齒條作為現代工業設備中重要的機械元件之一，具有結構緊湊、傳動效率高、工作可靠和使用壽命長等特點，其通常與齒輪搭配使用，主要目的在于通過旋轉運動與直線運動相互轉換，實現機械裝置的轉向等操作。齒條在運行過程中會遇到承受載荷大、運轉速度快和服役環境惡劣等挑戰，其質量、性能和壽命會直接影響設備的整體性能及運行安全，通常要對齒條進行熱處理以改善其微觀組織結構，提高強韌性，滿足服役性能要求。
感應調質熱處理是指利用電磁感應原理在工件表面產生感應電流，以渦流形式使工件表面被快速加熱并保持一定時間，隨后對其進行迅速淬火冷卻并回火，從而改變工件的微觀組織結構與性能。經感應調質熱處理后，齒條棒材為回火索氏體組織，展現出良好的綜合力學性能，同時其疲勞性能得到有效改善，使用壽命也得到顯著延長。連續式感應熱處理生產線具有加熱速度快、自動化程度高、設備緊湊、熱慣性小、連續性好、工作效率高和綠色節能高效等顯著優勢，現已廣泛應用于齒條棒材的熱處理。
淬火冷卻系統是感應調質熱處理過程中的核心組成部分，該系統直接影響工件的淬火質量。設計合理的冷卻系統可以滿足工件淬火冷速要求，降低工件變形及開裂的風險，并有助于提高材料的硬度、強度和耐磨性等性能，延長產品的使用壽命。此外，還可以實現工件的均勻冷卻，減小其溫度梯度和殘余應力，使產品組織結構和性能均勻化。因此，在感應調質熱處理生產過程中，設計一個高效、均勻、可靠的冷卻系統至關重要。
本文基于前期齒條棒材感應熱處理生產線的成功研制，重點介紹感應淬火冷卻系統的設計過程。通過試驗驗證冷卻系統的合理性，并生產出符合驗收標準的高品質齒條調質棒材。
1、不同淬火冷卻系統選擇
淬火是將鋼材等金屬材料加熱至淬火溫度，并在保持一定時間后，快速冷卻以提高其硬度和耐磨性的過程。通過對冷卻方式、系統布局、介質選擇、噴淬壓力及介質溫度的優化設計，開發出一種新型感應淬火冷卻系統，使材料淬硬層硬度均勻一致。通過控制齒條棒材淬火變形和殘余應力分布，確保工件具有優異的耐磨性、可靠性和抗疲勞性。
設計一個高效、可靠的冷卻系統，可以提高熱處理生產的效率，并保證產品質量的穩定性。對生產制造企業來說，這是提高產品質量、降低成本和提升市場競爭力的重要手段之一。本文根據不同冷卻方式，將淬火冷卻系統分為以下三種。
第一，自冷淬火。工件經表層或局部加熱至奧氏體化溫度后，熱量自行向母材未加熱區域傳遞，從而使奧氏體化區域迅速冷卻的淬火方式。該方法主要適用于采用激光束、電子束等高能量密度熱源 加熱工件后的冷卻，通常工件的總質量或體積遠遠大于被加熱部分的質量或體積。
第二，浸淬冷卻。將已均勻加熱至淬火溫度的工件浸入淬火介質(水、油或其他)中，使其迅速冷卻。該方法是目前熱處理領域應用最為廣泛的一種淬火方式，常用于形狀簡單的碳鋼和合金鋼工件，淬火介質需根據工件材質、形狀尺寸等進行選擇。
第三，噴淬冷卻。采用噴射液體流作為冷卻介質，對均勻加熱至淬火溫度的工件進行淬火。通過調節冷卻介質的流量、壓力、溫度和噴射角度等來達到所需淬火效果。
目前，感應熱處理生產中主要應用的淬火冷卻方式為浸淬冷卻和噴淬冷卻。浸淬冷卻裝置通常由浸淬槽、內循環與外循環冷卻系統組成，具有設備簡單、造價低等優點，但其缺點更明顯，如冷卻速率不易控制，形變大且無規律;不同位置冷卻速率不同，質量均勻性與一致性差;產量小，生產效率低等。噴淬冷卻系統通常由噴圈組、調壓定流裝置、定心調節升降裝置及外循環溫控裝置組成，連同上下游自動化設計，高效穩定;冷卻壓力流量閉環調節，產品性能一致且滿足多規格需求;裝備根據工件尺寸定心調節，噴射水柱沿圓周方向包裹工件，周向硬度均勻一致，徑向硬度具有合理梯度;適用于連續性高產量生產等。綜上所述，噴淬冷卻的方式更適用于齒條棒材的連續感應熱處理生產線。
