感应淬火具有高效、清洁、节能等特点，是国家重点推广应用的技术。目前，感应加热技术已经广泛应用于热处理行业，越来越多企事业单位研究和使用感应热处理技术。我公司在齿轮的表面热处理过程中取得了较好的效果，生产效率非常高，产品质量均匀稳定，生产成本大幅下降，但在大模数（m＝10～14）齿轮感应淬火生产中存在硬化层分布不合理问题，长期困扰正常生产。另外，在使用过程中齿轮还会出现裂纹、早期疲劳、脆裂等问题，其中造成齿轮断裂的主要原因为齿顶、齿沟硬化层分布不合理。本文针对模数为10以上齿轮感应淬火工艺进行了一种新的工艺方法尝试，取得了较好效果[1]。
1、 大模数齿轮感应淬火硬化层分布情况
齿轮材料使用S48C-V钢，该种牌号为日本牌号，要求脱氧处理，氧含量[O]≤20ppm（1ppm＝10﹣6），与中国牌号47Mn钢化学成分接近。S48C-V钢化学成分见表1。齿顶硬化层深度要求4.0～9.8mm，齿根硬化层要求1.9～2.9mm，表面硬度55～60HRC，基体硬度229～277HBW。齿轮结构如图1所示。该齿轮的主要工艺过程为：下料→锻造→正火→粗车→精车→滚齿→感应淬火→回火→抛丸→精车→精滚齿→拉键槽→装配。感应淬火过程中的加热采用集中加热方式，使用电源功率为350kW，频率为2500Hz，加热后采用7.5%浓度AQ251淬火冷却介质淬火[2]，淬火压力为0.3MPa，低温回火4h。
表1 S48C-V钢化学成分（质量分数） （%）
图1 传动齿轮结构示意
感应淬火后硬化层分布情况如图2所示。从腐蚀齿轮试样情况来看，齿顶硬化层深度较深，齿沟硬化层深度较浅，仿形效果较差。借助显微硬度计检测硬化层深度，齿顶硬化层深度为11.5mm，齿沟硬化层为1.0mm，节圆处硬化层深度8.0mm，硬化层分布效果较差，硬化层分布不合理，齿顶硬化层深度过深而齿沟硬化层深度过浅，无法满足图样技术要求（齿顶硬化层4.0～9.8mm、齿沟硬化层1.9～2.9mm）。一方面，此种硬化层分布齿部几乎完全淬透，齿部中心位置没有硬度较低、韧性较好的基体承受传动过程中的冲击，齿轮脆性大大增加；另一方面，齿沟硬化层过浅，没有足够的抗弯曲疲劳强度，容易出现早期脆性断裂、打齿、疲劳损坏等问题。
图2 硬化层分布
2、硬化层分布影响因素分析
通常影响硬化层分布的因素有加热、冷却、原材料特性等。原材料检测合格，排除原材料因素造成的影响。加热影响主要有加热温度和加热层深度，通过红外测温仪检测表面淬火时的温度，检测结果为870～890℃，满足工艺要求。通常硬化层深度主要是由加热层和淬火冷却决定的，加热层主要与频率和加热时间有关，频率越高，集肤效应越明显，硬化层越浅，频率越低，硬化层越深，同时需要配合制定合理的加热时间。
感应加热过程中电流透入深度计算式为
式中 d——电流透入深度（mm）；
ρ——材料电阻率（Ω·m）；
μ——材料磁导率（H/m）；
f——电流频率（Hz）。
电阻率和磁导率是随着温度的变化而变化的。通过计算可知，800℃时2500Hz频率下电流的透入深度约为10mm，该电流透入深度比较合理，说明频率选择合理。但是，实际淬火后硬化层深度仍无法满足要求。通过深入分析发现，感应加热时由于该件模数较大，在2500Hz频率下齿顶加热速度较快，因此很快达到要求的加热层，而齿沟距离感应器较远，温度较低，加热效果如图3所示。为使齿轮的齿顶、齿沟等位置同时达到淬火温度，需要延长加热时间，这就造成齿顶加热时间过长，热量传导至更深的位置，造成齿顶硬化层过深；如不延长加热时间，则会存在硬化层分布问题（见图2），齿沟硬化层深度无法满足技术要求。
图3 单一频率集中加热效果
经分析发现，出现这种现象的原因主要是由于齿轮模数大、齿顶齿沟加热不同步，该种模数齿轮已经不适合整体感应加热淬火，在同一频率下齿顶、齿沟加热无法兼顾。因此，该种大模数齿轮适合采用单齿感应淬火，以较低的频率加热齿沟、较高的频率加热齿顶。单齿感应淬火对齿面和齿沟同时进行扫描感应淬火，齿面、齿沟硬化层分布非常均匀一致，可解决硬化过深问题。然而，经分析计算，单齿淬火生产1件齿轮的时间为25min左右，整体感应淬火生产1件齿轮的时间为3min，因此单齿感应淬火的效率非常低，无法满足生产效率的需求。
3、 试验方案
为解决上述问题，我公司技术人员通过多次讨论分析，决定借鉴双频感应淬火技术，提出一种新的感应加热方式。双频感应淬火技术可实现齿顶、齿沟不同频率加热，可较好地解决硬化层深度分布的问题[3]。但是，我公司设备无法实现同步双频感应淬火，依据在用设备特点，制定出分段、不同步、不同频率加热方案，见表2。
表2 分段、不同步、不同频率加热方案
4、 试验验证
按照改进后制定的感应加热方案进行试验，采用分阶段感应加热淬火工艺，第一段采用2000Hz频率，加热30s，加热温度至750℃左右；第二阶段切换至高频12000Hz，加热22s，加热温度达到850℃；第三阶段再次切换频率至2500Hz，加热15s，加热温度达到880℃后进行淬火，加热效果对比如图4所示。从图4a可看出，改进前，采用单一频率加热时，齿顶、齿沟已完全热透，造成齿部硬化层过深；从图4b可看出，改进后加热效果明显，齿顶、齿沟均已达到淬火温度，而齿部并未热透，淬火后硬化层不会过深。
a） 改进前加热效果
b）改进后加热效果
图4 改进前后加热效果对比
淬火后对试验齿轮进行剖切，并对改进前后硬化层分布进行对比，如图5所示。从图5b可看出，改进后硬化层分布效果良好，齿顶硬化层深度6.5mm，齿沟硬化层深度2.3mm，节圆处硬化层深度4.2mm，满足要求，各位置硬化层均达到要求。
a）改进前硬化层分布
b）改进后硬化层分布
图5 改进前后硬化层分布对比
5、 结束语
按照上述试验方案先后生产齿轮10000余件，产品质量稳定，未出现齿轮故障问题。实践证明，采用分段、不同频率感应加热淬火方式，可较好地解决大模数齿轮硬化层分布不合理问题，为大模数齿轮生产提供了新思路。
参考文献：
[1] 冯显磊，李炎，胡良波，等.推土机齿轮常见裂纹分析与预防[J]. 金属加工（热加工），2015（23）：58-61.
[2] 回艳. AQ251淬火冷却介质的特点及使用[J]. 金属加工（热加工），2012（3）：54-55.
[3] 黄显臣. 齿轮的双频感应加热淬火[J]. 国外汽车，1990（2）：64-66.
