齒輪單齒感應淬火工藝的關鍵技術為感應淬火過程的能量精確控制、感應器的結構設計及制造，文章基于長期的工藝應用經驗，通過調整感應器與齒廓的間隙并對間隙進行精確控制、優(yōu)化感應頻率及感應器掃描速度、增加齒頂區(qū)域介質噴淋量等，有效降低了齒頂鄰齒回火程度以及提高齒頂兩側的有效硬化層分布均勻性; 根據(jù)齒輪的服役情況，提出了鄰齒回火的可接受標準，為工藝人員的工藝方案設計提供一定的參考標準。

　　感應加熱淬火是熱處理的重要工藝之一，具有加熱速度快、局部加熱、節(jié)能、清潔、易于實現(xiàn)機械化及自動化等特點，同時能夠提升產品耐磨性、硬度以及強度等性能。根據(jù)美國熱處理技術路線圖和我國感應熱處理技術路線圖，感應淬火是未來表面硬化的重要發(fā)展方向。目前感應淬火已經廣泛應用在汽車、農機、工程機械、冶金、機床以及軌道交通等行業(yè)，如日本對于中模數(shù)的地鐵、城軌牽引齒輪均采用整體雙頻感應淬火技術制造。當齒輪類產品具有仿齒輪輪廓的淬硬層時，齒輪具有最優(yōu)的使用壽命，單齒連續(xù)感應淬火能夠實現(xiàn)小功率電源對大規(guī)格齒輪的淬火，并且具有較好的齒形仿形率。但根據(jù)實際生產經驗，模數(shù) Mn≤10 mm 的中小模數(shù)齒輪由于齒形相對較小，按照目前的設計及制造工藝，一方面，在淬火過程中，很難避免鄰齒回火現(xiàn)象的發(fā)生，無法做到全齒廓淬硬，導致硬化層仿形率減小，齒輪壽命降低; 另一方面制作單齒感應器也具有一定的難度，常規(guī)感應器制造工藝很難保證感應器的加工精度。

　　本文對一系列 Mn≤10 mm 的中小模數(shù)齒輪的現(xiàn)有感應器制造方式進行了優(yōu)化，并應用于 Mn = 5.5 mm 的典型小模數(shù)齒輪的感應淬火工藝中，通過工藝過程的調整，試驗效果良好，有效解決了鄰齒回火問題，在一定程度上擴大了單齒連續(xù)感應淬火工藝的應用范圍。

　　一、單齒感應淬火工藝應用于中小模數(shù)齒輪中的鄰齒回火現(xiàn)象

　　為了使齒輪輪齒表面在短時感應電流下獲得很薄的奧氏體層，必須把該薄層加熱至 860 ～ 950 ℃，雖然淬火介質帶走很多的熱量，但還是有很大一部分熱量傳導到輪齒的內部。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廓均勻淬硬的前提，也是保證齒輪表面強化質量的重要條件，如果不能控制輪齒的溫度梯度，傳到相鄰的已硬化齒面的熱量則足以使該面軟化，被稱為“鄰齒自回火”。通常情況下，相比于齒頂，在半齒高區(qū)域的齒部區(qū)域熱容量相對較高，熱量不容易聚集，雖然該區(qū)域的溫度會升高 30 ～ 40 ℃，并持續(xù) 1 s 左右，但該溫度低于最終回火溫度，因此不會存在明顯軟化現(xiàn)象。自回火主要發(fā)生在齒頂部區(qū)域，因為這個部位的截面(齒頂寬度) 較薄，熱量聚集導致齒頂溫度遠超過最終回火溫度。

　　某型號地鐵齒輪及動車齒輪，兩種齒輪參數(shù)及有效硬化層深度要求如表 1 所示。

　　對地鐵齒輪單齒感應淬火首批試制后的齒輪進行解剖分析，硬化層如圖 1 所示，齒塊的有效硬化層和硬度檢測結果如表 2 所示，齒頂硬化層曲線如圖 2 所示。對于小模數(shù)的地鐵齒輪，采用單齒感應淬火，感應加熱時熱量容易傳遞到鄰齒，齒頂一側硬化層被回火，出現(xiàn)明顯的鄰齒回火現(xiàn)象，如圖 3 所示，齒頂部位主要為屈氏體及少量馬氏體組織，導致節(jié)圓部位兩側的表面硬度差達到 5 ～ 8 HRC，齒頂兩側的硬度差達到了 15 ～ 20 HRC，一側齒頂完全沒有有效硬化。

