盾构轴承套圈齿部淬火工艺研究

孙小东，王明礼，端木培兰，霍晓磊

（洛阳LYC轴承有限公司a.技术中心；b.特大型轴承厂，河南 洛阳 471039）

土压平衡盾构主轴轴承为3排组合结构，是盾构掘进机上承受载荷（主要是冲击载荷）最大的部件之一。由于极其恶劣的工作条件，当其齿面和齿根淬火质量未达到技术要求时，轴承易发生早期失效，进而可能导致正在施工的隧道和盾构掘进机整体报废，造成极大的经济损失，因此，其必须具有很高的可靠性。由于盾构主轴轴承齿面和齿根的淬火质量（硬度、硬化层深度）是决定其可靠性的重要指标之一，因此，必须对轴承齿面和齿根的感应器结构和中频淬火工艺进行深入研究，使齿面和齿根的淬火质量能够满足高强度、高耐磨性以及高可靠性的要求。

1 试验设备和检测仪器

试验及检测所使用的设备、仪器为：（1）淬火设备采用GC13650淬火机床；（2）硬度检测仪器为HR-150洛氏硬度计；（3）淬火介质浓度测定使用WYT-15折光仪。

由于盾构主轴轴承的齿面和齿根均要求表面淬火，为了使齿面和齿根淬火后的硬度和硬化层深度能够满足技术要求，采用了如图1所示结构的仿形感应器。

图1 齿淬火仿形感应器结构形式

2 淬火技术要求

盾构主轴轴承齿的淬火技术要求为：（1）齿面、齿根硬度为50～60 HRC；（2）齿面、齿根有效硬化层深度≥2.9 mm；（3）淬火面不允许有裂纹。

3 中频淬火工艺试验

3.1 中频淬火工艺试验

3.1.1 感应器及齿淬火试验基本参数

采用单齿仿形齿根齿面淬火感应器（图1）。齿模数为M18；试样材料为42CrMo。该材料属于合金结构钢，经过调质以后可以获得良好的综合力学性能。

3.1.2 淬火介质的选择

目前，国内常用的淬火介质有聚乙烯醇（PVA）和聚二醇（PAG）。PVA的主要缺点是使用浓度低（约0.1%～0.3%），易老化变质。PAG在长期使用中性能比较稳定，而且使用浓度比在6%～8%，很容易用折光仪测定，容易控制。

3.1.3 齿淬火加热参数的选择

感应淬火由于加热速度快，奥氏体不一定会完全均匀化，提高温度可以减轻或消除这种现象，而过高的温度会使表面过热，淬火后易产生裂纹，所以，感应淬火温度选择880～920℃；根据技术要求的硬化层深度，选择4 500 Hz的电流加热频率；工件移动速度慢影响生产效率，太快易导致淬火裂纹，因此选用130～240 mm／min。

齿淬火工艺试验参数见表1。回火工艺为（170±10）℃×4 h，空冷。

表1 齿淬火试验工艺

3.2 检验结果

（1）着色探伤。齿试样淬回火后经着色渗透探伤均无裂纹。

（2）硬度及硬化层深度检测。齿淬火试样硬化层深度检测结果见表2，检测部位及硬化层形状分布见图2。

表2 淬火硬化层深度检测结果 mm

图2 各工艺测量部位及硬化层分布

3.3 结果分析

（1）从表2可以看出，齿顶、齿面和齿根的硬化层深度依次降低，这是由于在淬火加热时，齿面和齿根部位的加热和散热状态不同。电磁感应加热的边缘效应使得尖角处（齿顶部位）的加热深度较深，且此处散热差，所以淬火后硬化层就深；由于齿根处需要的热量多，而该部位热量向零件内部散热较快，所以淬火后硬化层较浅。

（2）从表1和表2可以看出，工件的移动速度越慢，硬化层越深。这是因为工件的移动速度越慢，加热时间就越长，工件获得的总热量就越多，加热深度就越深，因此，淬火后的硬化层深度就越深。

（3）试验结果表明，A2-2，A6-2齿面和齿根淬硬层深度均能到达2.9 mm。但由于A2-2工艺感应器移动速度过慢，生产效率低，故实际生产中不易采用此工艺。

根据试验结果，综合考虑产品质量和生产效率等因素，确定土压平衡盾构主轴轴承齿的淬火工艺为A6-2。其具体工艺参数为：感应器移动速度为160～180 mm／min；淬火温度为（900±20）℃；加热频率为4 500 Hz；淬火介质浓度比为c（PAG）＝6%～8%，淬火介质温度为（30±5）℃。