立足于軌道交通齒輪的技術(shù)發(fā)展，為了進(jìn)一步提升軌道交通齒輪產(chǎn)品性能。本文回顧 60 年來(lái)我國(guó)軌道交通齒輪材料熱處理技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，分析齒輪用鋼成分體系、冶金質(zhì)量以及熱處理控制技術(shù)研究現(xiàn)狀。研究表明：軌道交通齒輪材料及熱處理工藝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)考慮 3 個(gè)結(jié)合，即材料工藝和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)合、高可靠性與質(zhì)量少無(wú)冗余的結(jié)合、少無(wú)畸變與表面強(qiáng)化技術(shù)的結(jié)合;軌道交通齒輪材料在高純凈度、高均勻性、低成本等方向進(jìn)行優(yōu)化，熱處理方面則會(huì)朝著強(qiáng)化齒輪疲勞能力、降低熱處理畸變、應(yīng)用熱處理智能裝備技術(shù)等方向進(jìn)行提升。

　　從 1958 年起，我國(guó)鐵路工業(yè)開(kāi)始邁上了內(nèi)燃機(jī)車(chē)國(guó)產(chǎn)化和電力機(jī)車(chē)“從無(wú)到有”的歷史進(jìn)程中，到 2018 年 7 月 1 日，16 輛長(zhǎng)編組“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車(chē)組首次投入運(yùn)營(yíng)，這標(biāo)志著我國(guó)鐵路行業(yè)獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。正是這 60 多年來(lái)幾代鐵路人艱苦奮斗，鐵路裝備實(shí)現(xiàn)了在內(nèi)燃機(jī)車(chē)、電力機(jī)車(chē)、高速動(dòng)車(chē)組、城軌地鐵和有軌電車(chē)等領(lǐng)域多個(gè)突破，其中“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車(chē)組標(biāo)志著我國(guó)軌道交通裝備實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，奠定了軌道交通裝備參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　齒輪作為齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換與傳遞的核心部件，隨著軌道交通裝備的快速發(fā)展，其技術(shù)需求也越來(lái)越苛刻。以中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司為代表的國(guó)內(nèi)軌道交通齒輪制造商，基本滿足目前軌道交通齒輪的發(fā)展需求。但是，隨著我國(guó)軌道交通裝備參與國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)，以及 400 km/h 高速動(dòng)車(chē)組的開(kāi)發(fā)，軌道交通齒輪需要進(jìn)一步提升高性能，保證高可靠性和超長(zhǎng)壽命。即針對(duì)齒輪超高周疲勞(疲勞周次達(dá)到 1010 次)、輕量化和使用壽命精確控制等需求，齒輪材料和熱處理技術(shù)與之對(duì)應(yīng)關(guān)系還需要深入研究，如缺乏超高周疲勞對(duì)應(yīng)的冶金質(zhì)量核心指標(biāo)要求，缺乏高接觸疲勞強(qiáng)度和高彎曲疲勞強(qiáng)度的熱處理工藝技術(shù)等。

　　為此，齒輪材料作為保障齒輪性能的基礎(chǔ)技術(shù)和熱處理作為保障齒輪性能的核心技術(shù)，都需要進(jìn)一步提升去滿足軌道交通齒輪的技術(shù)發(fā)展需求。本文概括軌道交通齒輪材料熱處理技術(shù)發(fā)展歷程，分析齒輪用鋼冶金質(zhì)量、熱處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，指出軌道交通齒輪用鋼內(nèi)在質(zhì)量提升、面向齒輪性能需求的熱處理關(guān)鍵工藝技術(shù)是提升我國(guó)軌道交通齒輪行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵途徑和產(chǎn)品升級(jí)的核心技術(shù)。

