齿圈高频淬火硬度、层深的影响因素分析
硬度不合格,原因与预防措施
硬度不合格原因与预防措施在我们的工作中也许会产生各种各样的缺陷，如硬度不合格一块锻件上面有几个点硬度不均，或淬透性差，不同的缺陷产生的原因是一样的，下面我对去年和近来硬度不合格原因与大家一起学习，共同分析预防的方法。
一、硬度不合格大致分为两种情况：（一）硬度偏高1、硬度高、混料也会升高硬度，如碳钢混入合金钢，此时硬度会超出我们的预期值，可根据实际检测的硬度与回火的参数重新回火。
材料混淆，用合金钢代碳钢，材料信息没有正确传递到工序，要及时与营销部门联系，落实材料重新回火。
上述情况实为管理上的问题，热处理工序是无法解决的。
2、回火时间不足。
设备在隐性的问题也会出现实际炉温偏低，要重新校正数值，回火时间不充分或回火温度偏低。
部分或全部工件回火时间偏短，而导致硬度偏高，此时要精确计算选取一个合适的温度和保温时间进行回火，确保每种工件硬度都能达到要求。
（二）硬度偏低这是生产中最易出现的质量问题，也是不容易找出产生问题和原因的，对生产质量危害性较大（浪费能源、影响生产进度）也是最让人头痛的问题。
1、材料问题。
其产生的原因与防止对策同前面，如果设备和保温时间没问题，若检查低于硬度18HRC不用调质可直接换料，不需要化验。
2、工序调质淬火问题工件要保证回火后的硬度达到要求的先决条件是淬火达到规定要求，至少要比最终要求硬度上限高5HRC才可以通过回火合格，而这是我们工作中最容易出现的问题，也是最容易被忽略的问题，你们不是这样说：“一直都这样淬火的，不知道今天为什么不合格”淬火中最容易出现的问题如下：① 加热温度不足。
比较多见的是我们有一种侥幸心理，认为温度差不多也许可以淬火，认为平常淬火时工作颜色偏低也淬起火了，殊不知忘记了未完全奥氏体中存在未溶的铁素体是要降低淬火硬度的，和淬火过程中奥氏体预冷是两码事。
加热不足的时候，在奥氏体存在未溶的铁素体，是要降低工件硬度，同时对于要求严格的工件是不允许发生共析转变的。
而淬火过程中预冷温度也只有800℃，但此时过冷奥氏体是不会析出铁素体的，这是我们对奥氏体认识不足而造成的。
硬度不合格产生的原因及对策
硬度不合格产生的原因及对策硬度不合格产生的原因及对策在热处理生产实践中，会产生各种各样的缺陷，如开裂、变形严重、硬度不合格及性能不合格等等。
不同的缺陷，产生的原因一样，对应的防止对策也不一样，本文从最常见的缺陷——硬度不合格这方面简分析产生的原因和防止办法。
硬度不合格分为两种情况：硬度过高和硬度过低。
一、硬度过高： 1.混料：比如碳钢里混入合金钢，此时硬度要超过我们预期值。
可根据实际检测的硬度与回火参数，重新回火。
2.材料改代：用合金钢改代碳钢，但材料改代信息未正确传递到热处理工序。
与相关部门联系，落实实际材料后，重新回火。
上述两种情况实属管理上的问题，热处理工序是无法解决的。
3.回火温度或时间不足：⑴设备存在隐性问题，实际炉温偏低。
重新校正控温系统。
⑵回火时间不充分或回火温度偏低，致使部份工件硬度偏。
产生的原因是：在生产中拼炉生产时，回火工艺参数不精准，部分或全部工件回火时间偏短而导致硬度偏高。
此时要精确计算各工件的回火时间和温度，选取一个合适的温度与保温时间进行回火，确保每种工件的硬度都达到要求。
二、硬度过低：这是生产中最易出现的质量问题，也是不容易找出产生问题的原因，对生产的危害性较大（浪费能源、影响生产进度），也最让人头疼。
1.材料问题，其产生的原因与防止对策同前面。
若检测硬度不超过140HB，此类材料可以直接扔掉，连火花判别都不需要。