2、噴淬冷卻系統的核心技術開發與設備研制
作為齒條棒材感應淬火生產線的重要組成部分，噴淬冷卻系統直接決定著齒條的性能和使用壽命，其核心技術與設備包含以下幾個方面。
噴淬冷卻方式
噴淬冷卻方式是影響冷卻效果的重要因素，不同的噴淬冷卻方式會影響工件表面的硬度和韌性。常見的噴淬冷卻方式包括定向、勻速、波形等。定向噴淬可以使工件不同位置的硬度和韌性出現明顯差異，勻速噴淬可以使工件各位置實現均勻冷卻，波形噴淬可以使工件獲得周期性變化的冷卻質量。齒條料棒材的冷卻應選擇勻速噴淬，整個棒材同一圓周表面冷卻均勻，避免出現局部過熱或過冷的情況，確保齒條棒材的質量和性能的均一性。
冷卻系統布局
噴淬冷卻系統的布局需要充分考慮齒條棒材的結構特點、形狀尺寸、運動方式、噴嘴與棒材之間的距離及噴嘴相對于棒材運行軸線角度的合理性，從而達到所需的冷卻速率。噴圈要具有高度位置自動化調節功能，從而實現所有直徑棒材均與噴圈同心。冷卻系統要具有可靠的監測和報警系統，從而保證該系統的安全性和穩定性。在實際應用中，冷卻系統應根據工件的具體工藝需求進行系統調試和優化，從而達到最佳的冷卻效果。
結合齒條棒材的尺寸和性能需求，冷卻系統采用 9 個噴圈，其位置、距離和噴淬角度布局如圖 1 所示。9 個噴圈一字排開，保證淬火過程的完整性。噴圈設計為圓形，齒條棒材在前進的同時保持自轉(自轉速度 70 r/min)，確保冷卻介質充分覆蓋棒材圓周，防止出現冷卻死角或者局部過冷現象，有效保證齒條棒材性能的一致性。在感應熱處理生產過程中，前后兩根棒材保持首尾相連，如圖 2 所示，有效降低感應熱處理過程中的端部效應，從而提高工件有效長度和加工效率。
針對齒條棒材直徑在 21~33 mm 范圍內，為保證噴水圈與棒材同心，增加一套噴圈自動伺服升降裝置，可根據棒材直徑自動精確調節噴水圈中心高度至合適位置(同心度 ± 0.5 mm)。
冷卻介質選擇
冷卻介質通常要具有較大的比熱容和優異的導熱性能，以確保工件能夠快速均勻冷卻。目前，廣泛使用的冷卻介質有水、油和 PAG/PVP 淬火液等。不同材質的工件應根據其淬透性來選擇相應的冷卻介質，從而實現最佳淬火效果。水作為一種較常用的冷卻介質，其導熱性好且成本低廉，可使工件獲得較快的冷卻速度與較高硬度，但也會增大工件的形變與開裂傾向;油的熱傳導性差，通常用于淬透性較好的合金鋼的冷卻;PAG/PVP 淬火液冷卻速度相對適中，并可通過調整介質濃度來改變工件的冷卻速度，既能減少水淬過程中的工件形變與開裂傾向，又能克服油淬冷卻不足的缺點。因此，針對不同材質的工件，需選擇不同的冷卻介質，如 37CrS4HL 齒條棒材可選擇使用 PAG 淬火液。
淬火介質的純凈度決定了工件冷卻過程的均一性，因此需要設計一套清潔系統，以保證介質雜質含量被控制在工藝要求范圍內。37CrS4HL 齒條棒材感應淬火用的 PAG 淬火液采用以下除雜過濾方式：將工件進行淬火后，淬火液落入沉降池進行氧化鐵皮沉淀，較“清澈”部分溢流至熱液池(隔網實現一級過濾);隨后被循環泵吸出并在管路中經過濾器進行二級過濾;最后在進噴圈前進行第三級過濾。上述三級過濾中，后一級過濾精度均高于前一級，并確保進入噴圈淬火液中的雜質小于噴孔尺寸。
