1.雙頻感應加熱原理
常規(guī)（傳統(tǒng)）雙頻感應淬火是兩種頻率的電源分別施加到兩個感應器，齒輪需要從低頻感應器預熱之后快速移到另一高頻感應器加熱并進行淬火，見圖1。雙頻感應淬火是采用低頻加熱向里面，進行熱能量的擴散，最后高頻加熱向表層，即“低頻趨里，高頻趨表”的特征。
圖4 常規(guī)的齒輪雙頻淬火示意
雙頻感應淬火是增加淬硬層深度并使硬度分布更為合理的感應加熱淬火方法。即用中頻-高頻依次加熱方法可獲得沿齒廓分布的硬化層，而且齒輪熱處理畸變小。
例如，模數(shù)為4mm的齒輪先用中頻電流加熱（2.5~3s）齒溝和接近齒根的齒側(cè)，然后再用250kHz高頻電流加熱（0.6~0.7s）齒頂和接近齒頂?shù)凝X側(cè)，然后淬火。
東風汽車集團公司對材料為45鋼、模數(shù)為3的齒輪進行雙頻感應加熱淬火時，能夠得到沿齒輪廓均勻分布的淬硬層，淬硬層為0.8mm時，具有最佳彎曲疲勞性能，與SCM420（相當于20CrMo鋼）滲碳齒輪疲勞性能基本相當，疲勞極限可以達到1450MPa。
2.雙頻感應加熱工藝及效果
日本電氣興業(yè)公司通過對齒輪雙頻淬火法進行試驗，可得到比齒輪單頻淬火法和滲碳淬火法小的畸變，漸開線圓柱齒輪（見圖2），模數(shù)2mm，全齒高4.7mm，齒數(shù)36，材料為S45C鋼（相當于45鋼）。齒面經(jīng)剃齒精加工，預備熱處理為調(diào)質(zhì)。
圖2 試驗齒輪形狀
雙頻感應淬火方法如圖2所示。首先把齒輪放在夾具上，然后隨中心軸高速旋轉(zhuǎn)，同時由感應電源（1）送入f＝3000Hz的電流，進入感應器（A），對全齒形（齒頂、齒面、齒根）進行預熱。當齒輪達到最佳溫度時，電源（1）斷電，齒輪迅速降到淬火加熱的感應器（B）中，同時高頻電源（2）開始送電，頻率f＝140kHz，對齒輪的齒面和齒頂進行快速的淬火加熱，待齒面達到淬火溫度時，切斷高頻電源，降低齒輪的旋轉(zhuǎn)速度，同時淬火用水套中噴出冷卻水，使齒面、齒頂、齒根迅速冷卻，獲得沿齒形分布的硬化層。
圖6 雙頻感應淬火方法
1.噴水孔 2.齒輪 3.預熱用感應器（A） 4.高頻加熱感應器（B）＋淬火用水套 5.夾具
表1為齒輪（見圖2）三種熱處理工藝參數(shù)。
表1 雙頻、單頻淬火及滲碳淬火的主要工藝參數(shù)
雙頻淬火工藝參數(shù) | 單頻淬火工藝參數(shù) | 滲碳工藝參數(shù) |
預熱功率100kW | 加熱功率90kW | 滲碳950℃ |
預熱頻率3kHz | 頻率90kHz | 950℃保溫2.5h |
預熱時間3.65s | 加熱時間3.8s | 預冷降溫至850℃ |
空冷時間3.85s | 預熱時間0s | 850℃保溫20min |
高頻輸入功率900kW | ||
高頻頻率140kHz | 噴水時間15s | 淬火冷卻介質(zhì)——油 |
加熱時間0.14s | 噴水流量100L/min | 回火溫度180℃ |
噴水時間10s | — | 回火時間2h |
噴水流量100L/min | — | 隨后空冷 |
三種工藝處理后的齒輪畸變、殘留壓應力及沿齒廓仿形率的檢測結(jié)果見表2。通過表2可知，雙頻淬火后的齒輪熱處理畸變最小，精度最高，殘留壓應力最高。
表5 滲碳淬火、單頻感應淬火及雙頻感應淬火后的熱畸變結(jié)果 （μm）
項目 | 滲碳淬火＋回火 | 單頻感應淬火 | 雙頻感應淬火 | 備注 |
平均齒形誤差 | 4.26~4.8 | 2.2~3.3 | 3.1~308 | — |
齒形偏移 | 16 | 8.4 | 6.0 | — |
齒形跳動 | 5.867 | 3.103 | 2.198 | — |
齒向誤差平均值 | 6.91 | 3.7~4.1 | 3.7~4.1 | — |
齒向誤差偏移 | 20 | 4.4 | 4.4 | — |
齒向跳動 | 7.51 | 1.855 | 1.584 | — |
齒根中間 殘留應力/MPa | -27.7 | -51.3 | -778 | — |
齒頂硬化層深度 /mm | 0.87 | 4.69 | 1.54 | 當齒根硬化層深 度為0.55mm時 |
硬化層仿形率（%） | 81.5 | 0.2 | 67.2 | — |
文章來源：熱處理生態(tài)圈、金屬（加工）雜志
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