重载齿轮轴的生产应用低碳合金钢18Cr2Ni4WA材料和表面渗碳整体淬火热处理工艺，结合当前制造问题，可借助渗碳、调质及感应淬火技术，提高齿轮轴质量。为此，先进行感应淬火技术的概述并提出试验方案；然后改变电流频率感应淬火参数，研究参数变化对齿轮轴齿根硬度、齿心部硬度、表面硬度、硬度梯度、金相组织等方面的影响；最后经过数据统计和分析，在3号试验参数的设计中，齿轮轴的各项指标均满足性能要求，可为低碳合金钢材料的齿轮生产，提供热处理的经验。
对于齿轮轴的生产看，对应技术指标要求为齿面硬度(HRC)为60±2；有效硬化层深度为(1.4±0.2)mm； 齿心部硬度(HRC)为40±2。不过结合实际看，制造存在两个问题：一是材料内含有较多的Cr、Ni合金元素，在热处理中其碳含量会提高，使齿轮中残留的奥氏体量增加，影响齿轮轴表面的硬度(HRC)并降低至52~56；二是冷处理时，残留奥氏体向马氏体组织的转变容易增大轴内应力，同时周期、成本较高。因此，需改变生产技术方向，在渗碳、调质后，通过不同感应淬火参数的改变，提高齿轮轴整体质量。
在选定齿轮轴的材料为18Cr2Ni4WA低碳合金钢后，在生产中其齿轮轴的主要齿轮参数如下：齿顶圆直径为143mm；齿宽为62mm；齿数为21；压力角为20°；齿顶高系数为1.2。
结合齿轮参数，其预设的生产工艺流程如下：基本锻造→高温回火→粗车及探伤→半精车和滚齿→ 渗碳→2次高温回火→调质→感应淬火(中频感应淬火)→低温回火及精加工。具体的工艺可以参考图1。
图 1 渗碳、调质、感应淬火的工艺流程
为了研究感应淬火技术对齿轮质量的影响，设计对比试验，对淬火温度、冷却方式、电流频率进行参数调正，在齿轮检测后明确不同参数的应用价值。其中频感应淬火的参数调整参考表1。
结合表1在完成四种感应淬火方案的设计后，需要分别进行齿轮轴轮齿的取样，同时控制试样的长度为35mm。然后应用采用洛氏硬度计和显微维氏硬度 计进行表面硬度、硬化层深度、齿心部硬度、金相组织等方面的检测。
表 1 中频感应淬火的工艺参数
检测PT探伤:在结合图1工艺落实好渗碳、调质后，分别结合表1内容开展不同参数的感应淬火和低温回火工艺。 先开展4个方案的PT探伤工作，具体要针对轮齿的位置进行PT探伤。经过探测后发现，四个方案1号、2号、3号、4号均未发现裂纹问题，可初步说明四个方案具有应用合理性。
检测表面硬度、齿心部硬度:对四个方案试验进行齿心部硬度及表面硬度检测，其齿心部硬度检测需要落实JB/T13027—201《重载齿轮渗碳热处理技术要求》的规范。在完成测定中，对1号、2号、3号、4号齿轮轴的表面平均硬度(HRC)而言，分别为61.2、60.5、58.8、59.2；对于齿心部平均硬度(HRC)而言，分别为34.6、34.5、40.1、37.4，结合上述数据在落实感应淬火工艺后，4个方案的表面硬度(HRC)均符合性能(齿面60±2)要求。此外，仅有3 号方案的齿心部硬度(HRC)满足40±2的性能要求。
检测齿面、齿根部硬化层深度:齿面和齿根部的表面硬度最高，其内部硬度会随着距表面距离不断升高而变化，其硬度(HV)有着不断降低的特点。在进行齿面和齿根部的硬度梯度分布曲线检测中，需要结合GB/T9450—2005《钢件渗碳淬火硬化层深度的测定和校核》中的标准及其规范。
1）在开展齿面的硬度梯度检测中(见表2)。4个方案中的齿面有效硬化层深度都符合设计标准，同时在频率的降低下，其有效硬化层深度有着增加的特点。需要注意的是，在3号、4号方案的电流频率更低下，其齿面的有效硬化层深度更大，不过齿面硬度稍低。同时，应用介质冷却和应用淬火油冷却时，其有效硬化层深度接近。
2）在开展齿根位置的硬化层深度检测中，需要参考GB/T38805—2020《重载齿轮渗碳热处理技术要求》的要求，在完成检测后结合表3数据，其齿根硬化层深度均符合标准要求 。其中，3号、4号齿根的有效硬化层深度较深。
表 2 齿面硬度梯度分布
表 3 齿根硬度梯度分布
检测金相组织:最后，对齿轮轴进行金相组织观察，在对四个方案进行逐一观察和记录后，进行数据分析。具体而言：
1）结合4个方案的表面组织及渗层组织看，其金相组织在感应淬火后，有着形貌基本一致的特点。且组织内有较小的隐针状马氏体和细颗粒状碳化物。
2）对方案1、2而言，其齿心部的组织为显著的回火索氏体。
3）对方案3、4而言，其齿心部组织为显著的回火板条马氏体。因此可以说明，在更低电流频率的感应加热下，齿轮轴的透热深度更深，可以生成正常的回火板条马氏体。
在完成齿轮轴的渗碳、调质后，基于中频感应淬火、低温回火等指标参数的落实，经过硬度及金相组织的观测，3号方案的齿轮轴性能最优，可以满足各项设计要求。为了验证3号方案的优化参数，需要进行实际应用 ，并对批次工件进行检测分析和应用实践。具体在生产的4批次共计36件齿轮轴中，先进行硬度的解剖检测，其齿顶表面硬度(HRC)为58.4~60.2；齿根硬度(HRC)为58.4~60.3；齿心部硬度(HRC)为39.4~41.3；齿心部组织1级，各性能指标满足要求。最后，开展工件应用实践，故障率得到降低。
提出渗碳+淬火热处理方案后，在齿轮轴渗碳后研究其感应淬火参数。具体而言：以电流频率和冷却方式的差异，提出4个试验方案(1~4号)；对齿轮轴依次开展表面硬度、硬化层深度及金相组织的检测； 综合多项检测看，齿轮轴在落实淬火工艺后，其齿轮轴的表面硬度(HRC)能提高58以上，且在硬度梯度具有较高数值，感应淬火也能对硬化层金相组织进行改善。最后，进行3号感应淬火方案的实践，在4批次36件齿轮整体性能满足要求下，说明基于感应淬火的工艺具有可靠性。
来源：爱齿轮的小G