铁基粉末冶金齿轮件的感应热处理.pdf

第 2 4卷 第 6期 2 0 1 4年 1 2月 粉 末 ． 盒金 工 业 POW DER M ET ALLURGY I NDUS TRY Vo 1 ． 2 4，No． 6， p 58 - 6 2 De c ． 2 01 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 2 8 ． b o y u a n ． i s s n l 0 0 6 6 5 4 3 ． 2 0 1 4 0 0 4 3 铁基粉末冶金齿轮件的感应热处理 马生荣 连云港东睦新材料 有限公司， 江苏 连云港 2 2 2 0 4 7 摘 要 介绍 了铁基粉末冶金 齿轮 件感应热处理设备 的选择 以及 淬、 回火参数对粉 末冶金齿轮件产品质量 的 影响 。 关键词 铁基粉末冶金齿轮件； 热处理； 感应热处理； 频率； 感应器； 回火； 参数 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 6 6 5 4 3 - 2 0 1 4 0 6 0 0 5 8 - 0 5 I nd uc t i o n he a t t r e a t me n t o f f e r r o us po wde r me t a l l u r g y g e a r pa r t s MA S h e n g r o n g L i a n y u n g a n g N B T M Ne w Ma t e r i a l s C o ． ， L t d ． ， L i a n y u n g a n g 2 2 2 0 4 7 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e s e l e c t i o n o f i n d u c t i o n h e a t t r e a t m e n t e q u i p me n t f o r f e r r o u s p o wd e r me t a l l u r g y g e a r p a r t s ， a n d t h e e f - f e c t s o f q u e n c h i n g a n d t e mp e r i n g p a r a me t e r s o n t h e g e a r q u a l i t y we r e i n t r o d u c e d ． K e y wo r d s f e rro u s p o wd e r me t a l l u r g y g e a r p a r t ；h e a t t r e a t me n t ； i n d u c t i o n h e a t t r e a t me n t ；f r e q u e n c y ；i n d u c t o r ； t e mp e rin g ； p a r a me t e r 为 了提高铁基粉末冶金零件 的硬度 与强度、 耐 磨性 ， 需要采用热处理。如选用整体热 处理 ， 则产 品变形较大 ， 内外全部变硬， 产 品脆性大， 抗冲击性 与柔韧性变差 ； 如使用渗碳或者碳氮共渗 ， 虽能达 到预期 目的， 但劳动条件差， 工艺流程复杂， 生产周 期长 ， 并且热处理变形也大 ， 不太适合制备精度较 高的铁基粉末冶金齿轮类零件 。对于汽车与摩托 车上使用 的齿轮 、 链轮 以及齿毂类零件 ， 要提 高其 承载 能力与延长使用寿命 ， 同时要保证 7 级左右 的 齿轮精度， 感应热处理是比较理想 的选择 。感应热 处理 因其 变形小 、 效 率高 、 成本低 、 不易氧化与脱 碳、 淬硬层易于控制 、 表面硬度高 、 内部柔韧性好等 优点在工业生产 中得到了很大的发展。尤其在国 防与汽车工业 中， 据统计 ， 感应热处理件 占到总热 处理件的 6 0 ％左右 。由于我 国汽车工业 的快速发 展， 目前有不少粉末冶金件需要进行感应热处理。 铁基粉末冶金齿轮类零件在感应热 处理时要 注意以下事项 1 根据齿轮模数选择淬火设备的 最佳 频率 ； 2 根据齿轮模 数选择 合适 的比功率 ； 3 根据图纸要求选择合适的感应器 ； 4 选择合适 的淬火方式 与淬火液 ； 5 选择合 理 的淬 火参数 ； 6 选择合理的回火参数。 