2.热处理工序淬火问题：工件要保证回火后硬度达到要求，先决条件是淬火要达到规定要求，至少要比最终要求的硬度上限高50HB，才可能通过回火而合格。
而这是我们在生产中最容易出问题，也是最容易被忽略的问题。
经常有人回答我：“一直都这样淬火的，不知道今天为什么不合格？”淬火工序容易出的问题有如下：⑴加热温度不足。
比较多见的是一种侥幸心理，认为温度差不多，也许可以淬火。
认为平常淬火时工件颜色也偏低，也淬起火了的。
殊不知，忘记了未完全奥氏体化与淬火过程中奥氏体的预冷是两回事。
经验分享：差速器齿轮渗碳淬火缺陷原因分析及对策
差速器齿轮渗碳淬火的质量缺陷大致可分为：外观缺陷（氧化、锈蚀），硬度、有效硬化层不合格（硬度高、硬度低、硬度不均匀，有效硬化层深、有效硬化层浅），金相组织缺陷（马氏体、碳化物、心部组织级别超标、表层非马超标），热处理变形（缩孔、锥度、圆度及畸变），下面就齿轮渗碳淬火生产中常见的质量缺陷，进行影响因素分析及补救对策实施阐述。
一、外观缺陷（1）表面氧化产生原因可能是热处理炉密封差而导致漏气，另外还有可能是渗碳介质纯度不够（含有水分）。
防范措施即为检查炉子密封性和提高渗碳介质纯度。
（2）表面锈蚀、污物、金属瘤产生原因可能是进炉前零件没有彻底清洗干净，热处理前机加工时切削液不合格，没有清洗干净。
零件表面沾有碎切屑，热处理加热过程中熔化粘结于零件表面。
防范措施即为采用弱碱性清洗液对进炉前零件进行认真彻底清洗，确保进炉前零件的清洁度。
二、有效硬化层深度、表面硬度、心部硬度缺陷（1）有效硬化层深度又叫淬硬层深度，一般用显微硬度计检测，从表面一直测至界限硬度处的直线距离；而渗碳层深是指渗碳层的深度，一般用金相法来检测，合金渗碳钢从表面测至过渡区。
因零件的渗碳层深仅指对合金钢渗入碳的深度，是齿轮热处理生产中的一个过程指标，不能很好地反映齿轮的热处理最终结果，故正规的技术文件，大多以有效硬化层深度作为零件热处理后的检测、考核指标。
有效硬化层深度缺陷又分以下两种情况：第一种是有效硬化层深度浅，产生的原因可能是：原材料的淬透性差、端淬值低；淬火冷却介质的冷却能力差；渗碳保温时间短、强渗及扩散期的碳浓度低，导致渗碳层深度不够；渗碳炉的有效加热区的温度分布不均匀，导致不同区域零件渗碳层深度不够。
相应防范措施为：调换淬透性好、端淬值高的原材料；调换冷却能力好的淬火冷却介质或加大淬火冷却介质容量，增加搅拌功能；延长渗碳保温时间，提高强渗及扩散期的碳浓度，使渗碳层深度合格；检测渗碳炉有效加热区的温度均匀性，使各零件的渗碳层深度稳定、统一，达到技术要求。
淬火时硬度不足的原因以及解决的方法
１ 原材 料方面 １ １ 原材料 选择 不 当或发错料 ．
应该 用 中碳 钢或 高碳钢 制造 的零件 而 错 用低 碳 钢 ， 该用合 金 工 具 钢 制 造 的 零件 而 错 用 普 通 高 碳 应
料厚 度 ， 特别是 异形 件 。
２ ２ 淬 火加 热温度过 高 ， 温 时 间过 长 ． 保
对 于工 具 钢 （ 例如 Ｔ ８钢 ） 当其 淬火加 热温 度在 ，
７０ 时得到 的是 奥 氏体 和碳 化物 （ ｅＣ）此 时 奥 氏 ８℃ Ｆ ， 体 溶碳 量 稍 高 于 ０ ７ ％ ， ． ７ 冷却 后 奥 氏体 转 变 为马 氏 体 。如果 加 热 温度 过 高 或 保 温 时 间 过 长 ， 造 成 碳 会 化 物 （ ｅＣ） 的碳 大量 溶 人 奥 氏体 ， 成 奥 氏体溶 Ｆ， 中 造
不均 匀 ， 工 件 实 际 温 度 偏 低 ； 工 件 厚 度 估 计 错 使 对 误， 引起保 温时 间过短 。 解决 办法 ： 控制 好加 热 速度 ， 免 加热 速 度过 ① 避
