作者：王晓芳，张琦等
单位：上海重型机器厂有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
本文介绍的大型齿条为国内某水利枢纽升船机驱动机构关键部件，承担变换速度和传递扭矩的工作。对于大模数重载齿条，不但要求齿面耐磨性强，齿条还应具有一定的抗疲劳强度和抗弯曲强度，且心部应有一定的强度和韧性。为此需选择合金钢制造，且需进行适当热处理。
该齿条的技术参数远远超过了国外同类升船机所用齿条，要求较高硬度和较深硬化层。如果硬化层浅，齿条工作负荷较重时硬化层易从过渡区剥落。因为过渡区有较大的淬火残余拉应力，此应力与工作中接触应力组合起来，会使过渡区产生疲劳裂纹并扩展到齿面而形成剥落。此外，为增强齿的抗弯曲强度，要求淬硬层沿齿面齿根连续分布，而不是终止于齿根。若淬硬层终止于齿根，齿根处是过渡区组织，淬火残余应力是拉应力。齿条工作时齿根受拉应力，两应力迭加易使齿根产生裂纹。因此要求硬化层沿齿面齿根连续。为在大批量生产前落实齿条的关键制造工艺，确保产品质量达到设计要求，有必要对齿条组件进行产品试制。
试制前，我们对该大模数齿条的表淬工艺进行了工艺探索及研究。本文主要对该齿条试验件感应淬火后齿面硬度、淬硬层深度及材料组织进行研究，以期为该产品的正式生产提供理论依据及支持。
1.表淬试验
（1）试验件
该齿条试验件共2齿，模数为62.67。齿条外形尺寸480mm×810mm×491mm（长×宽×高）。材料为G42CrMo4，类似国内牌号ZG42Cr1Mo合金钢，其化学成分如表1所示。
表1 齿条试验件化学分析列表（wt%）
元素种类 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo |
标准要求 | 0.38～0.45 | ≤0.60 | 0.60～1.00 | ≤0.025 | ≤0.020 | 0.80～1.20 | 0.15～0.30 |
测试结果 | 0.40 | 0.25 | 0.60 | 0.013 | 0.005 | 0.85 | 0.22 |
该齿条产品的技术要求为，齿面表淬硬度（610±20）HV，淬火深度6～9mm。齿根也要硬化，表淬硬度要求（550±20）HV，淬火深度4～6mm。
（2）表淬工艺
该齿条为铸件，在对齿条进行感应淬火前，齿条整体先调质处理，以保证齿条心部的强度及韧性要求，调质处理工艺如图1所示，调质淬火时采用浸油冷却。
根据该齿条的模数，表淬硬度及深度要求，我们采用中频感应加热设备进行试验。感应加热设备在输入端和输出端有控制装置，可按加热要求输出适当的功率，并将输出功率变动量控制在±5%的范围内。为克服由于网路电压变化引起的感应加热电参数波动，我们还配置了稳压装置。同时根据齿条的结构特征表淬时配置了一款专用淬火感应器，感应器采用单齿沿齿廓连续淬火法对齿条齿面，齿根同时进行表面淬火。感应器连续移动加热时，通过喷水器喷射聚合物水溶性淬火剂进行冷却。为了减少齿两端淬火软带，感应器开始加热和停止加热位置都超出齿外10mm。齿条表淬后进行了低温回火，回火温度为180℃。
2.试验件分析
试验件表淬回火后，对其齿面、齿根表淬硬度，有效硬化层深度及显微组织进行测定与观察。
（1）表淬硬度测定
表淬回火后对齿条齿部工作高度中间部位的齿面硬度及齿条齿部底面部位的表面硬度进行测量。测试结果如表2所示，可见齿面及齿根表淬硬度满足技术标准要求。
表2 齿面及齿根表淬硬度测试结果
取样位置
测试位置 | 距一端面一倍模数处 | 齿宽中间处 | 距另一端面一倍模数处 | |||
