齿条作为现代工业设备中重要的机械元件之一，具有结构紧凑、传动效率高、工作可靠和使用寿命长等特点，其通常与齿轮搭配使用，主要目的在于通过旋转运动与直线运动相互转换，实现机械装置的转向等操作。齿条在运行过程中会遇到承受载荷大、运转速度快和服役环境恶劣等挑战，其质量、性能和寿命会直接影响设备的整体性能及运行安全，通常要对齿条进行热处理以改善其微观组织结构，提高强韧性，满足服役性能要求。
感应调质热处理是指利用电磁感应原理在工件表面产生感应电流，以涡流形式使工件表面被快速加热并保持一定时间，随后对其进行迅速淬火冷却并回火，从而改变工件的微观组织结构与性能。经感应调质热处理后，齿条棒材为回火索氏体组织，展现出良好的综合力学性能，同时其疲劳性能得到有效改善，使用寿命也得到显著延长。连续式感应热处理生产线具有加热速度快、自动化程度高、设备紧凑、热惯性小、连续性好、工作效率高和绿色节能高效等显著优势，现已广泛应用于齿条棒材的热处理。
淬火冷却系统是感应调质热处理过程中的核心组成部分，该系统直接影响工件的淬火质量。设计合理的冷却系统可以满足工件淬火冷速要求，降低工件变形及开裂的风险，并有助于提高材料的硬度、强度和耐磨性等性能，延长产品的使用寿命。此外，还可以实现工件的均匀冷却，减小其温度梯度和残余应力，使产品组织结构和性能均匀化。因此，在感应调质热处理生产过程中，设计一个高效、均匀、可靠的冷却系统至关重要。
本文基于前期齿条棒材感应热处理生产线的成功研制，重点介绍感应淬火冷却系统的设计过程。通过试验验证冷却系统的合理性，并生产出符合验收标准的高品质齿条调质棒材。
1、不同淬火冷却系统选择
淬火是将钢材等金属材料加热至淬火温度，并在保持一定时间后，快速冷却以提高其硬度和耐磨性的过程。通过对冷却方式、系统布局、介质选择、喷淬压力及介质温度的优化设计，开发出一种新型感应淬火冷却系统，使材料淬硬层硬度均匀一致。通过控制齿条棒材淬火变形和残余应力分布，确保工件具有优异的耐磨性、可靠性和抗疲劳性。
设计一个高效、可靠的冷却系统，可以提高热处理生产的效率，并保证产品质量的稳定性。对生产制造企业来说，这是提高产品质量、降低成本和提升市场竞争力的重要手段之一。本文根据不同冷却方式，将淬火冷却系统分为以下三种。
第一，自冷淬火。工件经表层或局部加热至奥氏体化温度后，热量自行向母材未加热区域传递，从而使奥氏体化区域迅速冷却的淬火方式。该方法主要适用于采用激光束、电子束等高能量密度热源 加热工件后的冷却，通常工件的总质量或体积远远大于被加热部分的质量或体积。
第二，浸淬冷却。将已均匀加热至淬火温度的工件浸入淬火介质(水、油或其他)中，使其迅速冷却。该方法是目前热处理领域应用最为广泛的一种淬火方式，常用于形状简单的碳钢和合金钢工件，淬火介质需根据工件材质、形状尺寸等进行选择。
第三，喷淬冷却。采用喷射液体流作为冷却介质，对均匀加热至淬火温度的工件进行淬火。通过调节冷却介质的流量、压力、温度和喷射角度等来达到所需淬火效果。
目前，感应热处理生产中主要应用的淬火冷却方式为浸淬冷却和喷淬冷却。浸淬冷却装置通常由浸淬槽、内循环与外循环冷却系统组成，具有设备简单、造价低等优点，但其缺点更明显，如冷却速率不易控制，形变大且无规律;不同位置冷却速率不同，质量均匀性与一致性差;产量小，生产效率低等。喷淬冷却系统通常由喷圈组、调压定流装置、定心调节升降装置及外循环温控装置组成，连同上下游自动化设计，高效稳定;冷却压力流量闭环调节，产品性能一致且满足多规格需求;装备根据工件尺寸定心调节，喷射水柱沿圆周方向包裹工件，周向硬度均匀一致，径向硬度具有合理梯度;适用于连续性高产量生产等。综上所述，喷淬冷却的方式更适用于齿条棒材的连续感应热处理生产线。
