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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。

车轴表面强化工艺的选择对于绝大部分轴类零件,通常采用高频或中频表面淬火来提高其使用寿命大直径齿轮单齿淬火设备。动车轴、机车轴是一种即传递动力而又起支撑作用的心轴齿轮淬火设备,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,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轴淬火设备。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。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花键轴淬火设备。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。

齿轮双频淬火

1.  齿轮双频淬火机理

齿轮双频淬火的机理是先用较低频率进行齿轮预热，然后在进行高频加热。

2.  双频齿轮淬火法

齿轮双频淬火可由两种方法实现，即同时加热法：一次加热齿轮全部加热表面；扫描加热法：齿轮依次通过中频预热及高频加热感应器。扫描淬火法所需电源功率比同时加热法要小。

双频齿轮感应淬火工艺适用于大批量齿轮生产，能取代渗碳齿轮方式。

齿轮旋转感应淬火技术

齿轮旋转感应淬火可分为两种主要方法：通过硬化和轮廓硬化。种方法 - 主要用于齿轮高磨损 - 齿周边采用低硬化比功率。但是，如果频率太低，则存在温度感应涡流流动，并且温度在齿中滞后。淬火是通过浸没或喷雾，以实现齿和根圆之间均匀的温度。全硬化后的回火用于工件防裂。

轮廓硬化分为单频和双频过程，也实现了奥氏体化在单一加热中，或通过将齿轮预加热至550-750℃  加热之前硬化温度。预热的目的是充分达到在终加热期间在根圆中的高奥氏体化温度，没有过热的齿。短加热时间和高比功率通常需要实现在不规则距离处的硬化轮廓齿面。

双频过程使用单独或同时的频率。使用单独的频率实现类似于情况的硬化曲线硬化。该过程一个接一个地应用两个不同的频率齿轮。齿以低频率被预热至550-750℃的频率应该使得在根圆区域中发生预热。短延迟，使用较高频率和比功率实现奥氏体化。准确的监测系统是必不可少的，因为加热时间是测量的在这个终加热阶段中的十分之几秒或秒。

生产应用及推广

（1）轮毂轴管整体感应淬火的结果分析将整体感应淬火的轮毂轴管样品切样分析，结果淬火区域连续，圆柱面和圆角淬硬层比较均匀。同时在零件的淬火区域内用洛氏硬度计在不同部位上进行硬度检查， 其硬度比较均匀，硬度值为50~55HRC，能满足产品设计的技术要求。用以上的检验结果与分段工艺淬火结果进行对比分析，其硬度和淬硬层深优于多次分段淬火工艺，调试完成的工艺淬火层连续均匀，且采用了自回火技术，提高了产品的质量，降低了生产成本。因此，整体一次感应淬火完全可以替代于分段感应淬火技术；

（2）轮毂轴管整体一次感应淬火的小批量生产试制经过多方论证及试验对比分析，已经按计划分阶段完成了该零件的工艺试验，小批量试制以及大批量的生产，经过使用表明整体一次应淬火代替分段感应淬火这一工艺改进确实可行，零件生产的各项技术指标及经济指标均已达到和满足设计要求，从很大程度上已经显示出整体一次应淬火这一工艺的优越性和先进性.

需要根据感应淬火设计要求针对工艺参数进行选择：

（1）电流频率由感应电流透入深度计算。针对内齿圈数毫米的工艺层深要求，采用中频感应电源进行加热。

（2）感应器与零件间隙由工艺试验确定。

（3）加热功率及扫描速度由工艺试验确定。扫描速度影响生产效率，加热功率影响零件开裂风险。要综合考虑各因素后选择参数。

（4）加热-淬火间隔影响零件开裂风险。通过调节相关机构及扫描速度来控制。