δ_m 繼續(xù)細(xì)化為左側(cè)最小相變層深度 δ_ml，以及右側(cè)最小相變層深度 δ_mr。l₁ 至 l₄ 截面位置，其各處的相變層深度數(shù)值如表 4 所示.左側(cè)齒廓相變層深度在 l₁ = 5 mm 時(shí)較大，達(dá)到了 δ_ml = 5. 80 mm.其余位置穩(wěn)定在 3. 40 mm 附近，變化率 為 43. 1% .同樣，右側(cè)齒廓的相變層深度 δ_mr 由 3. 30 mm 逐漸降低至 2. 90 mm.而齒根處以及兩側(cè)齒根圓角位置，相變層深度則不斷增加.δ_rl 由 1. 16 mm 增加至 1. 83 mm，δ_e 由 1. 50 mm 增加至 2. 30 mm 附近，δ_rr由 0. 51 mm 增加至 1. 48 mm 附近.然而，在此參數(shù)進(jìn)行模數(shù) 16 齒輪的感應(yīng)處理時(shí)，齒根及圓角位置硬化層與加熱結(jié)果不完全匹配，原因在于感應(yīng)器冷卻結(jié)構(gòu)導(dǎo)致齒輪對應(yīng)位置的冷卻不足.

　　金相組織

　　圖 14 為實(shí)驗(yàn)齒輪的金相組織照片.圖 14a 顯示 42CrMo 的原始組織為片狀珠光體和鐵素體組織.圖 14b 為經(jīng)感應(yīng)淬硬后的金相組織，經(jīng)感應(yīng)淬火后形成板條狀馬氏體組織.

　　硬度分布

　　硬度是判斷齒輪淬火強(qiáng)化結(jié)果的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在硬化層內(nèi)應(yīng)獲得相對均勻的硬度分布.測量硬度的硬度計(jì)為 TMHV - 30Z 維氏硬度計(jì)，硬度計(jì)通過接口與計(jì)算機(jī)連接，測量得到的數(shù)據(jù)可以 直接在計(jì)算機(jī)上轉(zhuǎn)換成洛氏硬度并讀取.為研究齒廓及深度方向的淬硬效果，建立圖 15 所示的 5 條分析路徑進(jìn)行顯微硬度測定.其中路徑 HL₁ - HL₁ 與齒廓平行，距離為 0. 5 mm. 路徑HL₂ - HL₂ 與齒頂邊界平行，距離為 1. 35 mm.路徑 HL₃ - HL₃、HL₄ - HL₄ 為與側(cè)向齒廓垂直向內(nèi)的路徑，與齒頂距離分別為14. 5 mm 和29 mm.HL₅ - HL₅ 為與齒根中心位置垂直向內(nèi)的路徑.

　　圖 16 為側(cè)向齒廓 HL₁ - HL₁ 路徑與齒頂 HL₂ - HL₂ 路徑的硬度分布.齒廓 HL₁ - HL₁ 路徑硬度幾乎全部達(dá)到 58HRC 以上，符合硬度要求，并且硬度數(shù)值變化相對較小. HL₂-HL₂ 路徑上，硬度在距離齒廓 5 mm 以內(nèi)相對穩(wěn)定，維持在較高數(shù)值.齒頂淬硬深度約為 6. 5 mm，小于相變層深度(7. 45 mm).

　　垂直于齒輪齒面的 HL₃ - HL₃ 至 HL₅ - HL₅ 路徑上的硬度分布如圖 17 所示.在 HL₃ - HL₃ 路徑上，硬化層內(nèi)硬度較為穩(wěn)定，在交界處硬度有顯著降低.在 HL₄ - HL₄ 路徑上的硬度從齒廓向內(nèi)較均勻地降低，同樣在齒根位置 HL₅ - HL₅ 路徑上的硬度分布有相同的趨勢.

　　四、結(jié)論

　　1) 在入口端距離齒輪端面不同位置，溫度分布具有顯著差異，平均溫度與最大溫度差同樣具有明顯的波動(dòng)情況.

　　2) 在齒寬方向中間部位達(dá)到加熱穩(wěn)態(tài)，側(cè)向齒面在整個(gè)齒寬方向由齒頂至齒底的溫度均勻程度不斷提升，溫度偏差率最大可降低 6%.

　　3) 在穩(wěn)態(tài)位置經(jīng)感應(yīng)淬火強(qiáng)化齒輪的齒廓方向，淬硬層深度整體上幾乎與宏觀相變層深度保持一致，過渡區(qū)域相對較窄.淬硬區(qū)形成細(xì)小的馬氏體組織，在相變交界區(qū)域存在明顯的過渡性組織結(jié)構(gòu).

　　參考文獻(xiàn)略.