2、喷淬冷却系统的核心技术开发与设备研制
作为齿条棒材感应淬火生产线的重要组成部分，喷淬冷却系统直接决定着齿条的性能和使用寿命，其核心技术与设备包含以下几个方面。
喷淬冷却方式
喷淬冷却方式是影响冷却效果的重要因素，不同的喷淬冷却方式会影响工件表面的硬度和韧性。常见的喷淬冷却方式包括定向、匀速、波形等。定向喷淬可以使工件不同位置的硬度和韧性出现明显差异，匀速喷淬可以使工件各位置实现均匀冷却，波形喷淬可以使工件获得周期性变化的冷却质量。齿条料棒材的冷却应选择匀速喷淬，整个棒材同一圆周表面冷却均匀，避免出现局部过热或过冷的情况，确保齿条棒材的质量和性能的均一性。
冷却系统布局
喷淬冷却系统的布局需要充分考虑齿条棒材的结构特点、形状尺寸、运动方式、喷嘴与棒材之间的距离及喷嘴相对于棒材运行轴线角度的合理性，从而达到所需的冷却速率。喷圈要具有高度位置自动化调节功能，从而实现所有直径棒材均与喷圈同心。冷却系统要具有可靠的监测和报警系统，从而保证该系统的安全性和稳定性。在实际应用中，冷却系统应根据工件的具体工艺需求进行系统调试和优化，从而达到最佳的冷却效果。
结合齿条棒材的尺寸和性能需求，冷却系统采用 9 个喷圈，其位置、距离和喷淬角度布局如图 1 所示。9 个喷圈一字排开，保证淬火过程的完整性。喷圈设计为圆形，齿条棒材在前进的同时保持自转(自转速度 70 r/min)，确保冷却介质充分覆盖棒材圆周，防止出现冷却死角或者局部过冷现象，有效保证齿条棒材性能的一致性。在感应热处理生产过程中，前后两根棒材保持首尾相连，如图 2 所示，有效降低感应热处理过程中的端部效应，从而提高工件有效长度和加工效率。
针对齿条棒材直径在 21~33 mm 范围内，为保证喷水圈与棒材同心，增加一套喷圈自动伺服升降装置，可根据棒材直径自动精确调节喷水圈中心高度至合适位置(同心度 ± 0.5 mm)。
冷却介质选择
冷却介质通常要具有较大的比热容和优异的导热性能，以确保工件能够快速均匀冷却。目前，广泛使用的冷却介质有水、油和 PAG/PVP 淬火液等。不同材质的工件应根据其淬透性来选择相应的冷却介质，从而实现最佳淬火效果。水作为一种较常用的冷却介质，其导热性好且成本低廉，可使工件获得较快的冷却速度与较高硬度，但也会增大工件的形变与开裂倾向;油的热传导性差，通常用于淬透性较好的合金钢的冷却;PAG/PVP 淬火液冷却速度相对适中，并可通过调整介质浓度来改变工件的冷却速度，既能减少水淬过程中的工件形变与开裂倾向，又能克服油淬冷却不足的缺点。因此，针对不同材质的工件，需选择不同的冷却介质，如 37CrS4HL 齿条棒材可选择使用 PAG 淬火液。
淬火介质的纯净度决定了工件冷却过程的均一性，因此需要设计一套清洁系统，以保证介质杂质含量被控制在工艺要求范围内。37CrS4HL 齿条棒材感应淬火用的 PAG 淬火液采用以下除杂过滤方式：将工件进行淬火后，淬火液落入沉降池进行氧化铁皮沉淀，较“清澈”部分溢流至热液池(隔网实现一级过滤);随后被循环泵吸出并在管路中经过滤器进行二级过滤;最后在进喷圈前进行第三级过滤。上述三级过滤中，后一级过滤精度均高于前一级，并确保进入喷圈淬火液中的杂质小于喷孔尺寸。