1 感应热 处理设备 的选择 笔者公司主要生产汽车、 摩托车与空调家 电用 粉末冶金零件 。有多台电子管感应热处理机床， 功 率从 1 0 0 k W 到2 0 0 k W 都有 ， 其 中3台有双频功能 3 0 k H z 、 2 0 0 k Hz 。虽然 电子管感应热处理机床没 有晶闸管、 晶体管 的电效率高， 但维修相对较简单， 生产效率也较高 。图 1 是笔者公司使用高频淬火热 处理的汽车与摩托车用粉末冶金零件。 图1 感应热处理的汽车与摩托车用铁基粉末冶金零件 作者简介 马生荣 1 9 5 8 一 ， 男， 学士， 高级工程师， 主要从事高性能铁基粉末冶金件的技术工作。 收稿 日期 2 0 1 4 ． 0 5 1 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 马生荣铁基粉末冶金齿轮件的感应热处理 1 ． 1 频率的选择 国 内有不少 厂家在进行钢 铁齿轮件的感应热 处理时， 是根据原苏联时期的一些热处理书籍推荐 的式 1 选择频率的 ， 而张传旭口 ] 、 门强等 认为 中 小模数 的齿轮在 同时加热淬火或全齿连续加热淬 火时， 应按式 2 计算比较理想。 产 k ／ m 1 0 0 1 f 6 0 0 ／ m 2 式中厂为齿轮淬火的最佳频率， k Hz ； k为系数， 钢 铁齿轮一般取0 ． 6 ～2 ． 0 ； m为齿轮的模数， mm。 以笔者公司所要淬火的C G1 2 5 从动齿轮 齿数为 7 3 ， 模数为 1 ． 7 5 mm， 外径为 1 3 0 mm， 高度 1 0 m／ n ， 硬 度要求大于 6 8 HR A， 断齿力要求大于 9 ． 2 k N 为例 ， 按式 1 计算 ， 淬火 的最佳频率应为 2 0 6 5 k Hz ， 按 式 2 计算应为 1 9 6 k Hz 。 使用 G P 1 0 0 双频淬火机床进行淬火， 发现采用 3 0 k H z的超音频时 ， 齿轮硬度全 部合格 ， 但淬硬层 较深 ， 导致所要求的断齿强度经 常不合格 ； 变换另 一 输 出变压器 ， 采用 2 0 0 k Hz 的频率进行淬火 ， 强度 合格 ， 淬硬层又稍浅 ， 有些零件齿根部 的硬度达不 到要 求的标准 大于 6 8 H RA 。为解决 以上 问题 ， 按 以下措施对淬火机床的频率进行了改进 。 高频感应热 处理机床 中 电子管振荡器的作用 是将高压直流 电变换为高频高压 的交流电， 高频 的 频率大小由振荡电路中的电容与电感决定。 频率与电容 的关系式如下， f o - 1 3 式中 是频率； 是感抗； C是容抗。 通过改变 电容的容抗与 电感 的感抗大小就可 调整到所需的频率 。通过 串并联来 改变 电容 的大 小 ， 将 一 台机 床 的输 出 电流 频 率 由 3 0 k Hz改 为 1 0 0 k Hz ， 淬火后的齿轮强度明显提高 ， 硬度也全部 符合要求。到 目前为止， 笔者公司已采用该设备生 产了数千万件的C G1 2 5 齿轮 。 如将 1 0 0 k H z 频率代入式 1 进行计算， 此式中的 k系数应为 3 ． 1 。可见对于铁基粉末冶金齿轮的感应 热处理， 设备频率取值要高于式 1 而低于式 2 。 图2 为使用几种频率淬火后， 在齿 的高度 方向 从中间剖开后的淬硬层深度分布 根据美国金属粉 末联合会 MP I F的检测淬硬层深度 的方法测定， 即 从表面到内部每 1 ． 6 i ／ l n 3 打一点检测 ， 到 6 5 HR A的 地方就是淬硬层深度标准 示意图。 ＼竺竺 塑 耍／＼ 、 ／ 图2 淬火频率对淬硬层深度的影响 1 ． 2 比功率的选择 比功率是 感应 加热淬火的一个非常重要 的参 数 ， 其 大小决 定 了产 品的淬火质 量与硬化 层 的深 度 ， 如果选择不 当可能会带来各种 问题 。如笔者公 司刚 开 始 使用 G P 2 0 0 2 0 0 k W 的淬 火 机床 生产 C G1 2 5 从动齿轮， 其 比功率达到近 4 ． 