1.双频感应加热原理
常规（传统）双频感应淬火是两种频率的电源分别施加到两个感应器，齿轮需要从低频感应器预热之后快速移到另一高频感应器加热并进行淬火，见图1。双频感应淬火是采用低频加热向里面，进行热能量的扩散，最后高频加热向表层，即“低频趋里，高频趋表”的特征。
图4 常规的齿轮双频淬火示意
双频感应淬火是增加淬硬层深度并使硬度分布更为合理的感应加热淬火方法。即用中频-高频依次加热方法可获得沿齿廓分布的硬化层，而且齿轮热处理畸变小。
例如，模数为4mm的齿轮先用中频电流加热（2.5~3s）齿沟和接近齿根的齿侧，然后再用250kHz高频电流加热（0.6~0.7s）齿顶和接近齿顶的齿侧，然后淬火。
东风汽车集团公司对材料为45钢、模数为3的齿轮进行双频感应加热淬火时，能够得到沿齿轮廓均匀分布的淬硬层，淬硬层为0.8mm时，具有最佳弯曲疲劳性能，与SCM420（相当于20CrMo钢）渗碳齿轮疲劳性能基本相当，疲劳极限可以达到1450MPa。
2.双频感应加热工艺及效果
日本电气兴业公司通过对齿轮双频淬火法进行试验，可得到比齿轮单频淬火法和渗碳淬火法小的畸变，渐开线圆柱齿轮（见图2），模数2mm，全齿高4.7mm，齿数36，材料为S45C钢（相当于45钢）。齿面经剃齿精加工，预备热处理为调质。
图2 试验齿轮形状
双频感应淬火方法如图2所示。首先把齿轮放在夹具上，然后随中心轴高速旋转，同时由感应电源（1）送入f＝3000Hz的电流，进入感应器（A），对全齿形（齿顶、齿面、齿根）进行预热。当齿轮达到最佳温度时，电源（1）断电，齿轮迅速降到淬火加热的感应器（B）中，同时高频电源（2）开始送电，频率f＝140kHz，对齿轮的齿面和齿顶进行快速的淬火加热，待齿面达到淬火温度时，切断高频电源，降低齿轮的旋转速度，同时淬火用水套中喷出冷却水，使齿面、齿顶、齿根迅速冷却，获得沿齿形分布的硬化层。
图6 双频感应淬火方法
1.喷水孔 2.齿轮 3.预热用感应器（A） 4.高频加热感应器（B）＋淬火用水套 5.夹具
表1为齿轮（见图2）三种热处理工艺参数。
表1 双频、单频淬火及渗碳淬火的主要工艺参数
双频淬火工艺参数 | 单频淬火工艺参数 | 渗碳工艺参数 |
预热功率100kW | 加热功率90kW | 渗碳950℃ |
预热频率3kHz | 频率90kHz | 950℃保温2.5h |
预热时间3.65s | 加热时间3.8s | 预冷降温至850℃ |
空冷时间3.85s | 预热时间0s | 850℃保温20min |
高频输入功率900kW | ||
高频频率140kHz | 喷水时间15s | 淬火冷却介质——油 |
加热时间0.14s | 喷水流量100L/min | 回火温度180℃ |
喷水时间10s | — | 回火时间2h |
喷水流量100L/min | — | 随后空冷 |
三种工艺处理后的齿轮畸变、残留压应力及沿齿廓仿形率的检测结果见表2。通过表2可知，双频淬火后的齿轮热处理畸变最小，精度最高，残留压应力最高。
表5 渗碳淬火、单频感应淬火及双频感应淬火后的热畸变结果 （μm）
项目 | 渗碳淬火＋回火 | 单频感应淬火 | 双频感应淬火 | 备注 |
平均齿形误差 | 4.26~4.8 | 2.2~3.3 | 3.1~308 | — |
齿形偏移 | 16 | 8.4 | 6.0 | — |
齿形跳动 | 5.867 | 3.103 | 2.198 | — |
齿向误差平均值 | 6.91 | 3.7~4.1 | 3.7~4.1 | — |
齿向误差偏移 | 20 | 4.4 | 4.4 | — |
齿向跳动 | 7.51 | 1.855 | 1.584 | — |
齿根中间 残留应力/MPa | -27.7 | -51.3 | -778 | — |
齿顶硬化层深度 /mm | 0.87 | 4.69 | 1.54 | 当齿根硬化层深 度为0.55mm时 |
硬化层仿形率（%） | 81.5 | 0.2 | 67.2 | — |
文章来源：热处理生态圈、金属（加工）杂志
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