• 結合滲碳工藝和感應工藝，解決了大模數齒輪整體感應淬火無法解決的硬化層深度問題。

齒輪淬火后能夠提高表面硬度，進而大大提高耐磨性和疲勞壽命，故大多數重載齒輪均需淬火。對于大模數齒輪淬火常用的熱處理淬火工藝有三種：整體感應淬火、單齒感應淬火、滲碳淬火，三種工藝方式各有優缺點。本文討論了一種大模數齒輪的復合熱處理工藝，將滲碳淬火及感應加熱淬火工藝進行綜合應用，得到了較好的硬度和硬化層分布。

1.齒輪簡介

齒輪模數為7，齒頂圓直徑585.94（0-0.7）mm，齒輪簡圖見圖1，設計材料為S48C，化學成分見表1。針對該種齒輪結構及材料特點，首先考慮淬火工藝為感應加熱淬火。設計工藝路線為：下料→鍛造→正火→粗車→調質→精車→滾齒→感應淬火→回火→磨齒。

齒輪的感應加熱淬火通常有兩種方案：單齒連續加熱感應淬火和整體加熱感應淬火。一般而言大模數、大尺寸的齒輪常采用單齒連續感應加熱淬火，此種工藝不要功率太大的電源即可實現淬火，并且齒圈硬化層分布較為均勻，但需要感應淬火機床具有較好的分度精度以實現所有齒的淬火；小模數齒輪常采用整體加熱感應淬火，該種工藝方法不僅具有非常高的生產效率，還可以保證齒輪具有良好的硬化層分布。

我公司現有較多的齒輪感應淬火設備，但是均不具備分度功能，無法采用單齒連續感應淬火，但是我公司具有800kW電源可滿足整體加熱功率需求，可嘗試使用整體加熱感應淬火。我們制定了整體感應加熱淬火工藝方案，并進行多次嘗試，如圖2所示，但是均無法取得較好的試驗效果。

當齒頂硬化層深度滿足要求，齒根硬化層往往過淺無法滿足要求；而齒根硬化層滿足要時，齒頂、節圓處硬化層已經超出要求范圍，無法做到齒頂、節圓、齒根硬化層同時滿足要求，如圖3所示。考慮多方面的因素，我們分析造成上述問題的原因主要有兩個方面：

（1）感應加熱電流透入深度主要受電流頻率、磁導率、電阻率影響，對于大模數、大尺寸的齒輪而言，齒頂和齒溝距離較大，齒頂距離感應器較近、齒溝距離感應器較遠，在單一頻率下感應加熱時齒頂和齒溝的加熱速度具有非同時性，齒頂加熱較快，齒溝加熱較慢。

（2）齒溝靠近基體，加熱齒溝時基體吸收大量的熱量，造成齒溝加熱速度較慢，而齒頂加熱時向內傳遞的熱量較慢。為此，要解決大模數齒溝硬化層的深度問題，勢必需要延長加熱時間，這樣就造成齒頂加熱深度過深，硬化層過深。

整體感應加熱淬火無法滿足需求，我們嘗試使用滲碳工藝，采用20CrMnMo材質，調整工藝路線為：鍛造→正火→粗車→精車→滾齒→滲碳→淬火→高溫回火→加工滲碳層→淬火→磨齒。該種工藝方法先后進行了兩次淬火，出現較大的變形，最大變形處可達到1mm，磨齒時部分位置磨不到，部分位置磨削量過大，該種工藝方法無法滿足需求。

2.新工藝的開發

針對上述試驗情況，我公司經過多次討論可否嘗試將滲碳工藝和感應工藝綜合使用，即滲碳淬火后高溫回火，然后再使用感應加熱淬火。我們分析認為20CrMnMo齒輪滲碳后僅有齒輪表面滲碳層處含碳量較高，而滲碳層內過渡區和心部仍屬于低碳區，感應加熱淬火后表面高碳區屬于高硬度區，而過渡區及心部即使加熱達到淬火溫度，由于其低碳特點，也無法獲得較高的淬火硬度。

我們將工藝路線再次調整為：鍛造→正火→粗車→精車→滾齒→滲碳→淬火→高溫回火→加工→感應淬火→磨齒。采用上述工藝方案，并進行實施，滲碳和感應加熱淬火后齒輪檢測其齒頂硬化層深度為6.2mm，齒溝硬化層深度為2.5mm，節圓處硬化層為4.0mm，如圖4所示。齒面硬度59HRC、齒頂硬度59HRC、齒根硬度59HRC，金相組織為3級馬氏體，殘留奧氏體含量15%，碳化物1級，如圖5所示，達到圖樣及標準要求。

該種工藝生產的齒輪硬度達到58～62HRC，較普通感應淬火硬化提高，并且硬化層表面含有細小的碳化物，耐磨性大大提高，同時20CrMnMo材質基體強度也高于S48C，各方面性能均得到提高，變形量也較單一的整體加熱感應淬火齒輪減小，磨削后齒輪完全滿足需求。

3.結語

本次試驗創新性的將滲碳工藝和感應工藝相結合，解決了大模數齒輪整體感應淬火無法解決的硬化層深度問題。