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高频淬火设备及氮化来代替齿轮的渗碳

时间:2016-09-02 09:09编辑:万领高频点击:

齿轮是许多机械产品不可缺少的传动部件,被公认为是工业化的一种象征。

1.1齿轮的服役条件

齿面:由接触应力而产生的剪切应力的反复作用产生疲劳点蚀和剥落,齿轮表面还承受摩擦和磨损。

齿根:轮齿根部的弯曲应力最大,齿根部受拉应力,要求有较高的正断抗力。

失效形式:轮齿折断、齿面破坏和塑性变形 

1.2齿轮的热处理

 渗碳-层深可调,温度高,周期长,畸变大, 能耗高,污染大渗氮- 难实现深层氮化,温度低,畸变小,能耗低,污染小 感应淬火-加工时间短,崎变小、节能、污染小,成本低,易于   实现在线生产,过渡层的组织性能难以控制。 图1.各种表面改性的CO2/kg排量(计算值)

感应淬火环境污染:0.078kgCO2/kg工件仅是普通渗碳的23.56%。能用氮化及感应淬火代替渗碳?

2. PreNit. LPC技术(波兰,获欧、美专利) 

      LCP可高温渗碳,渗碳速度快,但晶粒长大。波兰的西科沃克企业发明了PreNit.LPC工艺(图5)可抑制A晶粒长大,渗碳时间减少30-60%以16MnCr5钢渗碳为例:

(1)930℃×2mm渗碳,需要21h,而 1030℃PreNit. LPC仅不到10h ;980 ~1030  ℃ × 1.2mm PreNit. LPC时间较930℃的渗碳时间减少30-40%.(薄层渗氮不明显)

(2)930℃ × 0.6mm普通渗碳,A晶粒直径  16.7μm ,而 PreNit. LPC 1000℃ ×    0.6mm PreNit. LPC A晶粒直径为13.6μm.

3、用高频淬火设备及氮化来代替齿轮的渗碳

(1)齿面的接触应力与模数及渗层大小有关(图6、7)图6.齿面接触应力与渗碳层层深的关系图 图7. 渗碳与渗氮齿轮 应力布经中等硬度调质后,层深0.5mm渗N齿轮可代替 ,1.2mm的渗碳齿轮

(2) 渗N与渗C齿轮强度对比(表2)发现,可控  渗N是代替渗C的有效方法

 

(3)渗N层的深度与齿轮模数有关(如图8)(模数为12mm的齿轮δ=0.7mm),图8渗N层的深度与齿轮模数的关系

(4)重载齿轮用渗N代替渗C的条件

 ◆齿面应有较高的硬度(800~1000HV);

 ◆渗N层次表层0.1mm处的硬度>900HV ;

 ◆渗N层深度>0.7mm;

 ◆心部硬度应达到400 ~ 450HV。

(5)新型沉淀硬化型渗N齿轮钢  ( 20CrNi3Mn2Al)

 1)特点:

  ◆ 850~900℃加热保温后空冷,主要组织   为B,硬度为283~332HB(HRC30~36),

  ◆  可加工成型;

 ● 离子表面渗N与心部沉淀硬化同时进行

 ◆变温离子深层氮化

  经520~540℃X50h变温离子N化,δ=0.75mm 白亮层小于5μ  m,表面硬度1097HV,心部硬度431HV,达到深层渗氮。

2)38CrMoAl与20CrNi3Mn2Al渗层的比较

4. 双频感应淬火

4.1单频感应淬火的现状

4.1.1过渡层的接触疲劳强度低于服役条件

 

4.1.2齿面的残余应力分布不合理

 

淬硬层呈现压应力,过渡层呈现拉应力,过镀层拉应力的高低与作用范围取决于冷却速度、淬硬层的深度。

4.1.3齿根的残余应力状态不合理

 