淬火壓力流量設計
為達到最佳冷卻效果，需通過調節冷卻介質的壓力與流量來控制其冷卻速度。噴淬介質壓力越高、流量越大，工件的冷卻速度越快，但同時也會增加其變形的風險。
齒條棒材噴淬冷卻采用預冷→急冷→緩冷的模式，預冷和緩冷可以降低工件熱應力與相變應力的釋放，從而減小其變形;急冷通過提高冷速促使淬火組織得到全馬氏體，提高齒條棒材的表面硬度和耐磨性，延長其使用壽命。在實際使用時，噴圈一的壓力適中，預冷減小工件變形;噴圈二至五的壓力顯著大于噴圈一，急冷獲得全馬氏體;噴圈六至八采用較小的壓力，棒材緩冷至室溫;噴圈九用于阻擋水外濺。淬火介質主管的總壓力應不小于 0.3 MPa，流量位于 100~140 m3/h 范圍內，通過閥門精準調節控制各支管噴圈的壓力，確保各噴圈的壓力被控制在工藝設定范圍內。以 37CrS4HL 齒條棒材淬火為例，各噴圈的壓力可依次設置為 0.04、0.12、0.12、0.12、0.12、0.04、0.04、0.04、0.04 MPa，允許其變化范圍為 ±0.01 MPa，各噴圈壓力、噴淬角度和位置分布如圖 1 所示。
淬火介質溫度調節
淬火介質溫度通常根據齒條棒材材質來確定，針對 37CrS4HL 齒條材料而言，淬火介質應選擇濃度 10 %PAG 淬火液，溫度為 18~35 ℃。淬火介質溫度隨著淬火過程的推進會逐步升高，因此需要通過外部冷卻使其保持在工藝要求范圍內，具體方式如下：工件淬火后的“熱介質”由循環泵輸送至閉式冷卻塔，塔內完成熱量交換后，“冷介質”帶壓輸送至噴圈前。通過實時監測淬火介質溫度、合理配置冷卻塔規格及溫度閉環控制自動化系統，確保介質溫度保持在工藝要求范圍內，從而使工件獲得良好的淬火效果。
綜上所述，噴淬冷卻系統核心技術與設備包括噴淬冷卻方式、冷卻系統布局、冷卻介質選擇、淬火壓力流量設計及淬火介質溫度調節等。本文針對齒條棒材的尺寸與材質，綜合考慮產品的性能要求，研制出齒條棒材感應熱處理生產線及其淬火冷卻系統，該系統如圖 3 所示。
3、組織與性能試驗驗證
為了驗證感應熱處理生產線中噴淬冷卻系統布局、淬火介質流量與壓力配置等參數設置的合理性，本研究以 37CrS4HL 齒條棒材為例進行試驗驗證，對其調質后的顯微組織和性能進行分析，評估其是否達到性能需求指標。試驗 37CrS4HL 齒條棒材尺寸為 ?30 mm × 6 000 mm，其調質后的表面顯微組織如圖 4 所示。可以看到，鐵素體基體內分布著極細小的碳化物顆粒，為典型的回火索氏體組織特征，具有良好的強韌性能匹配。對 37CrS4HL 齒條棒材調質后的表面、1/4d、心部三處的硬度進行檢測，結果為 25.8±1.0、25.3±0.8、24±0.5 HRC，從表面到心部硬度呈現良好的梯度分布，且各部位硬度散差均較小。將齒條熱處理后的各項性能要求指標與 37CrS4HL 齒條棒材的檢測結果進行對比，如表 1 所示。從表 1 可以看出，齒條棒材各部位硬度差、彎曲度、應力變形程度及回火后的組織均符合性能需求指標，驗證了感應熱處理生產線噴淬冷卻系統布局及各項參數設置的合理性。
4、結論
1)對 37CrS4HL 齒條棒材調質后的組織與性能進行試驗驗證分析，結果表明該工件各部位硬度差、彎曲度、應力變形程度及回火后的組織均符合驗收指標。
2)試驗驗證結果表明，感應淬火冷卻系統的布局、淬火介質流量與壓力配置等參數的設置均在合理范圍內，可生產出符合驗收標準的高品質齒條棒材。
參考文獻略.