图 １ 低 碳 马 氏体 图 ２ 中碳 马 氏体
解决办 法 ： ①设计 时应 选择 合适 的材 料 ； ②加 强 材料 管理 ， 材料 进库前 先进 行化 学 分析 ， 后 分类 作 然 标记 ， 以有效避 免发 错料 ； 热 处 理操 作 者应 当在 可 ③ 操作 前进行 火 花 分 析 ， 以粗 略鉴 别 零 件 材 料 是 否 符 合 图纸要 求 ； 当工 件 截 面较 大 或 工件 截 面 厚 薄悬 ④ 殊时 ， 采用 工 具 钢 ， 若 由于 其 淬 透性 不 好 ， 造成 大 会 截面处 内部 硬 度偏 低 现 象 ， 时 应 改 用 淬 透性 好 的 此 合金钢 。 １２ 原材 料 显微 组 织 不 均 匀造 成局 部 硬 度 不足 或 ．
渗碳淬火齿轮件的硬化层深设计与控制
汽 车 工 艺 与 材 料 AT&M 19
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SOLUTION
表1
国家
美国ANSI/ ACMA2004
美国ANSI/ ACMA2001
英国 BS公司
德国DIN3990
模数/mm 层深/mm
1.45～1.85 0.25～0.50
设计标准
1.85～2.45
2.45～3.00
0.38～0.64
另据资料提供的经验公式也可作为齿轮硬化层深
设max·u )/〔HV·cosβb·(u
±1)2〕
（1）
式中，t 为渗碳层的最小深度，mm；a 为相啮合齿
轮 副 的 公 称 中 心 距 ， m m ；α t 为 齿 轮 端 面 啮 合 角 ， （°）；δ max为最大接触应力，MPa；u 为相啮合 齿轮副齿数比（z 2/z 1）；HV为齿面渗碳层的维氏硬 度；βb为基圆螺旋角，（°）；小括号中的“+”用 于外啮合，“-”用于内啮合。
2.3 热处理工艺过程对硬化层深的控制
针对热处理渗碳环节，其对硬化层深的控制要综
齿轮淬火冷却中的质量问题及其解决办法
齿轮淬火冷却中的质量问题及其解决办法不管是渗碳淬火、碳氮共渗淬火、感应加热淬火还是整体加热淬火，齿轮淬火冷却过程可能出现的热处理质量问题主要有：1、淬火后硬度不足、淬火状态硬度不均、淬火硬度深度不够；2、淬火后心部硬度过高；3、淬火变形超差4、淬火开裂5、油淬后表面光亮不够。
热处理工序中出现的这类质量问题往往与齿轮的材质、前处理、淬火加热和淬火冷却有关。
在排除材质、前处理和加热中的问题后，淬火介质及相关技术的作用就特别突出了。
事实上近年来对淬火冷却的研究也证明在改进和提高热处理质量的工作中，最值得注意的正是淬火冷却。
淬火冷却大多是在液体介质中进行的。
齿轮淬火用的通常是淬火油、水溶性淬火介质和自来水。
因此下面将首先分析齿轮淬火冷却可能出现的以上质量问题与所用淬火介质的特性和用法的关系，并指出解决不同问题所需淬液的冷却速度分布特点。
随着简单介绍常用淬火介质的冷却速度分布特点和选用时的注意事项。
一、淬火冷却中常见质量问题有：1、硬度不足与硬化深度不够淬火冷却速度偏低是造成齿轮淬火硬度不足、硬度不均和硬化深度不够的主要原因，但是根据实际淬火齿轮的材质、形状大小和热处理的要求不同，以可以分为高温阶段冷速不足、中低温阶段冷速不足及及低温阶段冷速不足等不同情况。
比如对于中小齿轮，淬火硬度不足往往是中高温阶段冷速足所致，而模数大的齿轮要求较深淬硬层时，提高低温冷却速度就非常必要了。
对于淬火用油，一般来说，油的蒸气膜阶段短、中温冷速快，且低温冷却速度快，往往能获得高而且均匀的淬火硬度和足够的淬硬深度，工件装挂方式对淬火冷却效果也有明显影响。
