40Cr齿轮盐浴炉快速加热表面淬火

■李小银，崔军，李军，余长海

40Cr齿轮盐浴炉快速加热表面淬火

■李小银，崔军，李军，余长海

摘要：研制并使用盐浴炉快速加热表面淬火保护装置，对m8的40Cr重载齿轮实施盐浴炉快速加热和冷却保护，确定了合适的盐浴炉快速加热表面淬火工艺，实现了齿轮的齿部表面淬火，从而解决了该齿轮采用中频感应淬火无法保证齿面硬度和齿根有一定硬化层深度，以及容易导致齿面磨损和轮齿折断失效的技术难题。

一、概述

我公司生产的某液压汽车起重机产品，回转机构系统中带动吊臂起吊和旋转的关键部件，使用了图1所示的开式齿轮传动的渐开线直齿正变位输出重载齿轮，m＝8，z＝15，齿顶圆直径为139.2mm，齿宽76mm，固定弦齿厚约为11.1mm，齿深为18.0mm。它是一个主动轮，承受很大的工作载荷。齿轮的设计材料为40Cr，技术要求粗加工后调质硬度260～300HBW，转机加半精加工及插齿后再齿部表面淬火至50～55HRC。

该齿轮在开式传动环境下工作，灰尘和砂粒等易落入齿面间，在与内齿圈啮合工作时，通过齿面的接触传递动力和改变运动方向。因此，轮齿表面受到交变接触应力及摩擦力的作用，而齿根部则受到交变弯曲应力的作用，根部弯曲应力最大，而且应力集中。同时，齿顶特别是齿根处磨损较严重。磨损后，齿廓已不是渐开线，齿侧间隙增大，齿根变薄，从而降低了齿轮传动的平稳性和轮齿弯曲强度，甚至轮齿折断。对于开式齿轮传动的硬齿面齿轮，齿面疲劳磨损和轮齿折断是主要失效形式。因此，该齿轮在表面淬火时，既要保证齿面硬度，又要保证齿根部有一定的硬化层深度。从齿轮的齿根弯曲疲劳强度出发，表面淬火齿轮的最佳硬化层深度为0.3～0.4m。我们设定齿轮合理的表面硬化层分布见图2（a、b、c为合理的硬化层分布，d、e为不合理的硬化层分布），工艺要求齿面硬化层深2.4～3.2mm，齿根以下有≥1.5mm的硬化层深度，极限硬度值取齿轮的最低表面硬度要求50HRC。

图1　齿轮示意

图2　齿轮表面硬化层分布示意

对于m8齿轮的齿部表面淬火，通常采用中频感应淬火方法。该齿轮若采用中频感应淬火，一方面，不仅因齿槽较窄且较深，很难制作出合适的按齿槽仿形，并需加装导磁体来驱流的V形结构的单齿沿齿槽加热中频感应淬火感应器，且若用该中频感应淬火感应器对齿槽逐一实施连续加热或同时加热表面淬火时，因固定弦齿厚较薄，也很易使已经淬火的相邻齿面因加热屏蔽不好或旁边冷却不好产生回火而硬度下降，达不到设计要求，降低齿面的疲劳强度和耐磨性；另一方面，因轮齿较宽且深，若采用全齿的单匝或多匝圈式结构的中频感应淬火感应器对齿轮进行两次预热+加热后淬火，硬化层不易控制，用硬度法测试，硬化层＜2/3齿高，很难达到节圆以下齿面，齿根只有基体硬度，齿轮的表面淬火质量得不到保证；同时，因多次加热，齿轮的淬火变形较大，淬火后需增加磨齿工序并需修整键槽，增加了生产成本。

为了保证齿轮的齿部表面淬火质量，减小淬火变形，降低生产成本，决定采用盐浴炉快速加热表面淬火的工艺方法来实现齿轮的齿部表面淬火，确保齿面硬度和齿根有≥1.5mm的硬化层深度和较高的弯曲疲劳强度，从而满足齿轮的使用要求，避免齿面严重磨损和轮齿折断失效。

二、可行性分析

对于齿轮类零件，若采用盐浴炉快速加热（炉温超出正常加热温度100～150℃，工件入炉后，炉温要保持平稳，波动不超过30℃），一方面，因加热温度高，加热速度就快；另一方面，因齿部的有效受热面积比内孔和端面大得多，故齿部的加热速度也较快。同时，根据齿轮形状尺寸，相似于管子零件，两端敞开加热比两端封闭加热要快两倍，因此，若齿轮内孔两端再用钢板夹具夹紧，使内孔和端面只靠传导加热，加热速度慢，这样可以进一步加大齿部与端面和内孔的温度差，能达到齿轮的齿部表面快速加热表面淬火的目的。因此，采用盐浴炉快速加热可实现齿轮的齿部表面淬火。

三、盐浴炉快速加热表面淬火

1. 快速加热表面淬火装置

我们研制了图3所示的快速加热表面淬火保护装置，由压块Ⅰ、压块Ⅱ、M16螺栓和M16螺母组成，并在M16的螺栓上焊一个M8的吊装螺母。此快速加热表面淬火保护装置可以增加不需淬火部位加热的有效厚度，减缓内孔、端面和不需淬火的外圆表面等位置的加热速度。保护装置中的所有零件均采用低碳钢如Q235钢或20钢制造，防止其因淬火而引起变形和裂纹。压块Ⅰ和压块Ⅱ的外圆直径一般应与齿根圆直径相同或小2～3mm，厚度分别为20mm和30mm。

