CN110306012A - 一种内齿圈表面感应淬火处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内齿圈表面感应淬火处理方法，属于内齿圈生产过程中的热处理技术领域，包括以下步骤：选择、制作并安装感应器‑‑装卡试样‑‑调整淬火参数‑‑在试样上调试感应器‑‑回火，保温，出炉空冷‑‑用试样进行表淬试验，检测试样的硬度及硬化层深，若试样的硬度及硬化层深符合技术要求，则合格，反之，则不合格，重复以上步骤直至符合技术要求‑‑对待加工零件进行感应淬火试制，本发明与氮化工艺相比，经本发明处理的齿面及齿根疲劳强度提高约1倍，成本降低1‑2倍，处理工艺时间短，感应淬火硬化层深远大于氮化处理，同时，感应淬火齿圈的抗冲击性远大于氮化处理，显著推迟零件失效，环保。
Description
技术领域
本发明属于内齿圈生产过程中的热处理技术领域，具体地说涉及一种内齿圈表面感应淬火处理方法。
背景技术
内齿圈是指行星齿轮传动中，与行星架同一轴线的内齿轮，其广泛应用于各种各样的传动机构中，如农用机械、家用轿车、重型工程车等。内齿圈在加工成型后需要经过热处理来获得优异的力学、物理和化学性能，满足严苛的使用需求。根据齿圈材料、结构及用途等不同，选择热处理的方式也不一样，主要有渗碳淬火、氮化、感应淬火等不同方式。同时，齿圈类零件一般选择中碳合金结构钢，含碳量一般在0.25-0.60％(质量分数)，此材料适用的热处理工艺为氮化和感应淬火。
氮化使零件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗咬合性，一定的防腐能力等，氮化变形很小，氮化层深比较浅(最高0.6mm)，因而只能满足轻、中等载荷的要求，硬化层和基体的过渡层硬度梯度陡，氮化表面的抗冲击能力比较差，氮化的时间比较长，一般40小时以上，最高需要80-100小时，氮化价格比较高(102-15元/Kg)。所以经氮化处理的零件一旦遇到不同方向重载荷，冲击等，极容易发生失效，并且破损会迅速蔓延，逐渐扩大，最终导致零件失效。
感应淬火是利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面迅速加热并进行快速冷却的淬火工艺。加热速度快，加热时间短，一般时间为4-8小时/件。淬火后组织为细隐晶马氏体，表面硬度比普通淬火高2-3HBS，且脆性较小，显著提高工件的疲劳强度(一般小尺寸零件可提高2-3倍，大尺寸零件可提高20-30％)，加热时间短，工件氧化脱碳少，淬火变形相对也小，淬硬层深度可控，范围1-10mm，生产率高，周期短，适于批量生产，对原材料要求较高，化学成分、金相组织、晶粒度、探伤、力学性能等，合金钢淬火易出现过热、变形及开裂等问题，感应器及配套工具工装制作及调整复杂，需反复试验，感应淬火操作难度大，电参数调整需要反复试验验证，对冷却介质及浓度、冷却速度、介质温度等要求较高，需要试验验证。齿轮类零件单齿淬火对模数要求比较高，模数8以上的零件易实现，模数8以下的齿轮单齿感应淬火难度较大，小模数齿圈整体淬火对设备功率要求很高，不易于实现。感应淬火价格较氮化低(平均4-5元/Kg)。对于重载齿圈，感应淬火比氮化工艺不论是从工件表面的疲劳强度还是硬化层深度都有明显的优势；但是感应淬火易出现淬火裂纹，尤其是小模数齿轮，需要用试验件进行反复验证。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种内齿圈表面感应淬火处理方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种内齿圈表面感应淬火处理方法，包括以下步骤：
S1：选择、制作并安装感应器；
S2：装卡试样；
S3：调整淬火参数；
S4：在试样上调试感应器；
S5：回火，保温，出炉空冷
S6：用试样进行表淬试验，检测试样的硬度及硬化层深，若试样的硬度及硬化层深符合技术要求，则合格，进行步骤S7，反之，则不合格，重复S1至S6直至符合技术要求；
S7：对待加工零件进行感应淬火试制。