　　一、軌道交通齒輪性能需求概況

　　齒輪傳動(dòng)在軌道交通裝備的應(yīng)用主要分為 3 個(gè)類(lèi)型：動(dòng)力集中型、動(dòng)力分散型和非平行傳動(dòng)型。其中，動(dòng)力集中型主要以 DF 系列、SS 系列、ND 系列、HX 系列等機(jī)車(chē)為主，動(dòng)力分散型主要以 CRH 系列、CR 系列等動(dòng)車(chē)為主，非平行傳動(dòng)型主要以城市低地板車(chē)為主。

　　軌道交通齒輪性能是由其運(yùn)行工況所決定的。其中，動(dòng)力集中型齒輪箱以大功率重載牽引為特點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)是牽引功率和軸重。動(dòng)力分散型齒輪箱則以速度高為特點(diǎn)。另外，軌道齒輪傳動(dòng)還需要在大坡度、大溫差、廣跨度、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行等復(fù)雜多變工況條件下工作。綜合使用工況特點(diǎn)，軌道交通齒輪主要需求如下：

　　1)高可靠性。目前，“復(fù)興號(hào)”高鐵成為了我國(guó)軌道交通領(lǐng)域一張靚麗的國(guó)家名片，人們對(duì)其舒適性、安全性、準(zhǔn)時(shí)等方面提出了非常高的期望。尤其是安全和準(zhǔn)時(shí)率已經(jīng)成為了人們出行的一種生活習(xí)慣，這需要齒輪的高可靠性來(lái)支撐和保障。

　　2)超長(zhǎng)壽命。隨著軌道交通裝備環(huán)保、節(jié)能要求等提出，以及高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度達(dá)到 350 km/h，齒輪運(yùn)行周次已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了 5×10⁷ 次。

　　3)高承載能力。以電力機(jī)車(chē)齒輪為例，機(jī)車(chē)牽引功率從 SS1 型電力機(jī)車(chē)的 3600 kW 提升到了 HXD2F 的 9600 kW，軸重則從 SS1 型電力機(jī)車(chē)的 22 t 提升到了 HXD2F 的 30 t。但是，齒輪模數(shù)卻從 12 mm 降低至 9 mm，這對(duì)齒輪提出了嚴(yán)苛的承載能力要求。

　　二、軌道交通齒輪用鋼發(fā)展概況

　　為了滿足軌道交通齒輪性能需求，軌道交通齒輪用鋼也在不斷地進(jìn)行提升。提升方向主要集中在成分體系和冶金質(zhì)量。

　　成分體系的發(fā)展

　　在 20 世紀(jì) 50~70 年代，機(jī)車(chē)牽引齒輪滲碳淬火用鋼選擇了 20CrMnMo、15CrNi6 等滲碳合金鋼，70~80 年代短暫使用過(guò) 18CrMnTi、20CrMnTi、 30CrMnTi 等合金鋼;但是，由于 18CrMnTi 心部強(qiáng)度不夠、30CrMnTi 機(jī)車(chē)齒輪心部韌性太差，容易造成機(jī)車(chē)齒輪的早期失效。隨后在 1980 年代末期開(kāi)始從 CrMnTi 成分體系改換成了 20CrMnMo、15CrNi6 等。其中 Cr-Ni 系材料大都是當(dāng)時(shí)引進(jìn)新型機(jī)車(chē)所帶來(lái)的一些材料，這類(lèi)材料 Ni 含量較高，具有較好的綜合力學(xué)性能和疲勞性能。如朱芳等研究了 12CrNi3、15CrNi6、 20CrMnMo 鋼的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，12CrNi3 和 15CrNi6 的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度都比 20CrMnMo 高。另外，馬鞍山鋼鐵股份有限公司與中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所聯(lián)合開(kāi)發(fā)的 16Cr2Ni2A 也具有優(yōu)越的彎曲疲勞和接觸疲勞性能。