　　動車齒輪感應淬火后的檢測結果如圖 4 和表 3 所示，圖 5 為齒頂兩側硬化層曲線。該齒輪單齒感應淬火后，節(jié)圓兩側有效硬化層深滿足要求，齒根偏淺，須進一步調整齒根部位感應器與齒槽底部的間隙。從齒頂兩側層深及表面硬度來看，該齒輪壓力角較大，由于齒頂寬度較小，采用單齒掃描淬火，同樣出現(xiàn)鄰齒回火現(xiàn)象，導致齒頂一側硬化層被回火，表面硬度值低于界限硬度，出現(xiàn)未見硬化層的現(xiàn)象。

　　二、單齒感應器設計優(yōu)化

　　在齒輪單齒感應器中，感應器的上導線負責對齒溝兩側齒面的預熱，下導線負責將齒溝兩側齒面加熱至淬火溫度，感應器中間的“鼻尖”區(qū)域負責對齒根的加熱，如圖 6 所示。因此，合理匹配感應器空間對獲得理想的硬化層分布十分重要。常規(guī)感應器上導線、導磁體、下導線的空間占比為 1∶ 1∶ 1，感應渦流的匹配并不合理，導致齒輪硬化層仿形率低。導磁體的作用為通過本身形成磁通路，在感應器線圈外部限定范圍內引導感應器線圈內的磁通量，從而回避或者顯著降低感應器周圍導體中因電磁感應而產生的熱量。通過不斷的工藝試驗，最終確定以上兩種被試齒輪感應器空間占比為上導線∶ 導磁體∶ 下導線 = 9.5∶ 11∶ 9.5 的結構，并選用冷軋取向硅鋼片作為導磁體材料。

　　單齒感應器全部采用計算機模擬設計，在管道設計中采用三維建模，在設計過程中就能考慮到實際制作中可能產生的問題。在制作中，感應器的成型步驟最大限度地減少了人為因素，保證了感應器的機械精度; 采用了精確配對的燕尾楔形槽設計，保證了焊接定位的精度，提高了感應器的加工質量。

　　三、單齒感應淬火工藝優(yōu)化

　　齒輪感應淬火中由于齒輪模數(shù)與電源頻率及感應器與齒廓的匹配不當而使齒輪根部未得到有效硬化，齒輪的彎曲疲勞強度會大大降低。在對中小模數(shù)齒輪進行單齒感應淬火處理時，除非齒頂部位產生的熱量和熱傳導過來的熱量都能得到控制，否則齒輪的質量將受到嚴重的影響，只有正確定位淬火介質側噴淋的位置才能對自回火進行有效的控制。側噴淋應緊靠著相鄰齒面的齒頂邊緣，使淬火介質充分冷卻鄰齒齒側面。因為只要一個齒面進行感應加熱，幾乎同時，其相鄰齒面特別在齒頂處就會獲得熱量。因此，側噴淋應隨感應器位置同高，一起移動。在半齒高處熱量通過齒寬傳導至相鄰齒面需要較長的時間，因此，半齒高處鄰齒齒面溫度的峰值會滯后于感應器移出時間。

　　為了有效地防止自回火，側噴淋應采取加大噴淋流量和噴淋面積。另一個控制自回火的方法是改變工件與感應器在齒頂處的間隙，通過把感應器的一側進行適當修正，減小感應器局部的效率，以減小齒頂區(qū)域的能量，則其向對側齒頂擴散的熱量也會相應降低，最終達到控制鄰齒自回火的目的。

　　感應淬火工藝參數(shù)主要有: 電源頻率，電源功率，感應器與齒根、節(jié)圓、齒頂部位的間隙，感應器沿齒槽掃描速度。

　　上述地鐵齒輪，其目標有效硬化層深度為 1.6 ～ 3.0 mm( 界限硬度 448 HV1) ，因為齒輪模數(shù)相對較小，為防止鄰齒回火現(xiàn)象，盡量采用較高的頻率，并提高掃描速度。感應器與齒輪輪廓的間隙對淬火工藝質量也有顯著影響: 間隙過大，感應器的效率較低，加熱速度慢，淬火層的深度較深; 間隙偏小，感應器的效率各個部位會不一致，局部加熱速度快，形成高溫區(qū); 同時間隙參數(shù)確定不適當，會造成加熱不均勻，淬火應力提高，淬裂傾向加大。通過反復的工藝試制調整，采用工藝參數(shù)如表 4 所示，間隙如圖 7 所示，感應淬火后的宏觀硬化層如圖 8 所示，硬化層檢測結果如 表 5 所示，齒頂兩側的硬化層曲線如圖 9 所示。