进一步，所述步骤S1中，硬化层深为内齿圈模数的0.2倍，对于直径为600-4000mm以及模数为7.25-30的内齿圈，感应器频率为8.5-10kHz。
进一步，所述步骤S2中，试样上的4个齿沟作为一组，连续操作3组。
进一步，所述步骤S2中，感应器与内齿圈的间隙参数为：
齿根处的间隙为1-2mm、齿根圆角处的间隙为1-1.5mm、齿轮分度圆处的间隙为1-2mm、齿顶处的间隙为2-2.5mm、感应头尾部与齿顶的距离为5-6mm。
进一步，所述感应器的加热时间为3-9s，感应器的移动速度为120-360mm/min。
进一步，所述步骤S3中，选用油作为淬火介质时，油温为30-80℃，选用水溶性淬火液作为淬火介质时，淬火介质的温度为20-50℃，淬火介质的浓度为8-12％。
进一步，所述步骤S3中，淬火参数为：
电流为165±2A、电压为300±5V、频率为9-10KHz、速度为160-170mm/min。
进一步，所述步骤S6中，内齿圈的材料选用40CrNi2Mo或40CrNiMo，齿面硬度为50-58HRC，硬化层深为1.9-2.9mm，齿轮心部硬度为30-45HRC；
当硬度值差不大于3HRC且硬化层深差不大于1mm时，则认为合格，反之，当硬度值差不大于3HRC和/或硬化层深差不大于1mm时，则认为不合格，重新制作感应器头部。
进一步，所述步骤S5中，回火温度为160-180℃，回火时间为4±0.5小时。本发明的有益效果是：
与氮化工艺相比，经本发明处理的齿面及齿根疲劳强度提高约1倍，成本降低1-2倍，处理工艺时间短，感应淬火硬化层深远大于氮化处理，同时，感应淬火齿圈的抗冲击性远大于氮化处理，显著推迟零件失效，环保。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
实施例一：
一种内齿圈表面感应淬火处理方法，包括以下步骤：
S1：选择、制作并安装感应器。
在钢制内齿圈的感应淬火中，内齿圈的尺寸决定硬化层深，而硬化层深的技术要求决定了加热所需的发电机的频率和功率要求。发明人在反复试验后发现：硬化层深为内齿圈模数的0.2倍，对于直径为600-4000mm以及模数为7.25-30的内齿圈，感应器频率为8.5-10kHz。
S2：装卡试样。
感应器型号为XYZ-IH-G001，其主要材料为紫铜和硅钢片等，感应器结构为中空，整个感应器中需要严格控制材料的厚度，以及中间通水量的大小。感应器一般不会一次完成，做完后要先在试样上做试验，试样上的4个齿沟作为一组，连续操作3组。
感应器与齿的间隙是很重要的，因为与间隙平方成反比的磁场强度，决定了负责加热的感应电流的大小。其重点在于，要通过调整感应器头部两侧与齿沟内侧两齿侧面的间隙，以及淬火过程中上下运动轨迹的垂直度，来确保硬化层深与硬度的一致性；并且单齿埋油中频感应器齿侧间隙直接影响着感应器的比功率和加热效果。齿侧间隙过大，感应器的频率就低，加热效果会差，硬化层较浅，甚至会出现非淬硬区，即常说的软带；齿侧间隙过小，感应器的效率在各个部位会不一致，局部加热速度过快，形成高温区，出现过烧现象。间隙确定的不适当，也会造成加热不均匀，增大淬火应力，淬裂倾向也相应变大，所以单齿沿齿沟感应器齿侧间隙参数必须通过反复的工艺试验来修正。本实施例中，感应器与内齿圈的间隙参数为：齿根处的间隙为1-2mm、齿根圆角处的间隙为1-1.5mm、齿轮分度圆处的间隙为1-2mm、齿顶处的间隙为2-2.5mm、感应头尾部与齿顶的距离为5-6mm。
感应器的移动速度取决于感应加热区域完全奥氏体化而又不引起晶粒长大所需的热量。研究表明，淬火回火态的40CrNiMo钢需要3s达到碳溶解，而导致硬度轻微下降的晶粗粗化发生在9s后。所述感应器的加热时间优选为3-9s，感应器的移动速度为120-360mm/min。
S3：调整淬火参数。
选用油作为淬火介质时，油温为30-80℃，选用水溶性淬火液作为淬火介质时，淬火介质的温度为20-50℃，淬火介质的浓度为8-12％。淬火参数为：电流为165±2A、电压为300±5V、频率为9-10KHz、速度为160-170mm/min。