要使淬火油流动通畅，并配备和使用好搅拌装置，使淬火油充分循环冷却，才能得到更好的效果。
提高所用淬火介质的低温冷却速度往往可以增大淬硬层深度。
在渗层碳浓度分布相同的情况下，采用低温冷却速度更高的淬火油，往往获得更深的淬火硬化层，如果淬火硬化层过深，常常在使用中断齿，解决办法是降低淬火油低温冷却速度。
浅谈齿轮渗碳淬火有效硬化层及硬度梯度
浅谈齿轮渗碳淬火有效硬化层及硬度梯度随着机械工业的发展，对齿轮的质量要求日益提高，而齿轮的强度寿命和制造精度与热处理质量有很大关系。
为了检验齿轮材料热处理质量，在1987年以前，我国的齿轮渗碳淬火内在质量检验标准多为终态金相检验标准。
由于检测仪器的精度、分辨率等因素以及检验人员的经验参差不齐，造成检验结果有很大差异和争议。
为了解决金相法内在检验存在的弊端，机械部在1987年借鉴了DIN.ISO等标准中有关内容，修订了我国现行齿轮渗碳淬火内在质量检验标准。
此检验标准中，其金相组织检验标准基本与原标准相似，主要是对渗碳层深度及碳浓度梯度的测定作了较大的修改。
下面就渗碳层深度和碳浓度梯度分别采用金相法与硬度法测定进行简述。
一、渗碳层深度的检测1.1、金相法1.1.1、取本体或与零件材料成分相同，预先热处理状态基本相似的圆试样或齿形试样进行检测。
1.1.2、送检试样热处理状态为平衡状态，即退火状态。
1.1.3、低碳钢渗层深度为：过共析层+共析层+1/2亚共析层。
1.1.4、低碳合金钢渗层深度为：过共析层+共析层+亚共析层。
1.2、硬度法1.2.1、取样方法同金相法取样方法一致。
1.2.2、送检试样状态为淬火+回火状态。
1.2.3、渗碳深度用有效硬化层来表示，其极限硬度根据不同要求进行选择。
1.2.4、有效硬化层深度（DCp）：从试样表面测至极限硬度（如HV550）之间垂直距离。
1.3、两种关于渗碳深度检测的方法存在着一定的对应关系，下面用图形来描述。
从图中可看出：DCp（芯部）>DCp(HV500)>DCp(HV550)DCp(HV550)对应渗碳层中碳含量约为0.35~0.38%,此界限处即为金相法中1/2亚共析层处。
DCp(HV500)对应渗碳层中碳含量约为0.31~0.33%，此界限处为金相法中1/2亚共析层处。
DCp（芯部）对应渗碳层中碳含量为基体碳含量，一般为0.17~0.23%，此界限处为金相法中基体组织。
齿轮齿面高频淬火工艺
齿轮齿面高频淬火工艺齿轮是现代机械设备中不可或缺的机械传动元件，广泛应用于各个领域。
齿轮的齿面质量直接影响到机械设备的可靠性和使用寿命。
而齿轮齿面高频淬火工艺则是一种有效提高齿轮齿面硬度和耐磨性的方法。
齿轮齿面高频淬火工艺是指利用高频感应加热原理，在齿轮齿面上形成瞬时高温，并通过淬火介质迅速冷却，使齿面表层形成高硬度的淬火组织。
这种工艺具有淬火速度快、变形小、工件表面质量好等优点，被广泛应用于齿轮制造领域。
高频淬火工艺的核心是高频感应加热设备。
该设备通过电磁感应原理，将电能转化为热能，快速加热齿轮齿面。
在加热过程中，工件表面形成高温区域，同时淬火介质迅速冷却工件，使其形成高硬度的表层。
这种淬火方式具有可控性好、加热均匀等优点，能够满足不同齿轮的淬火要求。
高频淬火工艺的关键是淬火介质的选择。
常用的淬火介质包括水、油和气体。
水冷速度快，但易造成变形和开裂；油冷速度适中，能够有效控制淬火过程，但油污染问题较为突出；气体冷却速度较慢，但能够避免淬火介质的污染。
根据不同齿轮的要求，可以选择不同的淬火介质，以达到最佳的淬火效果。