4.1.4原因分析

(1)淬硬层组织变化过于陡峭

(2)硬化层过渡区存在过渡回火带过渡区存在一高于调质回火温度(tT),低于Ac1的过度回火带(图a),此带的硬度将低于原来的调质硬度。

(3)齿根部:

1)单一频率难以满足齿面与齿根部淬硬层深度    的要求,普通的高频淬火,齿根部窝流的透入深度较浅,加热温度较低;  

2)齿根部的冷却条件不同于齿面,冷却速度相对较低;

3)淬硬层与过渡层组织变化陡峭;上述原因导致齿根部淬硬层较薄,组织、硬  度陡峭,造成齿根部呈现拉应力,抗弯强度

不能满足服役条件,易于发生弯曲断裂。

4.2.齿轮仿形双频感应淬火

4.2.1双频电源,一个感应器(德国、日本)  

 在同一感应器内通两种频率(低频为10-l5kHz,高频为200-40OkHz)电流,低频-高频重叠加热淬火,在时间上切换振荡,可实现齿轮均匀的轮廓淬火。

 依据工件和热处理工艺可在2个频率之间任意调频,环形零件的内外表面可同时加热淬火。

4.2.2 低、高频电源对应两个感应器分段加热(美国)

先用低频电源(10-l5kHz) ,将工件加热至低于奥氏体化温度50-100℃时停止加热。

 改用高频(200-400kHZ)电源加热,用于加热齿顶部,瞬间使加热温度达到高于奥氏体化温度80-100℃ ,停止加热,并马上喷水冷却,完成淬火过程,得到仿形硬化层。

 功率根据齿轮的尺寸和模数大小确定。高频功率是低频功率的2-3倍。

 

 

4.2.3.用双频淬火代替齿轮的深层渗碳

对于大模数(如m=80及m=63)的齿轮,δ≥4mm,这要采用渗碳周期100h以上的深层渗碳。 

而采用双频感应加热单齿扫描淬火,既能满足渗层组织及性能的要求,又能大大缩短生产周期,降低生产成本。用感应淬火代替渗层渗碳在国内外已有应用,如在冶金设备上用感应淬火代替深层渗碳,将渗碳齿圈改为感应淬火等。  感应淬火代替深层渗碳实现深层硬化存在较大的潜力。

4.3 超速感应加热淬火(SRIQ) (日本高周波熱腖)

            (Super Rapid Induction heat Quenching)

采用高输出高频率感应装置,实现超速短时间(0.5S)加热,对小型齿轮实现轮廓淬火。SRIQ淬火的齿轮,齿根处会形成超10OOMPa残余压应力,其抗弯疲劳强度超过渗碳淬火和气体软氮化。

4.4 双硬化层的二次高频淬火(WIQ) (日本)

特点:

   (1)在表面硬化层中,通过SIQ淬火及SRIQ超速  短时间加热淬火可实现晶粒细化的效果;

   (2)SIQ与SRIQ双重淬火与单一SRIQ相比可获   得更大的残留压应力;

   (3)由于SRlQ的超速短时间加热,SIQ淬火的硬  化层难以回火软化。WIQ、SRIQ、渗碳淬火的齿轮的性能比较

5.结论

1)采用1030℃ PreNit.LPC较930℃的普通渗碳,渗碳时   间减少30- 40%,且可防止A晶粒长大。

2)采用可控渗氮可代替重载齿轮深层渗碳,可控参数为:   齿面的硬度(800~1000HV);次表层0.1mm处的硬度>900HV ; 渗N层深度>0.7mm;心部硬度 400-450HV。

3)选用新型沉淀硬化型渗N齿轮钢 ( 20CrNi3Mn2Al)经变   温50h离子氮化,可达到可控渗氮的目标。

4)双频齿廓淬火可明显提高齿轮寿命,采用双频齿廓淬火代替齿轮的 深层渗碳有极大的潜力。

5)双频电源及感应淬火工艺的创新是提高感应淬火水平  关键,目前我国尚不能自行制造,要加大创新伐,积极研发。

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