9 k W／ c m ， 虽然 进行过多次调试 ， 包括加大感应器与工件之间的间 隙、 降低 电压等多项措施 ， 但齿轮的根裂f 齿轮使用 中掉齿的最主要 原因1 现象一直保持在 2 ％以上 ， 后 改用 GP 1 0 0淬火机床 后， 根裂现 象明显降低 ， 再配 合 选 用 合 理 的参 数 ， 齿 根 裂 纹 现 象 全 部 根 除 。 G P 2 0 0 大功率感应热处理机床用来生产其他大表面 积从动齿轮是比较理想的设备 。 比功率 A P 是指单位面积上供给 的电功率， 分 为设备 比功率 A P 与工件比功率 △ 2 种。 P、 △ P 4 △ P 鲁 叩 5 式 中 P 为设备的功率 ； ， 7 为设备效率 因数， 对 于 电子管高频机 r ／ 0 ． 4 0 ． 5 ； A为被加热工件 的表 面积， 对齿轮来说， A7 【 D 6 式中 D是齿轮直径； h是齿轮高度 。 笔者公司按照表 l 选择比功率 。 表 1 齿 轮模数 与比功 率的选择 齿轮模数／ mm 设备 比功率／ k W c m 2 1 ． O ～ 2 ． O 2 ． 5 ～ 3 ． 5 2 ～ 4 l ～ 2 表 1 中推荐设备 的频率在 1 0 0 ～ 3 0 0 k H z比较合 适 。比功率越 大， 设各加热 的速度就越快 ， 达到的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金工业 第 2 4卷 温度也就越高。按表 1 选用合理的设备再通过适当 调整淬火参数 ， 如淬火时间、 阳极 电压 、 阳极 电流与 栅极 电流 的比值， 就能达到 比较理想的淬火效果。 1 ． 3 感应器的选择 感应器的设计， 直接影 响产品的淬硬层深度与 硬度的分布 ， 同时也对生产效率和能量消耗有很大 的影 响。感应器使用截面 为矩形 的方紫铜管 比较 理想 。 1 ． 3 ． 1 感应器与工件 问隙的确定 感应器与工件之间 的间隙对感应器 的电效率 影响很大 。间隙大， 功率因数降低 ； 间隙小 ， 功率因 数提高 ， 但 电流透入深 度浅 ， 操作 不方便 ， 容 易烧 齿， 感应器也易击 穿。感应器与工件之间的问隙也 可根据淬火机床的功率进行适 当的调整 ， 机床功率 大， 间隙可适当加大， 反之亦然。 在高频 同时加热时， 可根据齿轮 的模数按表 2 决定感应器与工件 的间隙。 表 2 齿轮模数与感应器／ 工件间隙的选择 齿轮模数／ mm 感应器与工件的间隙／ n 瑚 1 ． 3 ． 2 感应器高度的确定 感应器高度 J lz ’ 一般按式 7 计算。 p ’ ≤ 7 根据产 品图中对产 品硬度 的分 布情 况与齿 向 齿轮精度中的一项重 要指标 的要求选择感应器 高度也 比较理想。表 3 是感应器高度对产 品硬度与 齿 向的影响分析 。 表3 感应器高度对粉末冶金铁基齿轮产品的硬度和齿向的影响分析 状 态感 蝴淬 火 蹴霾 笼 的 感应器高度太于 一 产品高度 感应器高度等手‘ ． 产品高度 ． } 车 ． ． 2 恐 艇 器 两 度 小 于 f1_1 产 品 高 度 口 一 当感应器高度大于产品高度时， 齿轮两端的硬 度 比较稳定， 齿向变化不大 ， 这种方式在生产中使 用最多 ； 当感应器 高度与产 品高度相 同时 ， 产品上 下两端的磁力线密度较大 ， 感应涡流集 中， 导致两 端淬得较深， 中间较浅 ， 这样对齿 向有好处 ， 齿向上 下收缩大， 中间有微 凸起 ， 但在产品与感应器位置 稍有上下错动的情况下， 产品一端的硬度就有可能 达不到 图纸要求 ； 感应器 高度小于产 品高度时 ， 由 于齿轮两端磁力线密度较小 ， 导致两端 的淬硬层变 小， 对于两端有硬度要求的产品不太适用 ， 齿 向中 间凹下会导致齿轮运转时产生较大的噪声。 选择感应器高度时还应考虑 设备的功率大小， 在 设备功率小 的情况 下最好选用 高度较低 的感应 器； 设备功率较大 的情况下 ， 可 以选用较高 的感应 器 。 感应器 高度 对齿 轮精 度 的另一个 重要 参数 “ 齿形” 的影响基本上都是一致的， 即粉末冶金 齿轮件感应热处 理后尺寸都要收缩 ， 导致精整后 6 级精度的齿形变成 了齿形坡度较大的7 级齿形。所 以要提高齿轮精度 ， 在精整模具上还要多加探讨与 提高。 2 淬火参数对粉末冶金齿轮 件产品 质量的影响 2 o 淬火方式与淬火液的选择 因铁基粉末冶金件的厚度通常不大， 所 以很少 采用连续淬火 ， 基本全部采用同时加热淬火 。