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车轴感应淬火技术的发展

车轴是机车车辆中的部件之一,它直接关系到铁道车辆行车安全。从19世纪中到20世纪初,各国对车轴的疲劳断裂进行了大量的研究,如科学家Ｗｈｏｌｅｒ和Ｈｏｇｅｒ用全尺寸车轴进行车轴疲劳断裂的研究,日本也对实物车轴进行了大量的试验研究。对车轴疲劳强度和疲劳断裂机理已研究很清楚行车轮淬火设备,但铁路车辆车轴疲劳断裂依然存在齿轮淬火设备。例如,在俄罗斯仅1993年在运用的220～250万根车轴中,因疲劳裂纹而报废的就达6800根。法国在高速铁路系统的定期检修中,将轮座磨去0.5mm深,以防止再次裂纹萌生。在日本新干线使用的所有车轴,运行 45万公里后,用磁粉探伤仪进行检查,每年进行磁粉探伤的车轴总数约2万根。随着高速铁路在世界各国的兴起和不断发展轴淬火设备,对车轴的安全使用性能提出了更高的要求。强化车轴表面,是提高车轴断裂的重要措施。无论是法国、日本还是德国对高速运行下的车轴都进行了大量的研究和应用,日本、法国均采用低碳钢制造车轴,并进行表面感应淬火处理。日本新干线的使用结果表明,这种车轴经表面感应淬火后花键轴淬火设备,克服了车轴的断裂,确保了行车安全。车轴材料我国的机车、车辆均采用碳素钢车轴,纵观总体情况,应该说碳素钢车轴是成熟的、可靠的。对于高速列车车轴材料是选碳素钢还是合金钢,我国还没有成熟的技术。由于各国的国情不同 ,技术观点不同 ,选用的车轴材料不尽相同,但都属于低碳钢范畴。

感应淬火低碳钢车轴表面采用感应淬火是提高其疲劳寿命为经济而有效的方法。日本对此进行了详细的试验研究 ,并成功地运用在高速铁路上。日本新干线在这方面工作早在 1948年就开始了 ,碳素钢经调质处理后 ,再沿车轴纵向进行表面感应加热淬火 ,在淬硬层内获得非常细的马氏体组织 ,使其表面硬度显著增加。

薄壁齿轮的超音频感应加热淬火

薄壁齿轮材料及热处理技术要求

齿轮材料为45钢。热处理技术要求是齿坯正火到179-299HB，精切齿后沿齿沟高频感应加热淬火到硬度48—55HRC。齿根淬硬层深度≥0.5mm。

淬火加热电源设备

淬火机床功率100kW，加热频率100kHz。感应器采用螺旋状，同时感应器设计时增大与齿轮的耦合，提升感应加热的速度。

加热工艺参数

加热采用全齿同时加热方式。通过加热电源输入功率的调节控制齿轮感应加热时获得的比功率，从而控制感应加热速度。加热后采用喷水冷却的方式。

齿轮高频感应加热淬火温度

加热温度及加热速度是感应加热的基本的工艺参数， 它直接决定钢的相变过程和淬火后的组织，是提高和稳定高频表面淬火工艺质量的重要保证。

高频感应加热是由交变电磁感应产生涡流和磁滞加热零件。高频感应加热速度很快，在相变区内可达50-500摄氏度/秒，甚至更高。

高频感应快速加热中，在其他因素相同的条件下，完成相变的条件取决于相变 区内的加热速度，加热速度越快，完成相变的温度就越高。

获得淬火硬度的温度，就是完成相变的理想淬火温度,淬火组织为隐针状 或细针状马氏体。若低于该淬火温度下淬火，则淬火组织中出现屈氏体和少量铁素体；若高于该温度淬火，则得针状或粗针状马氏体。

淬火温度的选择，主要决定于零件的服役条件，如以提高表面耐磨性为主，不 受冲击的零件，可选择获得硬度的淬火温度。

齿轮双频感应加热过程及齿轮材质的选择

双频加热的原理是使用低高两种频率的热源。首先，以较低频率的热源加热(3—10kHz)，为齿轮预热提供所需能量。

随后，立即进行高频热源加热，频率范围100-250kHz之间。频率选择依齿轮尺寸及周节大小而定。高频热源将迅速使全部齿轮外表面加热至淬火温度，然后齿轮立即淬火，获得设计所规定的硬度。

在双频加热中，固定在心轴上旋转着的齿轮接受预热，随后一个快速“脉冲使之达到终适宜的淬火温度后，工件被送入水中淬火。全部过程共需30秒钟。

这一过程为计算机所控制。由于加热速度快，表面无氧化、脱碳现象，外观质量及心部材料的性能仍保持不变。

制造齿轮有多种材料，从工艺及经济的观点出发，钢得到广泛应用。

含碳量决定钢能达到的硬度。通常用于感应热处理的钢，视其表面的设计硬度要求，含碳量一般为0.40,0.50或0.60％为宜。

要使零件在局部加热之后淬火硬化，钢的含碳量必须达到设计硬度的要求。

双频感应淬火解决这一问题的办法是，严格控制热处理变形，使变形量限制在太多数齿轮的设计要求范围之内。

齿轮淬火处理有其特点，双频感应处理是各种方法中较理想的。在常规处理中，要同时满足一定的硬化层深度及变形要求是困难的，因为两者会相互影响，相互制约。而双频感应方法仅对齿轮的局部提供淬火所必须的能量(比常规生产减少2—3倍)，因此，变形范围及硬化深度均达到设计要求。

整体感应淬火工艺技术针对现有分段感应淬火工艺技术存在的问题进行研究，开发出整体感应淬火技术，整体感应淬火工艺技术是将原来的两次感应淬火工艺合二为一，解决了分段感应淬火过程中存在的问题，并使淬火区域连接在一起，实现淬硬层连续，提升产品质量，提高生产率，降低生产成本。整体感应淬火技术的开发主要包括感应淬火技术感应器的设计及试制、轮毂轴管零件的工艺调试及结果分析；通过多轮的试验及工艺调试试制出感应淬火感应器，开发出感应淬火工艺，并试制出合格的轮毂轴管零件。整体感应淬火技术由于淬火区域大，零件储热高，为自回火技术的实施创造了条件，因此在开发整体感应淬火工艺过程中通过严格控制喷水压力、持续时间、淬火液浓度等参数，使零件淬火后余温达到大约200℃，实现了自回火，节省了回火费用。