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车轴的感应淬火

40钢车轴表面感应淬火强化工艺研究是我国高速铁路的发展需要,填补国内在这项领域的技术空白轧辊淬火设备。

车轴表面强化工艺的选择对于绝大部分轴类零件齿轮淬火设备,通常采用高频或中频表面淬火来提高其使用寿命。动车轴、机车轴是一种即传递动力而又起支撑作用的心轴,而车辆轴是一种不传递动力而只起支撑作用的心轴,主要承受弯曲或弯曲疲劳负荷。统计表明大多数的各类轴均因疲劳断裂和微动磨蚀磨损而失效。为了避免发生脆性断裂,满足强度与韧性的要求,目前车轴常采用调质或正火工艺,但往往因疲劳与微动磨蚀磨损性能欠佳,而没有达到应有的使用寿命。实践表明轴淬火设备,在调质或正火的基础上再施加表面感应淬火强化处理,可使服役寿命成倍地延长。因此,这是提高车轴使用寿命的一种重要工艺方法。车轴表面强化一般主要分喷涂 +滚压强化和感应淬火强化两种,滚压强化因其强化深度较浅,硬度较低,提高服役寿命有限。中频感应淬火加热适中,适合车轴表面加热深度花键轴淬火设备。日本、法国均采用中频感应淬火强化。表面感应强化对提高车轴的弯曲或扭转疲劳强度、减少对缺口的敏感性和应力集中十分有效。表面感应淬火后,由于心部高的有效韧性和塑性,允许其硬化层有较高的硬度,以保持高的耐磨性、强度和残余压应力,充分发挥材料的潜力。国外对车轴中频感应淬火从过去的局部淬火、分段淬火,发展到现在的表面全长淬火。

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,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,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,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。

曲轴淬火感应淬火设备的技术

曲轴淬火感应器，特别是半环型感应器造价昂贵，因此如何降低造价，提率及增长使用寿命已成为主要的目标。

已研制出固定式（静止式）曲轴淬火感应器，其特点是：加热时工件不转动，节能、，感应器寿命长。

根据生产率和工件构造，有几种设备的技术可以适用以下四种主要操作：

1.周围喷淋 一个的喷淋装置将保护气体带给进行淬火的工件。它可以连接气体或淬火液回路。在使用的时候，必须增加一个围堵装置以缩小需要气体的区域。

2.手套式操作箱 对低产量和半自动生产方式而言，手套式操作箱方案是经济、简单的方案。充气室的简化版早就被证明对于保护大、中、小复合的工件的气体而言都适用。这个箱子的结构可以根据实际需要来订制，通常在加工过程中是密封的，系统像半开口容器系统一样简单，以减少结垢。

3.充气室 该设备的设计是用于大工件的，并需要有完整的全封闭的工作区域。从外部对工件的上下料操作需要一个自动化方案，并且需要适应大部件。为减少旋转工作台转动以及扫描台或其他机械装置产生的气流的干扰，可以为系统额外添加一个局部喷淋器。

汽车半轴局部感应加热感应器的类型

等直径变匝距感应器 当变截面圆柱体毛坯加热时,例如带台阶的变径毛坯,在同一加热时间内,必须保证在各个区段上析出不同的能量,能量也就是单位长度上的功率与直径区段相对应。这一点靠各区段上磁场强度的相应分布便可做到,为此感应器应做成变匝距的。直径的区段上的匝距而磁场强度。为此要确定各个区段上的单位功率, 平均单位功率和平均单位匝数,感应器的分段长度。

以上这种变截面圆柱体毛坯加热,感应器设计为变匝距,优点是感应器可做成等直径,不必仿型。

缺点是感应器设计制作较复杂,对于相对较细的直径来说感应加热的效率偏低。而且设备调试也较复杂。

因此目前在半轴二火补温加热时更多得采用仿型感应器。感应器设计为等匝距。

等匝距仿型感应器 仿型感应器加热的基本原理是根据感应加热的电效率与感应器线圈内径与坯料外径之比有一定的函数关系来考虑的。

1.仿型的矩形感应器形式

矩形感应器又可称为椭圆截面感应器,与这种仿型的矩形感应器配套的机械装置常见的推料方式有3种情况:利用气缸或液压缸移动坯料;链式或板式输送带移动坯料;自动旋转装置移动坯料。

仿型的矩形感应器存在以下问题:由于坯料形状的特殊性,向感应器进料和出料时,坯料在感应器内移动困难等问题。虽然感应器制作工艺较简单,但机械动作较复杂,这种方式较少采用。

2.仿型的U型感应器形式

仿型的U型感应器是坯料端部感应加热又一种常用的加热方法。仿型的U型感应器常见的坯料移动方式,也有3种形式:利用气缸推动坯料;利用链(板)式移动坯料;自动旋转装置移动坯料。

这种仿形的U型感应器的机械动作虽然比较矩形感应器简单一些,但感应器的制作太复杂,人们也较少采用,另外,U型感应器的效率也相对。

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。

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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