超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉超大模数齿条的热处理，尤其是一种超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺，感应器为形状与齿条的齿槽断面形状相适配的仿形感应器，包括如下步骤：A、将齿条放置在中频感应淬火机床上；B、通过感应器对齿条齿槽的齿面和齿根同时进行加热；C、风冷，冷却速率大于临界冷却速率，风冷后齿条加热区表面温度位于马氏体转变区；D、在齿条加热区表层的淬硬层深度范围内的温度梯度稳定后，实施液冷，完成组织转变，液冷的冷却速率大于临界冷却速率。该工艺能够保证齿条获得较高硬度和较深硬化层，同时有效改善齿根处的应力状态，避免齿根开裂及延迟开裂，适用于超大模数齿条的淬火，尤其是铸件超大模数齿条。
【专利说明】超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉超大模数齿条的热处理，尤其是一种超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺。
【背景技术】
[0002]齿轮、齿条机构是重要的传动部件，也是常用的长距离驱动方式，与带、链、摩擦、液压、丝杆等其他机械传动形式相比，具有传动精度和效率高、传动平稳、承载能力强、功率范围大、可靠性好、可无限长度对接延续、结构紧凑、成本低、使用寿命长等优点，被广泛运用于机械、航空、仪表等行业，成为各类机械不可或缺的传动部件，在现代机械制造行业中占有重要的地位。其中，齿条作为重要的基础部件，其质量、性能、寿命直接影响到整机的技术经济指标。
[0003]随着各类大型机械提升设备的大量应用，对齿条的需求日益增加。目前齿条的生产，正朝着大模数、超长长度两个方向发展，尤其是模数在50mm < m < 150mm的超大模数重载齿轮齿条机构，常用于一些大型、超大型设备的升降系统，如用于海上石油开采的自升式海洋平台升降系统、齿轮齿条爬升式垂直升船机承船厢的升降驱动装置。
[0004]超大模数齿轮齿条的制造属于极限加工，技术含量高，尤其是超大模数齿条的淬火工艺更是整个系统制造中的瓶颈问题。对于大模数重载齿条，为保证其强的耐磨性，通常要求较高的硬度，同时要求较深的硬化层，若硬化层较浅，则齿条在工作负荷较重时，由于过渡区有较大的淬火残留拉应力，此应力与工作中的接触应力相叠加，会使过渡区产生疲劳裂纹并扩展到齿面，极易导致硬化层易从过渡区剥落；其次，为增强齿的抗弯强度，要求淬硬层沿齿面、齿根连续分布，若淬硬层终止于齿根，则齿条工作时，由于齿根处为过渡区组织，其淬火残留应力是拉应力，此应力与工作中形成的拉应力相叠加，极易使齿根产生裂纹。以某3000吨级升船机齿条为例，由于其形状、结构的特点，只能采用铸件；同时，要求齿条耐磨、高强、高韧性，淬硬层深`度要求达到> 5mm、表面硬度要求> HV520，且需要在淬火时控制变形。
[0005]但当前，常规的超大模数齿条的热处理工艺，主要有两种:一、主要适用于对表面硬度无特别高要求的情况，整体调质热处理，且调质处理即为最终热处理；二、主要适用于对淬硬层深度无特别高要求的情况，采用锻件，在预备热处理后进行表面淬火或渗碳淬火处理，淬硬层深度一般仅为3~4mm左右。因此，现有的常规热处理工艺均不能满足对大模数重载齿条性能的要求。
