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齿轮淬火

齿轮淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。

齿轮淬火的必要性

有些零件（包括齿轮在内）在工件时在受扭转和弯曲等交变负荷、冲击负荷的作用下，它的表面层承受着比心部更高的应力。在受摩擦的场合，表面层还不断地被磨损斜齿轮淬火设备，因此对一些零件表面层提出高强度、高硬度、高耐磨性和高疲劳极限等要求齿轮淬火设备，只有表面强化才能满足上述要求。由于表面淬火具有变形小、生产率高等优点，因此在生产中应用极为广泛。

齿轮淬火目的

齿轮淬火原理：将工件放入感应器(线圈)内，当感应器中通入一定频率的交变电流时，周围即产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流──涡流。电流在工件截面上的分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小，这种现象称为集肤效应轴淬火设备。工件表层高密度电流的电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却花键轴淬火设备，即可实现表面淬火。

齿轮感应淬火的应用前景

感应淬火是热处理行业所追求的清洁生产工艺,感应淬火所具有的一系列优点是其他热处理工艺难以比拟和取代的。感应加热淬火是热处理重要工艺之一,尤其以它具有生产、节约能源、环境污染小,以及易于实现自动化等优点而倍受欢迎。在齿轮的强化方法中,与调质、渗碳和渗氮一起构成四大基础工艺,在齿轮从软齿面向硬齿面技术发展的过程中,感应淬火工艺曾发挥了重要作用。

国外感应加热淬火的应用还是比较广泛的。在日本,铁路机车齿轮,包括高速机车齿轮以感应淬火为主。在美国,感应淬火齿轮的典型应用包括:(1)大型挖掘机齿轮。(2)重载起重机驱动齿轮。(3)轧糖机的大扭矩传动齿轮。(4)轧钢机的主驱动齿轮,剪切机齿轮以及卷曲机械齿轮。(5)水泥磨驱动齿轮。

我国的感应加热电源及淬火设备针对齿轮产品的工艺技术需要,开发成套装备和相应的工艺,如前景看好的双频、多频,同时加热大功率电源、脉冲加热电源、CNC齿轮淬火机床及配套的辅助设施和工艺软件等方面,都具有巨大的市场。

车轴感应淬火设备

感应器研制车轴是一个变直径的圆柱体,要实现全长表面淬火在很大程度上取决于感应器的结构设计与制造。加热用感应器的设计应主要考虑①使被加热零件的表面温度均匀;②感应器损耗小,电;③感应器冷却良好;④制造简单,有足够的机械强度,操作使用方便。车轴加热感应器用矩形紫铜管制造成圆形感应器,并通水冷却,零件加热后由用附带喷水圈进行喷射冷却。为了保证在感应加热中尽可能地减少漏磁,提高加热效率,感应器与零件之间的间距尽可能小,但要有足够的间隙,保证使感应器能与车轴的相对运动顺利进行。因此,选择圆环形感应器内侧与车轴轮座表面之间的距离为5～6ｍｍ较为合适。

加热设备频率的选择感应加热的电流透入深度与电流的频率成反比,必须正确选择中频发生器设备的中频电流频率,以实现一定加热深度的感应加热。正确选择加热电流频率可实现技术要求,提高热处理质量,充分发挥设备的效能,提高生产率,节省电能。感应器的电频率选择与零件的直径大小有关,大直径零件可采用较低的频率,所以对于直径很大的车轴,选择下限频率中频电源作为车轴感应加热的中频加热设备。

冷却器的研制车轴中频感应表面淬火,冷却是关键。因为车轴钢的含碳量低,临界冷却速度高。选择适当的冷却方法和冷却介质,才能使淬火区获得马氏体组织。因此,冷却器的合理设计就显得致关重要。所以 ,喷水圈喷水孔采用多排交叉分布,为防止靠近感应器处喷水孔喷射水柱飞溅影响加热效果。

淬火机床的研制为尽可能减少车轴淬火后的变形,淬火机床采用竖立式,车轴垂直放置，自身旋转,以使车轴圆周表面的加热均匀。淬火机床上的中频变压器连接加热用感应器一起可沿车轴纵向上下移动 ,移动速度采用变频连续可调。