淬火压力流量设计
为达到最佳冷却效果，需通过调节冷却介质的压力与流量来控制其冷却速度。喷淬介质压力越高、流量越大，工件的冷却速度越快，但同时也会增加其变形的风险。
齿条棒材喷淬冷却采用预冷→急冷→缓冷的模式，预冷和缓冷可以降低工件热应力与相变应力的释放，从而减小其变形;急冷通过提高冷速促使淬火组织得到全马氏体，提高齿条棒材的表面硬度和耐磨性，延长其使用寿命。在实际使用时，喷圈一的压力适中，预冷减小工件变形;喷圈二至五的压力显著大于喷圈一，急冷获得全马氏体;喷圈六至八采用较小的压力，棒材缓冷至室温;喷圈九用于阻挡水外溅。淬火介质主管的总压力应不小于 0.3 MPa，流量位于 100~140 m3/h 范围内，通过阀门精准调节控制各支管喷圈的压力，确保各喷圈的压力被控制在工艺设定范围内。以 37CrS4HL 齿条棒材淬火为例，各喷圈的压力可依次设置为 0.04、0.12、0.12、0.12、0.12、0.04、0.04、0.04、0.04 MPa，允许其变化范围为 ±0.01 MPa，各喷圈压力、喷淬角度和位置分布如图 1 所示。
淬火介质温度调节
淬火介质温度通常根据齿条棒材材质来确定，针对 37CrS4HL 齿条材料而言，淬火介质应选择浓度 10 %PAG 淬火液，温度为 18~35 ℃。淬火介质温度随着淬火过程的推进会逐步升高，因此需要通过外部冷却使其保持在工艺要求范围内，具体方式如下：工件淬火后的“热介质”由循环泵输送至闭式冷却塔，塔内完成热量交换后，“冷介质”带压输送至喷圈前。通过实时监测淬火介质温度、合理配置冷却塔规格及温度闭环控制自动化系统，确保介质温度保持在工艺要求范围内，从而使工件获得良好的淬火效果。
综上所述，喷淬冷却系统核心技术与设备包括喷淬冷却方式、冷却系统布局、冷却介质选择、淬火压力流量设计及淬火介质温度调节等。本文针对齿条棒材的尺寸与材质，综合考虑产品的性能要求，研制出齿条棒材感应热处理生产线及其淬火冷却系统，该系统如图 3 所示。
3、组织与性能试验验证
为了验证感应热处理生产线中喷淬冷却系统布局、淬火介质流量与压力配置等参数设置的合理性，本研究以 37CrS4HL 齿条棒材为例进行试验验证，对其调质后的显微组织和性能进行分析，评估其是否达到性能需求指标。试验 37CrS4HL 齿条棒材尺寸为 ϕ30 mm × 6 000 mm，其调质后的表面显微组织如图 4 所示。可以看到，铁素体基体内分布着极细小的碳化物颗粒，为典型的回火索氏体组织特征，具有良好的强韧性能匹配。对 37CrS4HL 齿条棒材调质后的表面、1/4d、心部三处的硬度进行检测，结果为 25.8±1.0、25.3±0.8、24±0.5 HRC，从表面到心部硬度呈现良好的梯度分布，且各部位硬度散差均较小。将齿条热处理后的各项性能要求指标与 37CrS4HL 齿条棒材的检测结果进行对比，如表 1 所示。从表 1 可以看出，齿条棒材各部位硬度差、弯曲度、应力变形程度及回火后的组织均符合性能需求指标，验证了感应热处理生产线喷淬冷却系统布局及各项参数设置的合理性。
4、结论
1)对 37CrS4HL 齿条棒材调质后的组织与性能进行试验验证分析，结果表明该工件各部位硬度差、弯曲度、应力变形程度及回火后的组织均符合验收指标。
2)试验验证结果表明，感应淬火冷却系统的布局、淬火介质流量与压力配置等参数的设置均在合理范围内，可生产出符合验收标准的高品质齿条棒材。
参考文献略.