[0006]为了解决上述问题，上海重型机器厂有限公司进行了相关研究，并在2011年第13期的《金属加工(热加工)》上发表了题为《大型齿条中频感应淬火试验及质量分析》的论文。文中，齿条为铸件，采用G42CrMo4合金钢制成；其热处理工艺包括:A、调制处理，调制淬火采用浸油冷却、采用单齿沿齿廓连续淬火法对齿条的齿面和齿根同时进行表面淬火，冷却方式为喷水器喷射，冷却介质为聚合物水溶液；C、低温回火。根据文中的检测，其齿面硬度约为600HV、有效淬硬层深度约为7mm，齿根硬度约为540HV、有效淬硬层深度约为5mm。[0007]但 申请人:发现，上述论文中的淬火工艺，虽然能够满足大模数重载齿条对硬度、淬硬层深度及淬硬层沿齿面、齿根连续分布的要求，但其采用喷射冷却液的快速冷却方式，无法消除齿条齿根处潜在的不利残余应力对产品使用产生的不利影响，容易产生淬火裂纹和变形，即使产品未发现开裂，在使用中也极易由于延迟裂纹而影响整机使用。因此，急待开发新的工艺以满足对大模数重载齿条性能的要求。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的技术问题是提供一种超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺，该工艺能够保证齿条获得较高硬度和较深硬化层，并有效改善齿根处的应力状态，避免齿根处残余应力可能导致的淬火开裂及延迟开裂。
[0009]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0010]超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺，所采用中频感应淬火机床的感应器为形状与齿条的齿槽断面形状相适配的仿形感应器，包括如下步骤:
[0011]A、将齿条放置在中频感应淬火机床上；
[0012]B、通过感应器对齿条齿槽的齿面和齿根同时进行加热，齿条加热区在完成加热后，在齿条加热区表层的淬硬层深度范围内均达到淬火温度；
[0013]C、对齿条完成加热的加热区实施风冷，风冷的冷却速率大于临界冷却速率，且风冷后齿条加热区表面温度位于马氏体开始转变温度和马氏体终止转变温度之间；
[0014]D、在齿条完成风冷后，且经热传导作用，在齿条加热区表层的淬硬层深度范围内的温度梯度稳定后，对加热区实施液冷，完成组织转变，液冷的冷却速率大于临界冷却速率。
[0015]进一步的，在所述步骤B中，采用连续感应加热法，感应器沿齿宽方向运动实施连续感应加热。
[0016]进一步的，在所述步骤B中，采用单齿连续感应加热，每次仅对齿条的单条齿槽进行加热，对齿条的各齿槽分别重复步骤B完成整个齿条的加热。
[0017]进一步的，所述中频感应淬火机床设置有与感应器相邻并随动的喷淋冷却装置；在所述步骤C中，向喷淋冷却装置通气，随感应器沿齿宽方向的运动对齿条加热区实施连续风冷；在所述步骤D中，向喷淋冷却装置通入冷却液，随感应器沿齿宽方向的运动对齿条加热区实施连续液冷；对齿条的各齿槽分别重复步骤B、步骤C和步骤D完成整个齿条的表面淬火。
[0018]作为一种优选，所述喷淋冷却装置位于感应器的下方，在所述步骤A中，在放置齿条时，齿条的齿宽方向垂直于水平方向，在步骤B、步骤C和步骤D中，感应器均沿齿宽方向由下至上运动。
[0019]作为一种优选，在经感应器实施加热的同时向喷淋冷却装置通气，随感应器的运动，同步完成步骤B和步骤C ;在完成加热和风冷后，关闭感应器并停止向喷淋冷却装置通气，然后向喷淋冷却装置通入冷却液，随感应器的运动完成步骤D。
[0020]进一步的，将两件齿条背靠背的连接在一起，使两件齿条构成一个整体，且两件齿条的齿对称分布于两侧；在步骤A中将连接在一起的两件齿条放置在中频感应淬火机床上，在步骤A的后续步骤中对连接在一起的两件齿条的对应齿槽进行同步处理。[0021]作为一种优选，所述齿条采用CrNiMo铸钢材料制成。最优的，所述齿条采用G35CrNiMo6-6材料制成；步骤B中，要求加热后，在齿条加热区淬硬层深度处的温度为750~950°C ;在步骤C中，风冷后齿条表面的温度为200~400°C。作为一种优选，在所述步骤C中，向喷淋冷却装置通入压缩空气；在所述步骤D中，向喷淋冷却装置通入水基淬火介质。
