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【摘 要】本文主要从感应器的设计、淬火介质的选择与控制、淬火前半成品的设计加工等各方面，论述了主动圆柱齿轮轴的中频感应淬火技术，通过应用仿形感应器加热淬火，并采用水溶性淬火液冷却，弥补了传统感应器产生的不足，避免了零件表面开裂缺陷，實现了主动圆柱齿轮轴同步感应淬火。
【关键词】圆柱齿轮轴;仿形感应器;感应淬火;开裂因素;控制措施
引言
主动圆柱齿轮轴是用于主动、被动齿轮之间传递转动、扭矩或弯矩，并与之一起回转的传动零件，该零件结构和使用方式决定了它应具有表面高强度、高耐磨性，而心部具有良好韧性，且能承受高转矩的特点。传统的热处理强化方法主要采用表面渗碳淬火，但采用普通渗碳淬火工艺可能会产生诸多不足，常见的问题有：同一零件不同部位要求难以保证，零件较粗时心部硬度偏低，渗碳淬火生产周期长、变形大。而目前正在兴起的采用中碳钢调质+感应淬火工艺，不但解决了传统渗碳淬火过程中存在的难题，而且极大地提高了生产效率。
本文所述齿轮轴采用42CrMoH材料，零件采用三段式外花键设计，硬化层区别要求。
零件硬化层要求：杆部：9.0-11mm，花键处：5.5-8.5mm，R弧处：≥4mm，轴两端和中部花键局部不要求淬火，详见下图：
表面硬度：56-62HRC。
零件制造路线为：锻造--正火--粗车--调质--精车加工--中频淬火--磨外圆。42CrMoH材料中加入大量的Mo元素，一方面提高钢材的淬透性，增加回火稳定性，消除第二类回火脆性;另一方面因材料淬透性的提高，增大了感应淬火开裂倾向。下文主要从感应器设计，工艺方法、冷却介质的控制、开裂原因和预防措施等方面介绍了主动圆柱齿轮轴的中频感应淬火技术。
1.仿形感应器的特点和优势
（1）起初试验此产品时，采用了扫描式圆圈感应器淬火，结果未能达到图纸要求，主要存在以下几方面的问题：
①φ106圆和φ93圆端面始终存在加热不足的现象，温度很难达到830℃以上，淬火后此两处硬度低于56HRC;②R弧硬化层<4mm;③φ93圆、φ70圆、φ56圆处硬化层深不一致;④表面金相组织：针状和板条状马氏体，并有少量的托氏体和铁素体。
针对上述试验中出现的问题进行分析，由于该齿轮轴粗细不一致，在同一扫描感应圈加热时，随感应器与零件间距的增大，集肤效应和邻近效应随之减弱，单位表面积上电流减小，加热不足，导致局部表面温度较低、奥氏体化不完全，冷却后不同部位硬化层不均，表面硬度和金相组织不合格。
（2）针对采用扫描式圆圈感应器淬火出现的问题改进了感应器结构，，采用仿形式感应器加热，并配套使用水盒两侧喷水，试验情况得到明显改善。淬火后零件表面硬度58HRC以上，各处硬化层符合图纸要求，表面金相组织：针状和板条状马氏体，淬硬层内未出现托氏体等非马氏体组织。仿形感应器试验成功的原因在于：
①仿形感应器是完全按照零件的结构和淬硬层区域仿制而成，并具备整体同步加热、同步淬火的特点，此种结构的优势在于感应器与零件表面的间距基本一致（2-3mm），实现了同步加热。
②仿形感应器在设计时充分利用电磁感应、集肤效应、热传导等基本原理，通过机械加工、焊接而成。在设计感应器时，针对φ106和φ93外圆端面倒角处设计为角状，考虑到花键、R角，台阶等不易加热，故在感应器对应位置外加导磁体，使电流集中，有效提高了集肤效应和热传导效应，提高了R角和台阶部位温度，实现了不同部位同步加热淬火的目的，避免了扫描式圆圈感应器加热淬火存在的缺陷。另外，仿形感应器与扫描式感应器相比，除淬后火零件的质量稳定外，生产效率也较后者提高不少。
2.中频淬火工艺
（1）应用设备：使用立式数控淬火机床+可控硅中频电源。主要参数：额定功率160kw，输出频率：4000HZ，输出电流400A。仿形感应器。
（2）工艺参数。实际功率：130kw，直流电压：425V，直流电流：305A，中频电压：475V，中频频率：4200HZ;主轴转速：240r/min，冷却介质：水溶性淬火液（今禹8-60），按8%-10%配比。
加热时间：长端为28S，短端为21S;喷液冷却时间：长端40-43S，短端30-33S。
回火温度/时间：150×3小时。
（3）检测结果：花键处表面硬度：58.0-59.5HRC，杆部：56.5-57HRC;各处硬化层均符合图纸要求。
