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行业资讯

大型内齿圈感应热处理代替渗碳


大型内齿圈感应热处理代替渗碳

内齿圈作为山推工程机械股份有限公司新型推土机终传动的重要部件,要求较高的加工精度、耐磨性及抗疲劳强度。渗透热处理可使工件的表面层具有高硬度和耐磨性,而工件的中心部分仍保持低碳钢的韧性和塑性。原工艺为渗碳淬火,但该工艺生产出的内齿圈齿部发生收缩变形,造成工件报废。我公司通过对内齿圈结构及热处理分析,开发了一种感应热处理工艺方案。
 
1.内齿圈变形概况
内齿圈材料为20CrMnTi,硬化层深度1.8~2.4mm,表面硬度58~63HRC。该内齿圈的主要工艺过程为:下料→锻造→正火→粗车→精车→插齿→渗碳→抛丸→精车→淬火→回火。

确定的内齿圈的热处理工艺流程所示。正火工序在箱式电阻炉内保温2h;渗碳和淬火工序在IPSEN可控气氛多用炉中进行;回火在IPSEN回火炉内进行;淬火工序在IPSEN可控气氛多用炉中进行,以防止脱碳。为减小内齿圈在淬火时产生变形,设计专用淬火胀胎来阻止内齿圈的收缩变形,工件出炉后快速在内孔加入胀胎淬火,淬火冷却介质为好富顿K油,低温回火温度150℃。

工件淬火、回火后检测结果,硬度符合要求,但M值变动量≥1.2mm,变形最大处达到2.6mm。工件出现不同程度椭圆变形,无法满足装配要求。内齿圈金相如图4所示,为马氏体和碳化物,马氏体级别为3级,碳化物1级,满足要求。

2.原因分析及工艺改进
内齿圈经920℃高温加热整体渗碳,渗碳时间多达30h,工件在高温区时间太长,热应力较大,变形较大;淬火时内齿圈表面、心部冷却不同时,表面冷却较快,心部冷却较慢,造成应力较大,又因该齿圈尺寸较大、齿部尺寸较薄,即使加入淬火胀胎阻止内齿圈变形,也无法控制淬火过程中的工件尺寸变化及应力释放。又因后续齿部不再加工,变形无法修复,造成工件报废。
由于采用快速加热工件、快速淬火的工艺方法,可减小齿圈变形。针对上述情况,我们决定采用感应热处理工艺方案。感应热处理加热快速,只对要求耐磨、抗疲劳的齿面进行加热,其他位置仍能保持较好的塑性,并且加热时间非常短(40s左右),大大减小变形;又由于只有齿部被加热,其他位置没有被加热,淬火时其他位置起到一定支撑作用,阻止齿部的变形,从而减小变形。
根据上述的分析,把内齿圈材质改为45钢,相关工艺调整如下。
(1)技术要求表面硬度52~60HRC,基体硬度248~293HBW,齿顶硬化层1.9~12.4mm、节圆硬化层深度2.4~5.0mm,齿根硬化层1.5~3.0mm。
(2)工艺路线下料→锻造→正火→粗车→调质→抛丸→精车→插齿→感应淬火→回火。

(3)感应淬火设备感应淬火使用1200kW大型齿轮感应淬火机床;电源选用IGBT晶体管中频电源;并根据内齿圈结构设计专用的内齿圈感应器,如图6所示。工件淬火感应器采用自带喷液装置的集中加热感应器,工件加热结束后,直接喷液淬火;淬火冷却介质选用5%~7%AQ251。

(4)效果确认工件淬火回火后,检测项目及结果。剖检结果金相组织所示,硬化区组织为回火马氏体,晶粒度为9级;心部组织为回火索氏体,晶粒度为8级;齿部硬化层,硬化层;金相组织及硬化层检测结果满足工艺设计要求。同时M值变动量≤0.4mm,与20CrMnTi渗碳内齿圈相比大大减小,满足装配及使用需求。

3.效果确认
(1)效果对比通过上述分析、试验可以看出感应淬火得到内齿圈均达到制订的热处理要要求,与渗碳热处理相比工件的表面硬度稍低,但硬化层深度较深,晶粒度及马氏体级别相同,但是不含耐磨性较高的碳化物。于是我公司进行装机验证,主机工作3000h后拆检,内齿圈磨损非常小,无任何问题,完全满足要求。
(2)加工效率两种制造工艺各机械加工工序和正火基本一致,20CrMnTi材质内齿圈渗碳后高温回火,以及二次加热淬火后低温回火所需时间为46h,45钢材质内齿圈调质,以及感应淬火后低温回火仅需要9.5h。感应淬火工艺大大缩短了工件的制造周期,提高了生产效率。

(3)生产成本20CrMnTi钢价格较45钢高,采用45钢可降低生产成本;渗碳热处理需要消耗大量的电能、渗剂等,生产成本高,且排放废气污染环境;感应热处理只消耗少量的电能,无排放、无污染,是环保型技术,是热处理行业重点推广的节能、减排新技术。


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