车轴的感应淬火

40钢车轴表面感应淬火强化工艺研究是我国高速铁路的发展需要,填补国内在这项领域的技术空白。

车轴表面强化工艺的选择对于绝大部分轴类零件,通常采用高频或中频表面淬火来提高其使用寿命。动车轴、机车轴是一种即传递动力而又起支撑作用的心轴,而车辆轴是一种不传递动力而只起支撑作用的心轴,主要承受弯曲或弯曲疲劳负荷。统计表明大多数的各类轴均因疲劳断裂和微动磨蚀磨损而失效。为了避免发生脆性断裂,满足强度与韧性的要求,目前车轴常采用调质或正火工艺,但往往因疲劳与微动磨蚀磨损性能欠佳,而没有达到应有的使用寿命。实践表明,在调质或正火的基础上再施加表面感应淬火强化处理,可使服役寿命成倍地延长。因此,这是提高车轴使用寿命的一种重要工艺方法。车轴表面强化一般主要分喷涂 +滚压强化和感应淬火强化两种,滚压强化因其强化深度较浅,硬度较低,提高服役寿命有限。中频感应淬火加热适中,适合车轴表面加热深度。日本、法国均采用中频感应淬火强化。表面感应强化对提高车轴的弯曲或扭转疲劳强度、减少对缺口的敏感性和应力集中十分有效。表面感应淬火后,由于心部高的有效韧性和塑性,允许其硬化层有较高的硬度,以保持高的耐磨性、强度和残余压应力,充分发挥材料的潜力。国外对车轴中频感应淬火从过去的局部淬火、分段淬火,发展到现在的表面全长淬火。

齿轮双频感应加热过程及齿轮材质的选择

双频加热的原理是使用低高两种频率的热源。首先，以较低频率的热源加热(3—10kHz)，为齿轮预热提供所需能量。

随后，立即进行高频热源加热，频率范围100-250kHz之间。频率选择依齿轮尺寸及周节大小而定。高频热源将迅速使全部齿轮外表面加热至淬火温度，然后齿轮立即淬火，获得设计所规定的硬度。

在双频加热中，固定在心轴上旋转着的齿轮接受预热，随后一个快速“脉冲使之达到终适宜的淬火温度后，工件被送入水中淬火。全部过程共需30秒钟。

这一过程为计算机所控制。由于加热速度快，表面无氧化、脱碳现象，外观质量及心部材料的性能仍保持不变。

制造齿轮有多种材料，从工艺及经济的观点出发，钢得到广泛应用。

含碳量决定钢能达到的硬度。通常用于感应热处理的钢，视其表面的设计硬度要求，含碳量一般为0.40,0.50或0.60％为宜。

要使零件在局部加热之后淬火硬化，钢的含碳量必须达到设计硬度的要求。

双频感应淬火解决这一问题的办法是，严格控制热处理变形，使变形量限制在太多数齿轮的设计要求范围之内。

齿轮淬火处理有其特点，双频感应处理是各种方法中较理想的。在常规处理中，要同时满足一定的硬化层深度及变形要求是困难的，因为两者会相互影响，相互制约。而双频感应方法仅对齿轮的局部提供淬火所必须的能量(比常规生产减少2—3倍)，因此，变形范围及硬化深度均达到设计要求。

齿轮的双频感应加热淬火方式

1双频感应加热原理

由于可控硅变频器研制成功，能更方便地得到所要求的频率，因此就为从单频率感应加热转向两个以上频率组合加热的方法提供了可能性。

1.1原理

为了均匀加热表面凹凸不平的制件，曾设想用两种不同的频率进行感应加热。根据被加热制件的形状和涡流穿入深度 ，利用频率的低频提高制件凹处的温度 ，高频提高制件凸起部分的温度 ，从而使制件获得均匀的温 度 。

这种原始的双频感应加热 和单频加热相比，虽可获得较高的淬火质量。但作为使齿面 加热更均匀的关键参数—— 频率转换时间的控制是很难掌握的 。实际上往往要经过数次试验方能确定，故效率很低 。并且要使用两台高频变压器，频率转换计时失准时很难调整 。此外，还受齿轮模数和轮廓尺寸的限制 。

1.2 新的双频感应加热方法

新的双频感应加热方法可取代传统的单频和原始的双频感应加热的新的双频感应加热装置，尤其适台对齿轮进行，高生产率的热处理 。这种双频感应加热只用一个感应线圈，可轮流用连续的或断续的不同频率的电流，使工件均匀加热 。虽以极短的时间间隔轮流通以不同频率的电流 ，但和用两个不同频率重合在一起 加热时的效果一样，可以随意调节齿底 、齿面温度 。与传统方法相比，生产率和控制性能都得到明显改善 。