金相组织：针状+板条状马氏体，未发现明显的非马组织，在表层下7mm左右开始出现少量游离状铁素体，符合感应淬火金相标准。
3.影响零件开裂的因素和控制措施
（1）开裂因素分析。该零件设计用材料为42CrMoH，要求表面硬度56-62HRC，起初试验阶段，基于从提高表面耐磨性和强度的方向考虑，采用喷水冷却，淬火后表面硬度达到60HRC，R圆弧达到58HRC，硬化层和金相组织亦符合要求，但出现了表层花键端部开裂的现象，开裂比例约30%。裂纹延伸方向大多为圆周方向，多出现在倒角处，开裂原因主要是零件的尖角效应和淬火组织应力、热应力的综合体现。
经分析，从齿轮轴淬火前结构考虑，如果将花键倒角处设计加工为大R弧，同时通过控制水温和喷水时间，应该能避免裂纹出现，但由于淬火后硬度较高，R弧加工难度较大，且对花键会产生不利影响。另外，如外界气温较低时，水温不易控制，淬火零件仍存在开裂的隐患，最终否定采用喷水冷却的方法，转变思路，考虑使用水基淬火液进行冷却。根据材料性能和该产品的技术要求选用了水溶性淬火液--今禹8-60型。经试验按8%-10%的比例配比最为理想，未出现裂纹，且试验结果得到明显的改善。
（2）防止裂纹的控制措施：①采用水溶性淬火液，合理控制淬火液的浓度和冷却时间。
②改进感应器，针对R圆角和φ106和φ93外圆端面处，在仿形感应器对应位置处增加导磁体，提高了倒角、圆台处的奥氏体化温度，弥补了因冷速降低而造成的表面硬度下降。
③严格控制淬火、回火时间间隔，回火充分，规定一小时内回火。
④合理控制淬火前零件的加工过程，严禁出现倒角尖锐、过度圆台倒角太小、花键键槽毛刺较大、花键撕裂等加工缺陷。
4.总结
采用仿形感应器中频感应淬火，不但能够避免齿轮轴表层硬度低和硬化层不均匀现象，而且满足了齿轮轴R圆角、台阶部位的淬硬层要求，实现了同步加热。主要有以下优势：
（1）由于零件与感应器均处于固定状态，克服了传统扫描式感应器加热时因移动而产生质量不稳定的情况。
（2）感应器加热部位与冷却套独立设置，不易损坏，维护成本低，生产效率高。
（3）通过合理控制水溶性淬火液的浓度和喷冷时间、淬火前加工的精度和倒角、以及回火的及时性，避免了零件的淬火开裂和后期早期失效的危险，提高了表面强度和转矩性能。
参考文献
[1]中国工程机械学会热处理学会编. 4版.热处理手册.第一卷，工艺基础-----北京：机械工业出版社，2008.1
【关键词】圆柱齿轮轴;仿形感应器;感应淬火;开裂因素;控制措施
引言
主动圆柱齿轮轴是用于主动、被动齿轮之间传递转动、扭矩或弯矩，并与之一起回转的传动零件，该零件结构和使用方式决定了它应具有表面高强度、高耐磨性，而心部具有良好韧性，且能承受高转矩的特点。传统的热处理强化方法主要采用表面渗碳淬火，但采用普通渗碳淬火工艺可能会产生诸多不足，常见的问题有：同一零件不同部位要求难以保证，零件较粗时心部硬度偏低，渗碳淬火生产周期长、变形大。而目前正在兴起的采用中碳钢调质+感应淬火工艺，不但解决了传统渗碳淬火过程中存在的难题，而且极大地提高了生产效率。
本文所述齿轮轴采用42CrMoH材料，零件采用三段式外花键设计，硬化层区别要求。
零件硬化层要求：杆部：9.0-11mm，花键处：5.5-8.5mm，R弧处：≥4mm，轴两端和中部花键局部不要求淬火，详见下图：
表面硬度：56-62HRC。
零件制造路线为：锻造--正火--粗车--调质--精车加工--中频淬火--磨外圆。42CrMoH材料中加入大量的Mo元素，一方面提高钢材的淬透性，增加回火稳定性，消除第二类回火脆性;另一方面因材料淬透性的提高，增大了感应淬火开裂倾向。下文主要从感应器设计，工艺方法、冷却介质的控制、开裂原因和预防措施等方面介绍了主动圆柱齿轮轴的中频感应淬火技术。
1.仿形感应器的特点和优势
（1）起初试验此产品时，采用了扫描式圆圈感应器淬火，结果未能达到图纸要求，主要存在以下几方面的问题：
①φ106圆和φ93圆端面始终存在加热不足的现象，温度很难达到830℃以上，淬火后此两处硬度低于56HRC;②R弧硬化层<4mm;③φ93圆、φ70圆、φ56圆处硬化层深不一致;④表面金相组织：针状和板条状马氏体，并有少量的托氏体和铁素体。
针对上述试验中出现的问题进行分析，由于该齿轮轴粗细不一致，在同一扫描感应圈加热时，随感应器与零件间距的增大，集肤效应和邻近效应随之减弱，单位表面积上电流减小，加热不足，导致局部表面温度较低、奥氏体化不完全，冷却后不同部位硬化层不均，表面硬度和金相组织不合格。