[0022]本发明的有益效果是:本发明的淬火工艺，通过空冷加液冷的分步冷却方式，使得最终淬火后淬硬区内热应力和组织应力的综合作用效果表现为压应力，从而能够保证齿条获得较高硬度和较深硬化层，同时有效改善齿根处的应力状态，避免齿根处残余应力可能导致的淬火开裂及延迟开裂，满足齿条的使用性能。
【具体实施方式】
[0023]下面结合实施例对本发明进一步说明。
[0024]本发明的超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺，所采用中频感应淬火机床的感应器为形状与齿条的齿槽断面形状相适配的仿形感应器，包括如下步骤:
[0025]A、将齿条放置在中频感应淬火机床上；
[0026]B、通过感应器对齿条齿槽的齿面和齿根同时进行加热，齿条加热区在完成加热后，在齿条加热区表层的淬硬层深度范围内均达到淬火温度；
[0027]C、对齿条完成加热的加热区实施风冷，风冷的冷却速率大于临界冷却速率，且风冷后齿条加热区表面温度位于马氏体开始转变温度和马氏体终止转变温度之间；
[0028]D、在齿条完成风冷后，且经热传导作用，在齿条加热区表层的淬硬层深度范围内的温度梯度稳定后，对加热区实施液冷，完成组织转变，液冷的冷却速率大于临界冷却速`率。
[0029]为保证超大模数重载齿条的淬硬层深度，本发明的工艺同样采用中频感应表面淬火，淬火前的调制处理和淬火后的低温回火采用现有工艺进行。但与现有中频感应表面淬火相区别的，本发明的中频感应表面淬火采用先风冷再液冷的分步冷却方式。上述临界冷却速率、淬火温度以及奥氏体转变临界温度、马氏体转变开始和终止温度等按钢种根据相关手册，如《热处理手册》、相关标准等进行查询和设定；中频感应淬火的电参数根据淬火温度、淬硬层深度要求结合设备相关资料进行设定。
[0030]本发明淬火工艺的分步冷却方式，首先通过风冷对齿条加热区进行冷却，通过风冷快速降低齿条加热区表面温度，风冷后齿条加热区表面温度位于马氏体开始转变温度和马氏体终止转变温度之间，表面风冷及风冷期间和之后的基体热传导可以将淬火区域温度降低，在齿条加热区表层的淬硬层深度范围内的温度梯度稳定后，使得风冷后齿条加热区表层的淬硬层深度范围内温度均在马氏体开始转变温度附近，通过缓和冷却过程，有效减少热应力的作用；然后，通过液冷快速冷却，快速通过亚稳定奥氏体区，完成马氏体转变。通过空冷加液冷的分步冷却方式，使得最终淬火后淬硬区内热应力和组织应力的综合作用效果表现为压应力，从而能够保证齿条获得较高硬度和较深硬化层，同时有效改善齿根处的应力状态，避免齿根处残余应力可能导致的淬火开裂及延迟开裂，满足齿条的使用性能。上述加热区，即齿条与感应器相对的区域；所述齿条加热区表层的淬硬层深度范围内的温度梯度稳定，可通过齿条加热区表面的温度变化进行判断，风冷后表面温度在热传导作用下上升，待上升趋势终止时即可判定温度梯度稳定。
[0031]本发明的淬火工艺，可以采用连续感应加热法，也可以采用同时感应加热法。其中，同时感应加热法，即工件需要淬硬的区域整个被感应器包围，通电加热到淬火温度后实施冷却淬火；连续感应加热法，即工件与感应器相对移动，使加热连续不断地进行。但超大模数齿条，即使分段制作，其体量也较大，因此，最好的，在所述步骤B中，采用连续感应加热法，感应器沿齿宽方向运动实施连续感应加热。进一步的，在所述步骤B中，采用单齿连续感应加热，每次仅对齿条的单条齿槽进行加热，对齿条的各齿槽分别重复步骤B完成整个齿条的加热。
[0032]同样的，加热后的冷却，可采用与感应器相邻并随动的喷淋冷却装置实施喷淋冷却，也可以采用将工件浸进淬火槽中进行冷却。如:在放置齿条时，齿条的齿宽方向平行于水平方向，感应器对齿条的各齿槽由下至上分别加热；每完成一个齿槽的加热后，首先通过鼓风装置对该齿条进行风冷，然后齿条下移将该齿槽浸入淬火槽的冷却介质中。