HRC | HV | HRC | HV | HRC | HV | |
1号齿齿面 | 55.0 | 600.0 | 55.0 | 600.0 | 55.2 | 603.0 |
1号齿齿根 | 51.7 | 543.0 | 51.0 | 532.0 | 51.5 | 535.0 |
2号齿齿面 | 54.7 | 594.0 | 55.3 | 606.0 | 55.1 | 602.0 |
2号齿齿根 | 52.0 | 548.0 | 51.2 | 535.0 | 50.9 | 530.0 |
（2）有效硬化层深度测定
对表淬回火后齿条试验件进行解剖切片分析，齿条试验件及表淬后齿条切片实物如图2所示，沿齿形呈一定宽度分布颜色较亮区域为表淬区，肉眼可见此宽度对1号齿、2号齿基本一致，因此用金相法及硬度法测定2号齿齿宽中间处齿面淬硬层深度和齿根淬硬层深度。
通过金相法测量由表淬区表面至50%马氏体区的深度为该齿条的硬化层深度，该切片齿面处有效硬化层深度DS为6.9～7.7mm，齿根处有效硬化层深度DS为4.7～5.2mm。
我们也通过硬度法测量了图1b所示左侧齿面从表面至极限硬度值处有效硬化层深度。检验面经抛光后，沿垂直于表面一定区域范围，采用负荷为9.8N(1kgf)维式硬度测试法测量检测区硬度。测量硬度时最靠近表面的压痕中心距表面≥0.15mm，从表面到逐次压痕中心的距离逐次增加0.5mm，在接近极限硬度区范围时，压痕中心间距离为0.1mm。
根据相关标准得齿条感应淬火后的极限硬度值由式（1）计算：
HV=0.8HVMS （1）
式中 HV——极限硬度；
HVMS——设计要求的最低表面硬度。
该齿条齿面表淬硬度要求为（610±20）HV，计算得齿面表淬后极限硬度为472HV。根据上述要求对齿面试块硬度进行测量，并绘制表淬硬度-表淬深度曲线，如图3所示。
由表淬硬度梯度曲线可求得齿面有效硬化层DS=7.150mm，通过式（2）对有效硬化层深度进行校核，计算得DS=7.145，结果基本一致，并与金相法测得结果相近。
式中 H1——d1处测得硬度值；
H2——d2处测得硬度值；
（3）试制件组织观察
通过光学显微镜对齿面试块进行显微组织观察。
图4为齿条表面中频感应淬火由表及里组织。上部区域为表面中频加热淬火后发生变化的组织形貌，黑色区域为淬硬层组织，下部灰白色区域为未发生变化的原始组织，称为调质态基体组织，中部黑白相间为表淬过渡层组织。
图5、图6分别为齿条心部及淬硬层显微组织。由图5可见，齿条心部组织主要为回火索氏体，有少量贝氏体及铁素体。根据热处理手册及相关资料可得，42CrMo属中淬透性合金调质钢，这类钢淬火临界直径为40～60mm，其中油淬临界直径为40mm，而我们的齿条试验件尺寸较大，有效厚度达到210mm，调质淬火时齿条心部无法淬透，致使有少量铁素体存在。图6为表淬层组织，按相关检验标准测定为5级马氏体组织，马氏体针状较细且短，属正常表淬组织。说明表面奥氏体化瞬时加热温度合适，即感应加热功率参数选择合理。
3.结语
由上述试验结果及分析可见：齿条齿面及齿根表淬硬度分别为594～603HV和530～548HV，满足技术标准要求。齿条齿面及齿根淬硬层深度分别为 6.9～7.7mm和4.7～5.2mm，满足技术标准要求。齿条表淬层金相组织为5级马氏体组织，马氏体针状较细且短，属正常表淬组织以上结果表明，表淬工艺及设备可以达到预期目标。
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