同时 加热淬火法操作简单 、 易于控制 ， 并能实现 白回火， 具有高效 、 节能等优点。 5 0 5 2 3 3 ～ ～ ～ 5 O 5 1 2 2 O 0 5 2 3 3 ～ ～ ～ 5 O O 1 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 马生荣 铁基粉末冶金齿轮件 的感应热处理 6 1． 粉末冶金件淬火液一般不能直接选用 自来水， 因为水的冷却速率太快， 导致齿裂的比例太大 ； 而使 用油淬污染较重 ， 费用也较高 。笔者公司选用聚乙 烯醇水溶液作为淬火液 ， 冬季采用 5 ． O ％～6 ． O ％质量 分数的溶液， 夏季采用2 ． 5 ％～3 ． 5 ％质量分数的溶液。 2 ． 2 淬火参数的选择 选择齿轮参数 时首先要确 定感应加 热的时间 与冷 却时 间， 控 制加热 时间其实就 是控制加热温 度 ， 时间太短产品硬度 不能保证 ， 太长又易引起表 层 的轻微脱碳以及 晶粒长大， 也易出现较粗大马 氏 体组织， 导致齿轮强度 降低 。根据 比功率决定淬火 时间， 比功率大， 淬火 时间缩短； 反之 ， 比功率小就 要延长淬火时间。实际生产中， 感应加热时间主要 根据零件 的表面硬度、 硬化层深度与硬化层的金相 组织来决 定， 在满足条件的情况下 ， 最好缩短淬火 时间。另外 ， 感应加热时必须要保证 工件 的旋转 ， 而冷却时则必须要保证工件的自回火。 调整设备的参数时， 最好先将反馈手轮置于 中 间位置。阳极 电压从半压逐步调升 ， 随阳极 电压的 升高， 阳流与栅流也同时上升 ； 加大反馈 时， 栅流上 升大， 阳流上升小 ， 阳极电流 与栅极 电流 的比值是 最重要的选择 ， 比值太大 ， 虽然没有齿根裂纹 ， 但是 断齿力达不到要求； 比值太小， 虽然可 以提高材料 的 强度， 但又容易产生齿根开裂 。一些热处理书 中认 为在处理钢件时， 阳流与栅流的比值在4 ～6 时， 设备 处于最佳工作状态 。而另外一些热处理书 J 贝 0 认为 G P 6 0与 GP 3 0感 应 热 处 理 机 床 此 值 应 为 5 ～6 ， G P 1 0 0感应热处理机床此值应 为 7 ～1 0 ， 一些热 处 理方面的论文 也认为应在 7 左右 。经笔者公司使 用 G P 1 0 0 淬火机床生产粉末冶金 C G1 2 5 齿轮 的实 践证 明， 此值在 4 ． 5 ～5 ． 5 之间比较理想 ， 在此范 围内 淬火后 ， 齿轮无齿根裂纹 ， 断齿强度也能保证 。通 过生产其他类型 的齿轮证明， 阳流与栅流的比值随 材料的化学成分而异 ， 要保证淬火质量 ， 在生产 中 要多加探索适合相应材料的比值参数。图3 是笔者 公司 C G1 2 5 从动齿轮 的产 品质量数据与该 比值 的 关系曲线。 无论是功率太大还是 阳流 与栅 流的 比值 过小 都 能引起齿根裂 纹 ， 这对产 品质量 来说是最致 命 的。齿根裂纹可 能是温度急剧升高后再快速冷却 ， 引起变形不均匀导致的。图4 是齿根裂纹的示意图 和金相照片 ， 可 以看出齿根裂纹较深 。这类齿轮运 转不久就会掉齿 。 图3 阳流， 栅流 比值与断齿力 、 齿 根开裂率 的关 系 a 示意 图； b 金相照片。 图4 齿根裂纹 3 回火参数对粉末 台 金齿轮件产品质 量的影 响 回火 的 目的主要是 为了降低感应热 处理后 的 残余应力与脆性， 在适当降低硬度 的前提下提高产 品的强度 。 3 ． 1 低温 自回火 淬火后 的 自回火应时间短 ， 所 以 自回火温度 比 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金工业 第 2 4 卷 炉中回火温度高7 0 ～1 0 0℃。机械 自动上下料操作 自回火温度在2 0 0 3 0 0℃比较好 ； 如是手动操作， 温度太高操作起来 比较困难 ， 一般情况是淬火冷却 到 1 0 0 n1 5 0℃时， 将料取下来放置在一起 ， 最后再 统一放入 电炉中进行 再次回火。将 同一批料 中有 低温 自回火料 低温 自回火电炉 中回火1 与没有低 温 自回火料 直接 淬到室温再到电炉 中回火 各拿 3 件各9 个齿做 强度试验， 2 种状况 9 齿平均断齿力如 表 4 所示 。