S4：在试样上调试感应器。
S5：回火，保温，出炉空冷，回火温度为160-180℃，回火时间为4±0.5小时。
S6：用试样进行表淬试验，检测试样的硬度及硬化层深，若试样的硬度及硬化层深符合技术要求，则合格，进行步骤S7，反之，则不合格，重复S1至S6直至符合技术要求。
内齿圈的材料选用40CrNi2Mo或40CrNiMo，齿面硬度为50-58HRC，硬化层深为1.9-2.9mm，齿轮心部硬度为30-45HRC。当硬度值差不大于3HRC且硬化层深差不大于1mm时，则认为合格，反之，当硬度值差不大于3HRC和/或硬化层深差不大于1mm时，则认为不合格，重新制作感应器头部。
S7：对待加工零件进行感应淬火试制，内齿圈感应硬化完成后，进行硬度检测和磁粉探伤检测。硬度检测为52HRC、54HRC、53HRC、55HRC，磁粉探伤检测无裂纹显现，硬化层深为2.3/2.4mm。
对于齿轮材料来说，接触疲劳强度(σHlim)和弯曲疲劳强度(σFlim)很重要。采用同一种材料，进行氮化和本实施例公开的方法分别取样检测疲劳强度结果如下：
本实施例公开的方法：
接触疲劳强度(σHlim)＝1265.5MPa；
弯曲疲劳强度(σFlim)＝372.5MPa。
氮化：
接触疲劳强度(σHlim)＝1217MPa；
弯曲疲劳强度(σFlim)＝363MPa。
由上所述，本实施例公开的方法处理的内齿圈指标优于氮化处理。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (9)
1.一种内齿圈表面感应淬火处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选择、制作并安装感应器；
S2：装卡试样；
S3：调整淬火参数；
S4：在试样上调试感应器；
S5：回火，保温，出炉空冷，
S6：用试样进行表淬试验，检测试样的硬度及硬化层深，若试样的硬度及硬化层深符合技术要求，则合格，进行步骤S7，反之，则不合格，重复S1至S6直至符合技术要求；
S7：对待加工零件进行感应淬火试制。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述步骤S1中，硬化层深为内齿圈模数的0.2倍，对于直径为600-4000mm以及模数为7.25-30的内齿圈，感应器频率为8.5-10kHz。
3.根据权利要求2所述的处理方法，其特征在于，所述步骤S2中，试样上的4个齿沟作为一组，连续操作3组。
4.根据权利要求3所述的处理方法，其特征在于，所述步骤S2中，感应器与内齿圈的间隙参数为：
齿根处的间隙为1-2mm、齿根圆角处的间隙为1-1.5mm、齿轮分度圆处的间隙为1-2mm、齿顶处的间隙为2-2.5mm、感应头尾部与齿顶的距离为5-6mm。
5.根据权利要求2-4任一所述的处理方法，其特征在于，所述感应器的加热时间为3-9s，感应器的移动速度为120-360mm/min。
6.根据权利要求5所述的处理方法，其特征在于，所述步骤S3中，选用油作为淬火介质时，油温为30-80℃，选用水溶性淬火液作为淬火介质时，淬火介质的温度为20-50℃，淬火介质的浓度为8-12％。
7.根据权利要求6所述的处理方法，其特征在于，所述步骤S3中，淬火参数为：
电流为165±2A、电压为300±5V、频率为9-10KHz、速度为160-170mm/min。
8.根据权利要求7所述的处理方法，其特征在于，所述步骤S6中，内齿圈的材料选用40CrNi2Mo或40CrNiMo，齿面硬度为50-58HRC，硬化层深为1.9-2.9mm，齿轮心部硬度为30-45HRC；
当硬度值差不大于3HRC且硬化层深差不大于1mm时，则认为合格，反之，当硬度值差不大于3HRC和/或硬化层深差不大于1mm时，则认为不合格，重新制作感应器头部。
9.根据权利要求8所述的处理方法，其特征在于，所述步骤S5中，回火温度为160-180℃，回火时间为4±0.5小时。
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