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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行车轮淬火设备,日本也对实物车轴进行了大量的试验研究齿轮淬火设备。对车轴疲劳强度和疲劳断裂机理已研究很清楚,但铁路车辆车轴疲劳断裂依然存在。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轴淬火设备,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,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花键轴淬火设备,这种车轴经表面感应淬火后,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。

汽车半轴坯料中频感应加热质量的控制

为便于实现机械化和自动化，提高生产效率，中频感应加热金属在国内一些企业也逐渐得到广泛运用。

感应加热的基本原理是当施感导体（感应器）中通入交变电流以后，在它的周围产生一个交变的磁场，把金属毛坯置于交变的磁场内，在其内部便产生一个交变电势，在电动势作用下金属内部产生交变涡流。由于金属毛坯电阻上的涡流发热和磁性转变点以下的磁滞损失发热，把金属毛坯加热到所需要的温度。由趋负效应可知，电流仅在被加热的金属表面层流过，表面层中的金属主要靠电流流过而加热，内层（中心金属）则靠外层热量向内层传导而加热。一般来说，当毛坯表面加热到锻造温度时，表面和中心温度差不得超过100℃。对于大直径的毛坯，为了缩短内层金属的加热时间、提高加热速度，建议选用较低的电流频率以增大电流透入深度，否则选用的频率太高，电流透入深度将减少，不但延长了热量由外层向内层的传递时间，增加了热量损失，热效率低，甚至会造成表面过热。小直径毛坯感应加热时，由于截面尺寸小，可以采用较高频率，以提高电效率。

中频感应加热设备是目前主流的电磁感应加热技术，有很多优点：升温快，氧化和脱碳少，劳动条件好，便于实现机械化和自动化。

从动齿圈中频感应加热预淬火

从动齿圈是联合收割机差速器总成中的关键零件。技术要求感应淬火后齿顶和齿根部硬度为50～60HRC。

从动齿圈采用整体预热后高频加热淬火方式,可使齿部与心部的温差减小,降低齿顶和齿根传热条件不同而引起的温度差异,获得沿齿廓分布的淬硬层。另外,考虑到操作方便,直接采用中频进行齿部预热后二次加热淬火。零件淬火后留自回火温度200～250 ℃,同时规定淬火和回火时间间隔不得超过2小时,有效防止淬火裂纹的产生。

1. 从动齿圈采用齿部预热后中频加热淬火方式,可以显著降低由于齿顶和齿根传热条件不同而导致的温度差异,从而获得沿齿廓分布的淬硬层。

2. 在对齿宽较宽的盘状类齿轮整体加热的感应器设计时,感应器的高度应比齿圈的齿宽小1～2 mm,以减小加热时的尖角效应。

3. 随着数控淬火机床的发展,如果采用数控机床,可以实现两次加热采用不同的工艺参数,则能够取得更好的效果。

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。

齿轮感应淬火的作用与目的

近年来 ,随着齿轮生产商对技术认识的不断提高，带来了多方面的改进，如低噪音、轻量化、低成本和高承载能力等，使得齿轮副在高速和大扭矩作用下产生少的热量。并不是所有的齿轮都适应感应淬火 ,外螺旋直齿轮、蜗杆齿轮、内齿轮、齿条和链齿属于典型的感应淬火齿轮零件。相反，锥齿轮、双曲面齿轮和非圆形齿轮几乎不使用感应热处理。

与渗碳和渗氮相比，感应淬火不要求齿轮整体加热。通过感应淬火，可将热量地施加于特定的区域，使该区域产生所期望的相变 (例如齿廓、齿根和齿顶有选择的硬化) ，且对其余区域的影响很小。根据应用情况，齿部硬度范围一般是 42～60 HRC。

齿轮感应淬火的一个目的是在齿轮的特殊部位得到细晶的全马氏体层 ,以提高硬度和耐磨性。 但不会使其余部分受热处理的影响。 硬度的增强也提高了接触疲劳强度 ,由于同时增强了硬度、耐磨性并可获得细晶粒的马氏体层 ,所以可以使用廉价的中高碳钢或低合金钢去替代较贵的高合金钢。

并非总是能够得到全马氏体层 ,根据钢的品种不同 ,硬化层不可避免存在残余奥氏体 (除非使用低温处理) 。 对于含碳量高的钢和铸铁 ,尤其如此。

齿轮感应淬火的另外一个目的是增加齿轮表面压应力。这是很重要的，因为它有助于抑制裂纹的产生，也阻止了拉应力引起的弯曲疲劳性能的下降。这种钢铁的使用 ，使它原先的显微组织和齿轮工况 (包括载荷情况和操作环境) 决定了所需要的表面硬度、芯部硬度、硬度断面、齿轮强度和残余应力分布。

感应加热表面淬火在汽车末端齿轮上的应用

渗碳处理是目前汽车和拖拉机重载齿轮主要的热处理淬火方式。但是，经过这种处理后的零件加工性不高，因为厚度不大的齿冠会产生径向和端面变形。

对齿轮的每个齿进行感应加热后再进行冷却淬火的方式，齿轮的耐磨性不亚于渗碳方式处理过的齿轮。

对于感应加热表面淬火复杂的过程是保证感应器与淬火表面之间的固定间隙。通过的定位控制，以确保感应器与齿轮淬火面的间隙保持在一定的误差范围内。为了使沿齿面轮廓的淬火层达到均匀的厚度，在淬火时待加工表面相对于感应器的移动速度要平稳地由齿顶处的值变化至值。利用运动的感应器从一个齿顶经齿窝到达下一个相邻的齿顶，使工作面很窄小的区域被加热和冷却，这种对齿 面持续不断淬火的方法有重大的工艺优越性。

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