[0033]但采用连续感应加热法时，浸进淬火槽的冷却方式，可能导致齿槽各处的最终淬火性能不一致。因此，与连续感应加热法相适应的，所述中频感应淬火机床设置有与感应器相邻并随动的喷淋冷却装置；在所述步骤C中，向喷淋冷却装置通气，随感应器沿齿宽方向的运动对齿条加热区实施连续风冷；在所述步骤D中，向喷淋冷却装置通入冷却液，随感应器沿齿宽方向的运动对齿条加热区实施连续液冷；对齿条的各齿槽分别重复步骤B、步骤C和步骤D完成整个齿条的表面淬火。
[0034]为了进一步保证齿槽各处最终淬火性能的一致，在步骤B、步骤C和步骤D中，感应器运动一致，同时，为了避免冷却液对相邻齿槽及相邻加热区的影响，保证淬火性能和处理效率，最好的，所述喷淋冷却装置位于感应器的下方，在所述步骤A中，在放置齿条时，齿条的齿宽方向垂直于水平方向，在步骤B、步骤C和步骤D中，感应器均沿齿宽方向由下至上运动。
[0035]为了进一步提高淬火性能，缩短加热和冷却之间的时间间隔，并提高处理效率，在经感应器实施加热的同时向喷淋冷却装置通气，随感应器的运动，同步完成步骤B和步骤C ;在完成加热和风冷后，关闭感应器并停止向喷淋冷却装置通气，然后向喷淋冷却装置通入冷却液，随感应器的运动完成步骤D。
[0036]进一步的，将两件齿条背靠背的连接在一起，使两件齿条构成一个整体，且两件齿条的齿对称分布于两侧；在步骤A中将连接在一起的两件齿条放置在中频感应淬火机床上，在步骤A的后续步骤中对连接在一起的两件齿条的对应齿槽进行同步处理。由于两件齿条在淬火过程中的变形方向相反，因此能互为反力，能有效避免了齿条的变形，保证淬火后齿条的形状和尺寸精度。为了方便连接，最好采用连接工装将两齿条背靠背的连接在一起，连接工装的形式可以是任意的。
[0037]有关齿条制备材料的选择，可在现有各种用于制备超大模数齿条的钢种中，结合设备要求、坯料的成型工艺要求、钢种的CCT曲线及风冷的冷却能力进行选择，其选择应当满足淬火的必要条件:加热温度在奥氏体临界点以上，获得奥氏体；冷却速率大于临界冷却速率，也即保证其在冷却过程中不会碰到其CCT曲线的鼻尖，进而获得马氏体或贝氏体。
[0038]最好的，所述齿条采用CrNiMo铸钢材料制成。其中，Ni的晶格常数与Y-铁相近，可成连续固溶体，有利于提高钢的淬硬性，降低临界点并增加奥氏体的稳定性，降低淬火温度，提高淬透性，同Cr、W或Cr、Mo结合的时候,淬透性尤可增高；Cr是中等碳化物形成元素，在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，使其具有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性，同时Cr能降低淬火时的临界冷却速度，有助于马氏体形成并提高马氏体的稳定性，提高淬透性，降低淬火变形；Mo与Cr、Ni结合可大大提高淬透性，细化晶粒，提高韧性。其次，CrNiMo铸钢耐腐蚀性，能适应于超大模数重载齿条的使用环境。
[0039]作为一种优选，齿条采用G35CrNiMo6-6材料制成。G35CrNiMo6_6为铸钢材料，根据DIN EN 10293-2005铸钢件材质标准，其成分百分比为:C 0.32%~0.38%、Si ( 0.60%、Mn 0.60% ~1.00%、P ≤0.025%、S ≤ 0.020%、Cr 1.40% ~1.70%、Mo 0.15% ~0.35%、Ni
1.40%~1.70%。G35CrNiMo6-6材料，由于铬、镍含量显著增加，亚稳定奥氏体连续转变速度减慢，即使采用较慢的冷却速度也不会碰到其CCT曲线的鼻尖，也即在较慢的冷却速度下也能完全转变成马氏体，能方便风冷加液冷分步冷却方式的实现。为了进一步提高表面淬火硬度，提高钢材的冶金质量，降低气体含量，以减少非金属夹杂，防止各种铸件缺陷对淬火的影响，最好控制碳含量在0.34~0.37%、氢含量达到2ppm以下、氧含量达到25ppm以下、氮含量达到IOOppm以下。