（2）针对采用扫描式圆圈感应器淬火出现的问题改进了感应器结构，，采用仿形式感应器加热，并配套使用水盒两侧喷水，试验情况得到明显改善。淬火后零件表面硬度58HRC以上，各处硬化层符合图纸要求，表面金相组织：针状和板条状马氏体，淬硬层内未出现托氏体等非马氏体组织。仿形感应器试验成功的原因在于：
①仿形感应器是完全按照零件的结构和淬硬层区域仿制而成，并具备整体同步加热、同步淬火的特点，此种结构的优势在于感应器与零件表面的间距基本一致（2-3mm），实现了同步加热。
②仿形感应器在设计时充分利用电磁感应、集肤效应、热传导等基本原理，通过机械加工、焊接而成。在设计感应器时，针对φ106和φ93外圆端面倒角处设计为角状，考虑到花键、R角，台阶等不易加热，故在感应器对应位置外加导磁体，使电流集中，有效提高了集肤效应和热传导效应，提高了R角和台阶部位温度，实现了不同部位同步加热淬火的目的，避免了扫描式圆圈感应器加热淬火存在的缺陷。另外，仿形感应器与扫描式感应器相比，除淬后火零件的质量稳定外，生产效率也较后者提高不少。
2.中频淬火工艺
（1）应用设备：使用立式数控淬火机床+可控硅中频电源。主要参数：额定功率160kw，输出频率：4000HZ，输出电流400A。仿形感应器。
（2）工艺参数。实际功率：130kw，直流电压：425V，直流电流：305A，中频电压：475V，中频频率：4200HZ;主轴转速：240r/min，冷却介质：水溶性淬火液（今禹8-60），按8%-10%配比。
加热时间：长端为28S，短端为21S;喷液冷却时间：长端40-43S，短端30-33S。
回火温度/时间：150×3小时。
（3）检测结果：花键处表面硬度：58.0-59.5HRC，杆部：56.5-57HRC;各处硬化层均符合图纸要求。
金相组织：针状+板条状马氏体，未发现明显的非马组织，在表层下7mm左右开始出现少量游离状铁素体，符合感应淬火金相标准。
3.影响零件开裂的因素和控制措施
（1）开裂因素分析。该零件设计用材料为42CrMoH，要求表面硬度56-62HRC，起初试验阶段，基于从提高表面耐磨性和强度的方向考虑，采用喷水冷却，淬火后表面硬度达到60HRC，R圆弧达到58HRC，硬化层和金相组织亦符合要求，但出现了表层花键端部开裂的现象，开裂比例约30%。裂纹延伸方向大多为圆周方向，多出现在倒角处，开裂原因主要是零件的尖角效应和淬火组织应力、热应力的综合体现。
经分析，从齿轮轴淬火前结构考虑，如果将花键倒角处设计加工为大R弧，同时通过控制水温和喷水时间，应该能避免裂纹出现，但由于淬火后硬度较高，R弧加工难度较大，且对花键会产生不利影响。另外，如外界气温较低时，水温不易控制，淬火零件仍存在开裂的隐患，最终否定采用喷水冷却的方法，转变思路，考虑使用水基淬火液进行冷却。根据材料性能和该产品的技术要求选用了水溶性淬火液--今禹8-60型。经试验按8%-10%的比例配比最为理想，未出现裂纹，且试验结果得到明显的改善。
（2）防止裂纹的控制措施：①采用水溶性淬火液，合理控制淬火液的浓度和冷却时间。
②改进感应器，针对R圆角和φ106和φ93外圆端面处，在仿形感应器对应位置处增加导磁体，提高了倒角、圆台处的奥氏体化温度，弥补了因冷速降低而造成的表面硬度下降。
③严格控制淬火、回火时间间隔，回火充分，规定一小时内回火。
④合理控制淬火前零件的加工过程，严禁出现倒角尖锐、过度圆台倒角太小、花键键槽毛刺较大、花键撕裂等加工缺陷。
4.总结
采用仿形感应器中频感应淬火，不但能够避免齿轮轴表层硬度低和硬化层不均匀现象，而且满足了齿轮轴R圆角、台阶部位的淬硬层要求，实现了同步加热。主要有以下优势：
（1）由于零件与感应器均处于固定状态，克服了传统扫描式感应器加热时因移动而产生质量不稳定的情况。
（2）感应器加热部位与冷却套独立设置，不易损坏，维护成本低，生产效率高。
（3）通过合理控制水溶性淬火液的浓度和喷冷时间、淬火前加工的精度和倒角、以及回火的及时性，避免了零件的淬火开裂和后期早期失效的危险，提高了表面强度和转矩性能。
参考文献
[1]中国工程机械学会热处理学会编. 4版.热处理手册.第一卷，工艺基础-----北京：机械工业出版社，2008.1