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齿轮淬火

齿轮淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。

齿轮淬火的必要性

有些零件（包括齿轮在内）在工件时在受扭转和弯曲等交变负荷、冲击负荷的作用下，它的表面层承受着比心部更高的应力。在受摩擦的场合，表面层还不断地被磨损汽车半轴淬火设备，因此对一些零件表面层提出高强度、高硬度、高耐磨性和高疲劳极限等要求齿轮淬火设备，只有表面强化才能满足上述要求。由于表面淬火具有变形小、生产率高等优点，因此在生产中应用极为广泛。

齿轮淬火目的

齿轮淬火原理：将工件放入感应器(线圈)内，当感应器中通入一定频率的交变电流时，周围即产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流──涡流。电流在工件截面上的分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小，这种现象称为集肤效应轴淬火设备。工件表层高密度电流的电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却花键轴淬火设备，即可实现表面淬火。

花键轴感应淬火的研究

目前，花键轴中频感应淬火工艺已逐步代替原渗氮工艺。

(1)淬火感应器与花键轴键槽同一截面各部位不等间距齿顶部位加热速度快,增大间距,减弱磁感应强度;齿面部位加热速度较快,增大间距,适当减弱磁感应强度;齿根部位加热速度慢,增大间距,增强磁感应强度。

(2)加装导磁体减少感应器鼻部宽度,利用镶装磁阻小的导磁体材料(硅钢片)。感应加热磁场邻近效应及导磁体的驱流效应,使感应磁场进一步被挤向感应器鼻部边缘,相当于再缩小感应器与齿根间距,提高齿根加热速度,达到接近齿面加热速度,这样达到减少花键轴同一横截面淬火加热温度不均匀性的目的。

大模数齿轮淬火用感应加热电源控制系统

与感应加热表面淬火相比，渗碳淬火虽可以使齿面达到很高的接触疲劳强度、高的抗弯曲强度及良好的耐磨性，但热处理周期长，淬火变形大，因此世界上工业化国家在生产大模数重载齿轮轴逐渐开始采用感应加热电源淬火，其特点是加热速度快、几乎没有保温时间 (加热到温后立即淬火)。目前以数字信号处理器(DSP) 和复杂可编程逻辑器件 (CPLD) 为核心的感应加热电源，已经科技取代进口设备。

基于 DSP 的感应加热电源主要包括主电路与控制电路两部分，主电路包括整流和逆变两部分。主电路整流部分输入为380V/50 Hz 工频交流电压，经三相不控桥式整流后，转变为直流电压，轮流导通和关断逆变桥器件，在逆变器的输出端获得交变的方波电压，经高频逆变变压器耦合输出到谐振电容和感应线圈，通过串联谐振产生电流，在线圈中形成交变磁场，对工件进行感应加热。

由于感应加热用IGBT器件工作频率在20至100kHz，可以满足大多数感应加热的工作需求。由DSP产生PWM脉冲信号。控制过程中融入恒流PID和数字锁相环运算、PWM 波形输出频率实时性和高分辨率移相 PWM 及死区时间控制，计算时间短，计算量大，要求系统有较高的运算速度和精度；需要同时对多个电流、电压值进行采样分析，要求系统有较强的并行处理能力，能完成系统要求的数据存储、传输、显示等功能。

汽车半轴坯料中频感应加热质量的控制

为便于实现机械化和自动化，提高生产效率，中频感应加热金属在国内一些企业也逐渐得到广泛运用。

感应加热的基本原理是当施感导体（感应器）中通入交变电流以后，在它的周围产生一个交变的磁场，把金属毛坯置于交变的磁场内，在其内部便产生一个交变电势，在电动势作用下金属内部产生交变涡流。由于金属毛坯电阻上的涡流发热和磁性转变点以下的磁滞损失发热，把金属毛坯加热到所需要的温度。由趋负效应可知，电流仅在被加热的金属表面层流过，表面层中的金属主要靠电流流过而加热，内层（中心金属）则靠外层热量向内层传导而加热。一般来说，当毛坯表面加热到锻造温度时，表面和中心温度差不得超过100℃。对于大直径的毛坯，为了缩短内层金属的加热时间、提高加热速度，建议选用较低的电流频率以增大电流透入深度，否则选用的频率太高，电流透入深度将减少，不但延长了热量由外层向内层的传递时间，增加了热量损失，热效率低，甚至会造成表面过热。小直径毛坯感应加热时，由于截面尺寸小，可以采用较高频率，以提高电效率。

中频感应加热设备是目前主流的电磁感应加热技术，有很多优点：升温快，氧化和脱碳少，劳动条件好，便于实现机械化和自动化。

双频法齿轮感应淬火的历史发展

在常规齿轮生产中，齿轮机加工后进行热处理硬化的工艺有许多种，但都为达到相同的目的， 即形成一定的显微组织从而获得适宜的性能。

但是，淬火处理常常使齿轮变形，导致齿轮质量下降。双频感应淬火处理为解决此问题应运而生。与两种局部淬火工艺齿轮单齿感应淬火和局部渗碳工艺相比，双频感应淬火费用降低，精度提高(使变形降至)。

局部渗碳在齿轮硬化方法中应用得为广泛。这一工艺包括在不需渗碳的表面镀上某种材料， 防止在渗碳过程中活性碳原子渗入，的方法是镀铜，除轮齿外，其它表面都镀上铜，然后渗碳，渗碳后把铜镀层去掉，进行机加工，后将所有表面又重新镀上铜，装入淬火炉中加热淬火。

齿轮感应淬火的作用与目的

近年来 ,随着齿轮生产商对技术认识的不断提高，带来了多方面的改进，如低噪音、轻量化、低成本和高承载能力等，使得齿轮副在高速和大扭矩作用下产生少的热量。并不是所有的齿轮都适应感应淬火 ,外螺旋直齿轮、蜗杆齿轮、内齿轮、齿条和链齿属于典型的感应淬火齿轮零件。相反，锥齿轮、双曲面齿轮和非圆形齿轮几乎不使用感应热处理。

与渗碳和渗氮相比，感应淬火不要求齿轮整体加热。通过感应淬火，可将热量地施加于特定的区域，使该区域产生所期望的相变 (例如齿廓、齿根和齿顶有选择的硬化) ，且对其余区域的影响很小。根据应用情况，齿部硬度范围一般是 42～60 HRC。

齿轮感应淬火的一个目的是在齿轮的特殊部位得到细晶的全马氏体层 ,以提高硬度和耐磨性。 但不会使其余部分受热处理的影响。 硬度的增强也提高了接触疲劳强度 ,由于同时增强了硬度、耐磨性并可获得细晶粒的马氏体层 ,所以可以使用廉价的中高碳钢或低合金钢去替代较贵的高合金钢。

并非总是能够得到全马氏体层 ,根据钢的品种不同 ,硬化层不可避免存在残余奥氏体 (除非使用低温处理) 。 对于含碳量高的钢和铸铁 ,尤其如此。

齿轮感应淬火的另外一个目的是增加齿轮表面压应力。这是很重要的，因为它有助于抑制裂纹的产生，也阻止了拉应力引起的弯曲疲劳性能的下降。这种钢铁的使用 ，使它原先的显微组织和齿轮工况 (包括载荷情况和操作环境) 决定了所需要的表面硬度、芯部硬度、硬度断面、齿轮强度和残余应力分布。