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商品详细描述
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 m m; 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 40 Cr 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 ℃?s 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 ℃?s, 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 ℃? 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 720 100 10 /s /℃ /min 18 260 120
中频输出空载电压 /V 加热时间 预冷时间 喷水冷却时间 回火温度 回火时间 /s /s
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 1 60 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
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 m m; 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 40 Cr 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 ℃?s 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 ℃?s, 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 ℃? 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 720 100 10 /s /℃ /min 18 260 120
中频输出空载电压 /V 加热时间 预冷时间 喷水冷却时间 回火温度 回火时间 /s /s
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 1 60 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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