　　動車齒輪目標有效硬化層深度為 1.8 ～ 3.2 mm ( 界限硬度448 HV1) ，通過反復的工藝試制調整，最終確定工藝參數(shù)如表 6 所示。

　　感應后的齒輪宏觀硬化層如圖 10 所示，硬化層檢測結果如表 7 所示，齒頂兩側硬化層曲線如圖 11 所示。

　　由自回火引起的輕微軟化是不可避免的，也是允許的，只要軟化區(qū)很小，且硬度值不低于 48 HRC，比未受自回火影響的表面硬度減小不超過 10 HRC，則是可以接受的。如果要處理的齒輪在工作時是單面嚙合的，那么感應淬火時應使發(fā)生自回火的齒側面為非嚙合面。

　　四、單齒感應淬火工藝在中模數(shù)重載齒輪中的應用

　　采用以上方式設計、制造某重載機車齒輪單齒感應器，該齒輪參數(shù)為: 模數(shù) Mn = 9 mm，壓力角 α = 25°，螺旋角 β = 0°，齒頂寬度 8 mm，齒輪外徑 φ759. 5 mm。該齒輪模數(shù)及齒頂寬度相對較大，如果仍采用較大的頻率、掃描速度，則會導致硬化層深度不足以及齒根未得到有效硬化等問題。齒輪感應淬火中如果由于齒輪模數(shù)與電源頻率及感應器與齒廓的匹配不當而使齒輪根部未得到有效硬化，齒輪的彎曲疲勞強度會大大降低，因此并不能為了減輕鄰齒回火程度而降低齒廓所獲得能量。通過反復試驗，調整試驗參數(shù)為: 電流 155 A，電壓 262 V，功率 36 kW，頻率 9.7 kHz，感應器掃描速度控制在 220 ～ 280 mm /min，使用 15% 的水基聚合物淬火介質。淬火后解剖齒輪，硬化層效果如圖 12 及表 8 所示。

　　從圖 12(a) 中可以看出，使用該結構的感應器能獲得沿齒廓均勻分布的硬化層。感應器的結構設計良好，在齒頂處兩側硬化層并沒有連接到一起，說明沒有發(fā)生鄰齒回火，使得兩側的硬度一致性程度高。圖 12(b) 和(c) 中，沿齒寬方向節(jié)圓和齒根的硬化層分布均勻，并且在齒輪齒根距端面 10 mm 的范圍內硬化層均在 1 mm 以上。該齒輪模數(shù)相對較大，齒頂較厚，在感應器設計合理的前提下，可以控制幾乎沒有鄰齒回火現(xiàn)象發(fā)生。

　　五、結論

　　通過對 Mn≤10 mm 等系列軌道交通傳動齒輪的單齒感應淬火試生產及工藝改進，得到以下結論:

　　(1) 采用單齒感應淬火工藝處理 Mn≤10 mm 齒輪，如果工藝控制不當，極易出現(xiàn)鄰齒回火現(xiàn)象，導致表面硬度值低于界限硬度甚至未見硬化層的現(xiàn)象，壓力角越大、齒頂寬度越小，鄰齒回火現(xiàn)象則越嚴重;

　　(2) 通過優(yōu)化上導線、導磁體、下導線空間占比，提升感應器的機械制作精度，精確控制感應器與齒輪齒廓的運動間隙，同時調整感應頻率、感應器掃描速度以及增大側噴淋器噴淋量等手段，對 Mn = 7 mm 及 Mn = 5.5 mm 齒輪進行處理，能夠有效控制鄰齒回火程度，使其因鄰齒回火導致的表面硬度降低不大于 10 HRC;

　　(3) 對 Mn = 9 mm 重載機車齒輪，通過調整感應頻率、掃描速度等手段，可以在獲得理想硬化層分布的前提下控制幾乎沒有鄰齒回火現(xiàn)象發(fā)生。