2. 淬火

（1）齿轮的吊装齿轮淬火加热和冷却时的吊装方式见图3，采用单个齿轮吊装加热和冷却。齿轮两端必须用快速加热表面淬火保护装置夹紧，以减缓内孔和端面的加热速度，防止盐液和大量的淬火油进入内孔。

一般齿轮直径小于150mm时，采用单个或成串浸入盐浴中加热，个数的多少，以不显著降低盐浴温度（温度波动不超过30℃）为原则。当齿轮直径大于150mm时，采用旋转式加热，转动速度保持0.5～1r/s恒定，必须正、反转相继进行。

齿轮快速加热时，为避免压块Ⅱ因多次高温加热变形而影响齿轮端面与内孔的密封和齿轮快速加热表面淬火效果，压块Ⅱ及其以上部分不进入盐浴炉中加热（见图3）。

（2）烘干为了防止发生盐液飞溅伤人，齿轮在进入盐浴炉加热前，必须与快速加热表面淬火保护装置固装在一起，在30kW箱式电阻炉中进行（200～250）℃×1h的预热，以烘干工件和快速加热表面淬火保护装置表面的水分。

图3　齿轮加热和冷却时的吊装示意

（3）淬火首先是快速加热表面淬火温度。工件要达到快速加热的目的，炉温就必须比正常加热温度高得多。40Cr材料正常淬火加热温度为830～860℃，采用盐浴炉快速加热时，炉温应超出正常淬火加热温度100～150℃。因此，齿轮的快速加热温度应为930～1010℃。因我公司没有高温盐浴炉，故选用中温盐浴炉加热，选择快速加热表面淬火温度为（930+10）℃。

其次是加热时间。加热时间的控制，是快速加热工艺成败的关键因素之一，对质量影响很大。时间过长，工件不仅透烧，淬火变形大，达不到表面淬火的目的，且会造成表面过热，晶粒粗大，性能变坏；而加热时间不足，则硬度不够或硬化层太浅。盐浴炉快速加热，对于碳钢和低中碳低合金钢件，有效厚度在10～60mm时，加热系数为6～8s/mm。同时，经过工艺试验，在保证工件入炉后炉温波动不超过30℃的情况下，以目测齿轮根部表面实际加热温度达到正常淬火加热温度830～860℃为依据，确定了齿轮盐浴炉快速加热时间为150～168s，夏天取中下限，冬天取中上限。

最后是淬火冷却。齿轮盐浴炉快速加热后，迅速出炉进入L-AN32全损耗系统用油中冷却至室温。入油后，工件要上下来回移动，以保证工件均匀冷却，减少淬火变形。

（4）回火拆下快速加热表面淬火保护装置后，对工件进行回火。回火采用45k W箱式电阻炉加热，回火工艺为（200±20）℃×3h，空冷。

四、检测结果

1. 硬度试验

经盐浴炉快速加热表面淬火+箱式炉回火后的齿轮，用HR-150A洛氏硬度计测试齿顶和齿根以下2～3mm处的硬度，都在51 ～53HRC，硬度合格。

2. 硬化层深度试验

经盐浴炉快速加热表面淬火+箱式炉回火后的齿轮，用线切割加工出金相试样，并用金相显微镜检查金相组织，齿部表面马氏体级别为4～5级，为合格组织。用显微硬度计检测硬化层深度，获得仿齿形硬化层（见图2c），齿面硬化层深为3.1～3.2mm，齿根部（径向）硬化层深3～3.15mm。

硬度试验和硬化层深度试验结果表明：齿轮用盐浴炉快速加热表面淬火+箱式炉回火的工艺方法，达到了齿部表面淬火的目的。在齿轮的批量生产中，我们用洛氏硬度计在齿轮端面齿根以下2～3mm处检测硬度，若在50 ～55HRC，则判定为合格品。从投放市场的产品使用情况看，未发现齿面磨损和轮齿折断失效的质量问题，该齿轮的质量稳定可靠。

3. 淬火变形测试

齿轮经盐浴炉快速加热表面淬火+箱式炉回火后，节圆、齿向、跨齿距变形都在0.01～0.05mm，在公差要求范围内。内孔收缩了0.05～0.10mm，通过精加工，达到了产品要求。盐浴炉快速加热表面淬火变形比中频感应淬火变形要小得多，齿轮的齿形和键槽的变形均较小，能够满足使用要求，淬火后可以不磨齿和修整键槽，从而降低了生产成本。

五、结语

（1） m8模数的40Cr齿轮，采用盐浴炉快速加热表面淬火+箱式炉低温回火，获得了沿齿廓分布的硬化层，齿面硬度达到51 ～55HRC，具有高的耐磨性；齿根有≥1.5mm的硬化层深度，具有较高的弯曲疲劳强度，从而实现了齿轮的齿部表面淬火，其淬火质量达到了设计和使用要求。

（2） 盐浴炉快速加热表面淬火法，只适用于碳素钢或低中碳低合金钢制齿轮、轴、轴套等零件。采用盐浴炉快速加热表面淬火时，必须严格控制加热时间，以工件表面或齿轮的齿根表面实际温度达到正常淬火温度（40Cr为830～860℃）为宜，否则会引起工件表面过热，晶粒粗大，降低工件使用性能。

（3） 该技术可推广应用到模数为4～10的齿轮、蜗杆等表面淬火零件，特别是很难制作合适的中高频感应淬火感应器以实现表面淬火的齿轮、蜗杆等零件，对于缺乏中高频设备的企业也具有很大的实用价值。我公司现已将该技术应用到模数为6或8 的40Cr和45钢蜗杆、45钢齿轮以及45钢活塞杆的球头表面淬火生产中，应用效果良好。

20150118

作者简介：李小银、崔军、李军、余长海，重庆大江工业有限责任公司。