可 以看 出， 有低温 自回火料 明显 比没有 低温 白回火料 的断齿 力要 高 2 ． 1 0 0 k N以上 。经金 相检测证 明， 有低温 白回火料 中的碳化物能更均匀 地分布在马 氏体条上。 表4 有， 无低温自回火料试样的平均断齿力 试 样 断齿 力／ l r N 有低温 自回火料 无低温 自回火料 1 2 ． 5 3 0 1 0 ． 3 7 0 3 ． 2 电炉回火 正常的粉末冶金齿轮件在 1 7 0 ～1 8 0℃回火 ， 但 由于原料粉末的不同， 回火后的性能也各异 。即使 同一厂家生产 的不同批次的粉末， 在各种生产条件 如压制 、 烧 结、 热处理淬火 、 回火 完全相同的情况 下， 齿轮 的性能也不完全相 同。这主要是粉末中的 一 些极微量 的强碳化物形成元素 ， 如 C r 、 Mo 、 W、 V、 T i 、 S i 、 C o 等 ， 在回火时阻碍碳的扩散， 从而使 马氏 体分解速度减慢 ， 使过饱和碳完全脱溶的温度提高 所致， 而提高回火温度是解决这一问题的最有效的 方法 。随着回火温度 的提 高， 断齿力也随之提高 ； 但回火温度超过 2 0 0℃后， 齿轮强度虽然继续提高， 但硬度下降较多， 外观也氧化严重 ， 所 以回火温度 不宜超过 2 0 0℃。在 2 0 0℃进行回火， 即保证 了齿 轮的硬度与强度， 外观也比较美观。断齿力随着回 火时间的延长而提高， 当应力释放完后再延长 回火 时间， 强度不会继续提高。 普通粉末 冶金件经整 体淬火后如果不及时回 火 ， 产 品经受强大的淬火应 力很快就会 自动开裂 。 虽然感应热处理淬火为表面淬火， 在淬火后十几个 小时不 回火也不会开裂 ， 但放置时问越长 ， 其强度 也就越 低 。表 5给 出 了淬火后 分 别放 置 1 ． 5 h和 2 0 ． 0h ， 再进行回火 的2 类样品的平均断齿力 。可 以 看 出， 淬火后越 早 回火 ， 齿轮的强韧性 也就越好 。 主要原因是淬火后长时间放置 ， 从马 氏体 中析出的 碳化物会 沉积在 马 氏体 的边 界处 ， 导致其 强度 降 低 。 表 5 淬火后放置 时间对平均断齿力的影响 淬火后放置 时间m 平均断齿力／ k N 1 ． 5 l 1 ． 8 4 5 2 0 ． 0 1 0 ． 6 8 5 4 粉末 台 金件淬火后的金相组织 根据 J B ／ T - 9 2 0 4 ． 2 0 0 8 标准 ， 将钢 件感应热处理 后 的金相 分为 1 0级。1 ～2 级 为过 热马 氏体 ， 不合 格 ； 产品图样规定硬度下限低于 5 5 H RC时， 3 ～9 级 为合格 ， 1 0 级也是不合格 。只要淬火 参数合适 ， 粉 末冶金件在淬硬 区均是极细的马氏体， 并且有时很 难看清楚 ， 实际上也就是标准 的隐晶马氏体 ， 再往 里是过渡区组织 ， 也就是 J B ／ T - 9 2 0 4 2 0 0 8中的9 ～1 0 级组织 ， 包括微细马 氏体、 网状极细珠光体和大块 状未溶铁素体， 虽说此标准 中的 1 0 级组织不合格 ， 但在过渡区里有这种组织也是不可避免的。 5 结束语 1 根据齿轮模数选 择合适 的淬火频率， 铁基 粉末冶金齿轮件的淬火效果更好。 2 铁基粉 末冶金齿轮要 保证感应 热处理质 量， 必须选择合适的比功率。 3 淬火感应器的高度及与工件间的间隙要根 据齿轮的模数与齿 向、 硬度分布图进行选择。 4 铁基粉末冶金齿轮高频淬火设备中的阳流 与栅流之 比选在4 ． 5 ～5 ． 5比较理想。 5 经感应热处理后的粉末冶金齿轮件采用低 温 白回火 电炉 回火能保证产 品的综合力学性能 ， 其中电炉回火温度 以2 0 0℃最佳。 参考文献 [1] 高炳章 ． 大直径 小模数齿轮 感应淬 火工艺研 究[ J ] ． 大型铸锻 件， 1 9 9 0 1 1 9 2 9 ． [2】 张传旭 ． 高频 感应加 热设备 的选用 与热 处理工 艺的制 订[ J ] ． 热处理， 2 0 0 7 ， 2 2 3 5 4 5 8 ． [ 3] 门强． 浅谈感应 加热淬火 工艺规范 及质量控 制[ J ] _ 机械管 理 开发。 2 0 0 6 2 7 2 ． 7 3 ． [ 4】 钢铁 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