[0040]对于G35CrNiMo6_6材料制成的齿条，步骤B中，要求加热后，在齿条加热区淬硬层深度处的温度为750~950°C;在步骤C中，风冷后齿条表面的温度为200~400°C。感应加热为内热源，表面温度波动大，也无法对齿条内部温度实施监控，因此，在实施前，应当结合设备资料，通过实验确定具体采用的中频感应淬火机床的参数同加热区淬硬层深度处温度的关系。风冷后齿条表面温度在200~400°C之间，刚好在G35CrNiMo6-6材料的马氏体转变区内，也即温度位于马氏体开始转变温度和马氏体终止转变温度之间，此后再采用液冷，对齿条进行快速冷却，使齿条完成马氏体转变。若风冷后齿条表面的温度小于200°C，表层已经完成马氏体转变， 工件的内部潜热释放，使齿条表面温度提高，最终得到的组织可能为非完全马氏体组织，从而影响齿条淬硬层深度及性能；空冷后齿条表面的温度大于400°C，齿条内外温度梯度小，不利于应力状态的改善。空冷参数的设定，综合冷却速率要求及感应器移动速度进行设定。由于感应加热为内热源加热，且受空冷气流波动、内部传热等因素影响，表面温度波动加大，因此，空冷后的表面温度仅要求控制在200~400°C范围内即可，不要求对其实施精确控制。
[0041]风冷的气体可以采用氮气、惰性气体等，只需保证其冷却效果即可。为了降低成本，最好的，采用空气，也即在所述步骤C中，向喷淋冷却装置通入压缩空气。所述步骤D中的冷却液可以采用任意现有的液体淬火介质，但应当满足淬火冷速要求，避免碰到CCT曲线的鼻尖，保证最终获得的淬火组织。其中最好的，在所述步骤D中，向喷淋冷却装置通入水基淬火介质。水基淬火介质，是由一种液态的有机聚合物和腐蚀抑制剂组成的水溶性溶液，有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等，冷却能力介于水和油之间。当工件淬入水基淬火介质时，工件表面形成一层蒸汽膜和一层凝胶薄膜，两层膜使加热工件冷却；进入沸腾阶段后，薄膜破裂，工件冷却加快，当达到低温时，聚乙烯醇凝胶膜复又形成，工件冷却速度又下降，所以这种溶液在高、低温区冷却能力低，在中温区冷却能力高，能有效改善残余应力分布。
[0042]实施例[0043]在某厂根据本发明的淬火工艺设计进行了工程试验，试样齿条均为铸件，采用G35CrNiMo6_6材料制成，齿条模数66.667mm、齿高141mm、齿宽810mm、每件齿条含24个齿，要求淬硬层深度> 5mm、表面硬度> HV520。在淬火之前，按现有工艺根据DIN EN10293-2005铸钢件材质标准进行调质。
[0044]淬火前，将两件齿条经连接工装背靠背的连接在一起，使两件齿条构成一个整体，且两件齿条的齿对称分布于两侧，连接工装采用本 申请人:的专利号为ZL 201120545825.3、发明名称为超大模数齿条表淬防变形工装的实用新型专利所述的工装。
[0045]在实施前，按淬硬层深度要求结合淬火温度要求和设备资料，通过实验确定具体采用的中频感应淬火机床的参数，试验方法采用钻孔法，在距离齿面和齿根5mm处焊接热电偶进行温度检测。由于感应加热时，当温度超过居里温度后，导磁率减小，感应电流透入深度、加热速度随之变化，因此在整个齿条的加热过程中，参数为动态的，而非定值。参数设定，具体如下表1所示，各实施例的温度通过运动速度按比例调节。
[0046]表1、中频感应淬火机床的参数
[0047]
【权利要求】