高频淬火工艺的优点还体现在淬火后的齿轮齿面质量上。
淬火后的齿轮齿面硬度高，耐磨性好，能够承受更大的载荷和更长的使用寿命。
同时，淬火还能改善齿轮齿面的粗糙度和尺寸精度，提高齿轮的传动效率和运行平稳性。
然而，高频淬火工艺也存在一些问题。
首先是设备投资和运行成本较高，需要专门的设备和维护。
其次是淬火过程对工件的变形和开裂问题，需要通过合理的工艺参数和淬火介质选择来解决。
此外，淬火后齿轮齿面的残余应力较大，可能会对工件的稳定性和寿命造成影响，需要进行适当的回火处理。
齿轮齿面高频淬火工艺是一种提高齿轮齿面硬度和耐磨性的有效方法。
通过合理选择淬火介质和优化工艺参数，可以得到理想的淬火效果。
然而，淬火工艺的选择还应结合实际情况，考虑到工件的材料、尺寸和使用条件等因素，以确保齿轮的质量和可靠性。
未来，随着科技的不断进步，淬火工艺将会得到更大的发展和应用。
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齿圈高频淬火硬度、层深的影响因素分析
作者：杨辉刘亚辉祁伟李进萍
来源：《科技与创新》2016年第11期
摘要：简要分析了材料、压力、介质温度、感应器结构和工艺参数等对齿圈的影响，阐述了齿圈热处理过程中出现的问题，并采取合理、有效的方法解决它，以提高零件加工的合格率。
关键词：齿圈；感应器；淬火；温度
中图分类号：TG156.3 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2016.11.122
文章编号：2095-6835（2016）11-0122-02
飞轮齿圈是经过加热后镶在飞轮外缘上的，它冷却之后会紧固在飞轮外缘上，并与起动机齿轮啮合，以带动曲轴旋转，启动发动机。
近期，某公司齿圈热处理工序出现部分齿圈按照工艺参数进行淬火后硬度、淬硬层深偏低的情况，严重影响了齿圈的制造质量。
鉴于此，专门成立了专项工作组查证、分析、解决这类质量问题。
齿圈技术要求，材料为45#，硬度为HRC48-56，齿根处淬硬深度为0.5～2.0 mm。
1 影响淬火的因素分析
1.1 毛坯材料
检测齿圈毛坯的成分后，结果显示，齿圈成分合格。
但是，在抽检过程中发现，齿圈毛坯的基体组织为锻造态齿圈，这严重违反了图纸的设计要求，即正火态HB170-210，所以，要求厂家立即修改。
正火的目的是使晶粒细化，使碳化物分布均匀，去除材料的内应力，稳定工件的尺寸，防止变形与开裂。
另外，还要采取感应加热方法进行表面淬火前的预备处理，使淬火后的层深无法深入。
1.2 感应器喷水压力
相关工艺要求感应器喷水压力为0.2 MPa，但是，其实际压力最低为0.05 MPa，喷水压力不足。
这样，热量瞬时就会被带走，从而降低冷却速率，影响组织转变，导致齿圈淬硬层深度不够。
出现这种情况的主要原因是：①冷却水管路堵塞，再加上水泵电机长期使用，功率损耗增大。
当压力调节阀开至最大时，压力表显示0.18 MPa，喷水时，压力表显示0.05 MPa。
②因为当地水质比较硬，所以，长时间使用感应器，其喷水孔会结垢，导致部分喷水孔水量减
少，严重时还会堵塞。
③现场出现了3种结构不一致的感应器，喷水孔排列方式、数量都不一样。
鉴于此，可采取以下措施：①检修水泵电机，清理、冲洗管路内壁，保证其流量；②定期使用草酸液浸泡感应器，为其除垢，并疏通喷水孔；③确认感应器结构的唯一性和有效性，规定使用交叉5孔感应器，不得随意更换。
1.3 淬火介质温度
淬火介质冷却水的温度变化比较大，齿圈淬火设备使用的冷却水没有外部冷却装置，依靠储水箱自行降温。
