齿轮(40Cr) 中频淬火工艺研究
齿轮(40Cr) 中频淬火工艺研究1前言运输机减速器齿轮直径较大、强度要求高、齿面硬度HRC48～ 53, 材料为40Cr。齿轮形状见附图齿轮外径5 302. 32mm; 齿宽45 mm; 模数315 mm。这种大直径齿轮工作时负荷较重, 轮齿要求强度高。采用高频加热淬火硬化层浅, 不易保证强度要求。对齿轮技术要求分析后采用中频加热喷水淬火, 喷水冷却是否会带来齿轮的开裂或变形, 需要对40Cr 钢齿轮具体情况进行具体分析。2采用水冷淬火的可行性在长期生产过程中, 40Cr 钢制齿轮多采用油淬火。其原因首先是40Cr 钢在冷却速度较缓慢的冷却介质(如油) 中进行淬火, 就能够避开奥氏体等温转变曲线鼻部, 达到40Cr钢淬火应达到的硬度。其次是用水进行淬火冷却时, 冷却速度快, 易造成零件的热应力、组织应力增大、零件的变形增大甚至开裂。采用其他冷却介质, 例如聚乙烯醇水溶液、皂化液、氯化钙水溶液等, 都有许多不便之处。(1) 40Cr 钢连续冷却曲线分析在不同冷却速度下得到不同的硬度。冷却速度为45 ℃ös 时硬度可达HRC58。硬度要求一般HRC40～ 45、HRC45～ 42、HRC48～ 52 或≥HRC52。要达到这些范围的硬度, 只要冷却介质的冷却速度≥45 ℃ös, 再经一定温度回火就能达到要求的硬度。油、水、乳化液等冷却速度都远高于45 ℃ö s。问题是如何尽可能减少淬火变形和开裂;40Cr 钢的M s 点是345 ℃;M f 点是160℃。在淬火冷却时只要避开奥氏体转变危险区冷却至345 ℃以下, 奥氏体就会发生向马氏体组织的转变。若在水中冷却至250 ℃左右再进行空冷, 齿轮的硬度达到HRC50 以上是有把握的;由于淬火冷却过程是连续的, 给淬火硬化创造了有利条件。确定大齿轮淬火喷水冷却的停喷水温度在250 ℃左右。停止喷水温度高于250 ℃时, 已形成的马氏体有被回火的可能, 造成硬度不足。停止喷水的温度低于250 ℃则由于冷却速度太快, 奥氏体向马氏体转变量太多而导致组织转变应力较大。另一方面由于中频加热热量透入深度有限, 齿轮本身蓄热不大, 齿轮表面温度达到250 ℃时, 心部温度也不会太高, 从心部传至表面的热量不会很多, 不致造成齿轮表面温度较多的回升使表面回火而影响表面硬度。当齿轮在空气中缓慢冷却下来以后, 残余奥氏体逐步向马氏体转变。冷却至160 ℃时, 奥氏体基本全部转变为马氏体, 此时应及时回火。(2) 变形情况分析冷却介质冷却速度越快所形成的应力越大, 造成淬火齿轮变形开裂的倾向越大。40Cr 齿轮采用淬火冷却至250 ℃后出水空冷, 未转变的部分奥氏体向马氏体转变时的冷却速度大大降低, 减小了这部分奥氏体向马氏体转变的组织应力。空冷对水冷时形成的热应力和组织应力有部分回火消除作用。这样处理完全可以保证齿轮表面的硬度, 且齿轮的淬火变形小, 达到了热处理技术要求。3中频加热淬火工艺运输机减速器齿轮淬火加热采用经过改造后的DGFC2208 中频感应加热设备, 无输出变压器。单台变频机组功率100 kW , 变频机组输出频率8000 Hz, 变频机组的功率直接输出到加热感应器。感应器内径5 320mm; 匝数10 匝; 高70mm 左右。冷却喷水圈直径450 mm; 喷水圈高度80 mm。中频加热淬火喷水冷却的工艺参数详见附表:附表项目 单位 参数中频输出空载电压 /V 720加热时间 /s 100预冷时间 /s 10喷水冷却时间 /s 18回火温度 /℃ 260回火时间 /min 120齿轮加热时, 中频机组输出电压720 V ,输出电流120 A。随着加热时间的延长齿轮表面温度升高,机组输出电压随之降低, 最低电压值650V。齿轮加热过程中, 机组功率因数控制在0186～ 0192。当加热过程功率因数滞后达0186 时投入两个电容, 每个电容容量160 kF, 共计320 kF。目测齿轮表面860～880 ℃之间, 齿根温度不低于860 ℃时加热完成, 随后预冷10 s, 这时齿轮温度大约800℃, 高于40Cr 钢A r3 温度, 紧接着喷水冷却,喷水压力012M Pa。冷却18 s 停止喷水空冷。此时测齿轮表面温度250 ℃左右。空冷2 m in 后, 测齿轮表面温度200 ℃左右。在空气中冷却至160 ℃后及时回火。热处理后检测齿轮表面硬度HRC50～ 52, 金相组织完全合格。齿轮公法线锥度在01033mm 以下, 公法线长度, 公法线变动量也完全达到技术要求。4结语40Cr 钢齿轮采用中频感应加热喷水淬火是可行的。只要严格控制操作过程, 把握冷却环节, 结合实践经验就可以达到一次合格。不仅可以完全避免开裂, 而且还可以把齿轮的变形控制在一个较小的范围, 从而生产出高质量的齿轮。
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