1.超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺，所采用中频感应淬火机床的感应器为形状与齿条的齿槽断面形状相适配的仿形感应器，包括如下步骤: A、将齿条放置在中频感应淬火机床上； B、通过感应器对齿条齿槽的齿面和齿根同时进行加热，齿条加热区在完成加热后，在齿条加热区表层的淬硬层深度范围内均达到淬火温度； C、对齿条完成加热的加热区实施风冷，风冷的冷却速率大于临界冷却速率，且风冷后齿条加热区表面温度位于马氏体开始转变温度和马氏体终止转变温度之间； D、在齿条完成风冷后，且经热传导作用，在齿条加热区表层的淬硬层深度范围内的温度梯度稳定后，对加热区实施液冷，完成组织转变，液冷的冷却速率大于临界冷却速率。
2.如权利要求1所述的超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺，其特征在于:在所述步骤B中，采用连续感应加热法，感应器沿齿宽方向运动实施连续感应加热。
3.如权利要求2所述的超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺，其特征在于:在所述步骤B中，采用单齿连续感应加热，每次仅对齿条的单条齿槽进行加热，对齿条的各齿槽分别重复步骤B完成整个齿条的加热。
4.如权利要求3所述的超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺，其特征在于:所述中频感应淬火机床设置有与感应器相邻并随动的喷淋冷却装置；在所述步骤C中，向喷淋冷却装置通气，随感应器沿齿宽方向的运动对齿条加热区实施连续风冷；在所述步骤D中，向喷淋冷却装置通入冷却液，随感应器沿齿宽方向的运动对齿条加热区实施连续液冷；对齿条的各齿槽分别重复步骤B、步骤C和步骤D完成整个齿条的表面淬火。
5.如权利要求4所述的`超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺，其特征在于:所述喷淋冷却装置位于感应器的下方，在所述步骤A中，在放置齿条时，齿条的齿宽方向垂直于水平方向，在步骤B、步骤C和步骤D中，感应器均沿齿宽方向由下至上运动。
6.如权利要求4所述的超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺，其特征在于:在经感应器实施加热的同时向喷淋冷却装置通气，随感应器的运动，同步完成步骤B和步骤C ;在完成加热和风冷后，关闭感应器并停止向喷淋冷却装置通气，然后向喷淋冷却装置通入冷却液，随感应器的运动完成步骤D。
7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺，其特征在于:将两件齿条背靠背的连接在一起，使两件齿条构成一个整体，且两件齿条的齿对称分布于两侧；在步骤A中将连接在一起的两件齿条放直在中频感应洋火机床上，在步骤A的后续步骤中对连接在一起的两件齿条的对应齿槽进行同步处理。
8.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺，其特征在于:所述齿条采用CrNiMo铸钢材料制成。
9.如权利要求8所述的超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺，其特征在于:所述齿条采用G35CrNiMo6-6材料制成；步骤B中，要求加热后，在齿条加热区淬硬层深度处的温度为750~950°C ;在步骤C中，风冷后齿条表面的温度为200~400°C。
10.如权利要求9所述的超大模数重载齿条的中频感应淬火工艺，其特征在于:在所述步骤C中，向喷淋冷却装置通入压缩空气；在所述步骤D中，向喷淋冷却装置通入水基淬火介质。
【文档编号】C21D9/32GK103627880SQ201310693560
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】史苏存, 刘继全, 陶凤云, 魏新强 申请人:二重集团（德阳）重型装备股份有限公司