齿轮表面热处理

碳钢与合金钢
钢是人们最熟悉也是使用极广的一种材料。 它是铁(Fe)与碳的合金，但碳的质量分数只能低于 2.11%，超过这个比例就是铸铁了。
有一类钢只由铁和碳组成，称为碳钢；还有一 类钢中除了铁和碳外，还有其他的元素，如硅(Si)、 锰(Mn)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V) 等，这类钢称为合金钢。
众所周知，钢虽是导体，但有电阻。
电流流过有电阻的导体，就会产生热量， 即
Q=0.24I2Rt(J)
式中，Q-热量(J) I-电流强度(A) R-电阻(Ω) t-时间(s)
热量Q就可用来加热零 件。
不过对零件的加热并不 是在整个截面上均匀的，而 是集中在电流密度高的表层。
显然，加热的深度跟频 率有关。
第1块很硬，为HRC55；第2块比较硬，为 HRC25；第3块软得很，为HRCl8。
第1种水冷方法称为淬火；
第2种空冷方法叫正火； 第3种随炉冷方法叫退火。
这三种“火”都有一个特点，就是一块钢，要硬都硬， 要软都软，也就是整体热处理。 前面所说的齿轮若接受淬火，齿表面的硬度高了，耐磨 性好了，但齿却一冲即断-太脆了！ 相反，若接受退火，齿是不会一冲即断了，但齿表面却 不耐磨了。
汽车、拖拉机在起步、刹车，以及走在高低不 平的路面上时，所有的传动齿轮部会受到冲击。冲击 载荷的危害可比上述的弯矩产生的危害大多了。
假如齿抗不住冲击载荷，那只有一冲即断了！
三
若把上述各点归纳一下，可以看到，齿
高
轮的表面要高耐磨性，齿的芯部
又要有高的强度和高的冲击韧性。
这个“三高”，缺一不可！
大家知道：要使钢的强度高、硬度高(亦即耐磨 性高)，那么它只能降低冲击韧性；或者相反，要提 高冲击韧性，就必然使强度和硬度降低。 因此，在一般条件下，三高是没法同时达到的。
传动齿轮在啮合时的受力情况是很复杂的。 上图是用光弹试验的方法所显示的齿轮的受力情况。
图中的“黑色”齿是 主动齿(用I表示)，II 是被动齿。 I齿压在II齿的A点， 不仅传递了动力，而 且使II齿变成了“花 脸”。
上图的线条表示了应力的大小和分布，线条愈密，应 力就愈大。由图可以清楚地看到，两齿的啮合点A处 压应力最大。
当代，随着科学技术的 发展，火焰加热表面热处 理方法的不足，取而代之 的是感应加热表面淬火法、 高密度能源表面淬火法。
感 应加热表面淬火法、高密 度能源表面淬火法，是近代表面 热处理技术。
感应圈接通高频电源后， 就会产生高频的磁场。
置于高频磁场中的钢制 零件中就会产生感应的高 频电流。
高频电流在零件中的分 布是不均匀的，表面层的 电流密度高，而中心的电 流密度低，这种现象称为
对于钢，加热温度850℃以上时，加热深度与感应电 流频率的关系为：
式中，δ f
50 (cm)
f
加热深度(cm) 感应电流频率(Hz)
例如，当f=8000Hz时，加热深度为0.56cm，即5.6mm； 当f=1MHz时，加热深度为0.O5cm，即0.5Omm。
齿轮用感应加热表面淬火法就很 容易达到三高（高耐磨性、高强 度、高韧性）的要求。
整体热处理不能解决齿轮的三高性能要求的问题。
用氧-乙炔火焰加热钢的表面， 这时浇上水，使其很快冷却， 再把表面加热到200℃左右。称 为钢的火焰表面热处理。
用一把气焊枪连接好氧气管和乙炔管后，开启气焊枪， 点着氧-乙炔火焰，调到中性焰，用火焰逐个加热齿面。 加热到表面出现橘红色时就开水管冷却，直到每个齿都 处理完。最后，再将每个齿快速地用焊枪火焰扫一遍。
根据摩擦磨损的原理，两个表面 承受压应力，又有相对滑动，两 个表面就必然会产生磨损。
图中，还要注意一个 危险点，这就是B点。 I齿和II齿在A点啮合传 动，使齿根部的B点受 到大的拉应力，C点受 到大的压应力。
这就意味着，A点啮合产生的压应力可以变成 一个弯矩，想把这个II齿折断。
对齿轮来说，改变一个档次，齿轮就会受一次 冲击；车床开动或停止，也会使齿轮受到冲击。
为了去掉脆性，还要最后用氧-乙炔火焰扫一遍，把 表面加热到200℃左右。
这个过程称为淬火后的低温回火，能去掉脆性和去 掉由于加热、冷却引起的内应力。
两步合起来，就称为钢的火焰表面热处理，这样， 齿轮就可用了。
火焰表面热处理的不足： 首先，用氧-乙炔火焰加热时，零件表面的温度只能 凭目视颜色变化来估计，这就只能依靠操作者的经验。 第二，整个操作过程都是手工操作，再加上火焰温度 有限，使工作效率和应用范围受到了限制。 这种表面热处理方法只适用于处理简单而且不大的零 件表面，或者处理大零件的局部范围。
氧-乙炔火焰的温度高，焰心温度可达3200℃，用 它加热钢的表面，加热速度快，使钢表层一定深度内加热 到橘红色，大约850℃，而钢的里边温度还不高。
这时，浇上水，表面和里面很快冷却，表层一定深度 内就淬火了，硬度ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ高，很耐磨，而里面却因为温度低，
淬不上火，硬度就低，韧性好，这不就达到三高了吗?!
在整个齿轮齿面表面淬火后，还不能直接用，因为表 面虽然很硬了，但脆性大，用起来容易裂，也容易崩块。
I齿的转动，带动了II齿 的转动，啮合点A的位置 也会由上而下地在II齿 表面移动直到II齿的根 部。 在啮合点A处还有一个特 点，就是两个齿表面有 相对的滑动，滑动方向 与压应力垂直。
当齿表面磨损到一定程度，就会使两齿的啮合不平稳。
于是，大的噪声、大的振动就会接踵而来，使车床主
轴产生跳动，失去了车削加工的精度。
控制感应线圈对零件的感应加热时间，就可有效地控制加 热温度，待表面达到所需的温度就可将感应线圈移开、喷水， 使零件在加热深度范围内淬火，获得高硬度的淬火层。
无论是碳钢还是合金钢，可以通 过加热和冷却来改变它们的性能。
把 三 块 45 钢 ( 碳 的 质 量 分数为0.45%的一种碳 钢)放在电炉里都加热 到 830℃ ， 一 块 取 出 投 入水盆中冷却，一块取 出放在地上在空气中自 然冷却，最后一块就放 在电炉里停了电后让它 同炉子一块冷却。
当它们都冷到室温后，测 定它们的洛氏硬度，您就 会惊奇地发现：它们的硬 度差别很大：所以，人们 就可以按需要采用不同的 加热和冷却方去来得到所 想要得到的性能了。