11月份，从齿圈淬火开始加工，水箱内的水温接近室温，为8～10 ℃；加工100件后，水温升至20 ℃；继续加工，最终水温为33～35 ℃。
8月份，从齿圈淬火开始加工，水箱内的水温接近室温，为30～35 ℃；加工100件后，水温升至40 ℃；继续加工，最终水温为45～50 ℃。
冷却水温下降速度缓慢，如果换热不及时，水温会逐渐升高，导致齿圈的整体硬度偏低。
1.4 调整感应器
夹具不正，齿圈与感应器存在偏心或高低不平的情况，导致齿圈装夹定位后，存在局部间隙较大、加热速率慢、喷水距离远的问题，最终影响齿圈的整体硬度和层深。
鉴于此，要更换新感应器，避免因为旧感应器使用时间过长而增加功率损耗，降低齿圈的加热温度和加热深度。
同时，要调整感应器与夹具的同心度，消除夹具与感应器之间存在的偏心量，优化齿圈边缘与感应器的间隙，使其更加均匀。
齿尖距离感应器内表面尺寸为（4.9±0.5）mm。
在这项工作中，可以利用打表测量夹具的平面度，采取临时加垫铜皮（长久措施堆焊、打磨）的方式，使齿圈厚度与感应器之间的对中性更加均匀，防止齿圈端面凸出感应器平面。
调整感应器后，齿圈两端面距离其平面（2.5±0.5）mm。
1.5 调整工艺参数
经过一系列的调整，相关工艺参数为：①在工艺规定范围内，将感应电源功率由428～432 kW调至440～445 kW，测得齿圈硬度无明显变化。
②调整加热时间和冷却时间，由加热24 s、喷水9 s提升至加热25 s、喷水13 s，测得齿圈硬度高点提升约3HRC。
③在相同的工艺参数下，测得不同厂家的毛坯齿圈的硬度和宽度区间基本一致，低点为41.5～42.5 HRC，高点为53～55 HRC。
由此可以判断，A厂家齿圈低于48 HRC点偏多，占60%，B厂家和C厂家齿圈低于48 HRC点的占30%.④在相同参数、相同毛坯的情况下，水温越低，硬度、宽度范围越窄，硬度值整体偏高。
⑤在相同参数、毛坯、水温情况下，堆放冷却和单独冷却对齿圈硬度的影响甚微。
1.6 淬火加热温度
由检测结果和显微镜下观察的切割样块儿（图1）可知，齿圈齿内含有游离铁素体，未完全转化为马氏体。
这是淬火加热温度不足所致，所以，要采取相应的措施延长加热时间。
第一次加热，时间由24 s延长至27 s，使用红外测温仪测得齿圈的表面温度约为630 ℃，切割检测结果为齿根无层深，铁素体依然存在。
第二次加热，时间由27 s延长至30 s，使用红外测温仪测得齿圈的表面温度约为670 ℃，结果依然是齿顶有铁素体，齿根马氏体较少。
考虑到继续加热会导致齿圈严重变形，因此，无法继续调整工艺参数。
2 改进措施
鉴于上述情况，可采取以下措施：①加强对毛坯热处理过程的控制，禁止锻态毛坯混入合格品中；②改造齿圈储水箱，在其外部增加换热器，以加快水温的冷却速度；③改造水泵和管路系统，更换更大型号的水泵电机和与之匹配的管路，以提升喷水压力；④调整感应器夹具，并定期测量、检测，发现夹具偏心或高低不平时，要及时调整；⑤调整工艺参数，将加热时间由24 s调至25 s，喷水间隙由0.5 s调至0.8 s，冷却时间由9 s调至11 s，并根据外部环境的变化和毛坯材料一致性控制的不同随时调整工艺参数。
3 结论
齿圈高频淬火不合格主要是感应器与夹具不对正导致的。
感应器结构改变，导致加热温度不够，冷却速度减慢。
本文全面分析了齿圈淬火超差的原因，为解决这类质量问题提出了一种解决思路。
这样，有利于后续改进工作的顺利进行，而且还能防止同类情况再次发生，避免造成更大的损失。
参考文献
[1]胡光立，谢希文.钢的热处理原理和工艺[M].西安：西北工业大学出版社，2008.
〔编辑：白洁〕。