　　2005 年，隨著第五代電力機(jī)車(chē)和內(nèi)燃機(jī)車(chē)的開(kāi)發(fā)，更高強(qiáng)度的齒輪材料開(kāi)始使用，如美國(guó)的 43B17 和 8822H、德國(guó)的 17CrNiMo6 和 18CrNiMo7 -6、中國(guó)的 20Cr2Ni4。這些材料具有優(yōu)越的綜合性能，同時(shí)具有較好的疲勞性能。如莊軍等研究了 17CrNiMo6、20Cr2Ni4、18CrNi8 的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，與 20CrMnMo 相比，前者具有更好的彎曲疲勞強(qiáng)度，達(dá)到了 ISO 標(biāo)準(zhǔn)疲勞極限框圖中的上限，同時(shí) 4 種材料的接觸疲勞強(qiáng)度均在疲勞極限框圖的上限。劉聰敏等研究 8822H 的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn) 8822H 具有較高的接觸疲勞強(qiáng)度。2014 年，為了應(yīng)對(duì) 30T 及以上軸重的重載機(jī)車(chē)齒輪材料的開(kāi)發(fā)，中車(chē)戚墅堰所開(kāi)發(fā) 20CrNi3Mo 材料，其比 18CrNiMo7-6 和 20Cr2Ni4 具有更加優(yōu)越的淬透性、滲碳工藝性和疲勞性能等。

　　感應(yīng)淬火齒輪用鋼的發(fā)展也是與感應(yīng)淬火工藝密切相關(guān)的。為了獲得沿齒廓的硬化層深度，通?？梢圆捎谜w感應(yīng)淬火和沿齒廓(或沿齒根)感應(yīng)淬火。

　　針對(duì)整體感應(yīng)淬火材料的研究主要應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)車(chē)齒輪。1966 年，針對(duì)鐵路行業(yè)采用 45、40Cr 進(jìn)行整體淬火以生產(chǎn)衛(wèi)星內(nèi)燃機(jī)車(chē)第三輔助傳動(dòng)軸齒輪。1975 年，李秀典等系統(tǒng)研究了低淬透性鋼 55DTi 和 60DTi。試驗(yàn)證明，采用低淬鋼全齒廓感應(yīng)加熱淬火制造的中變速箱從動(dòng)齒輪，其抗疲勞性能分別超過(guò) 18CrMnTi 鋼滲碳淬火齒輪和 42CrMo 鋼逐齒感應(yīng)加熱淬火齒輪的 41% 和 70%。ND5 型內(nèi)燃機(jī)車(chē)的引進(jìn)，其牽引齒輪采用的 45 鋼整體感應(yīng)淬火技術(shù)。

　　針對(duì)沿齒廓(或沿齒根)感應(yīng)淬火材料的研究則主要應(yīng)用于機(jī)車(chē)牽引從動(dòng)齒輪。內(nèi)燃機(jī)車(chē)牽引齒輪最初采用的 45CrNi，1964 年，為節(jié)約稀缺元素 Ni，開(kāi)發(fā)了 42CrMo 進(jìn)行替代該材料。1971 年，開(kāi)發(fā)了 42MnMoV 材料，該材料的淬透性能，以及疲勞、多次沖擊等項(xiàng)性能，達(dá)到或超過(guò)了 42CrMo。為了進(jìn)一步提高強(qiáng)度，馬鞍山鋼鐵公司聯(lián)合中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所開(kāi)發(fā)了 50CrMo 材料，該材料具有更加優(yōu)越的疲勞性能。

　　我國(guó)主要軌道交通齒輪用鋼情況見(jiàn)表 1，可以看出，滲碳淬火用鋼主要包括 Cr-Mn-Mo 系、Cr-Ni 系、Cr-Ni-Mo 系等，感應(yīng)淬火用鋼主要包括 45CrNi、42CrMo、42MnMoV、50CrMo 等。

　　冶金質(zhì)量的發(fā)展

　　軌道交通齒輪的承載能力、疲勞壽命與齒輪用鋼的冶金質(zhì)量有著密切的聯(lián)系。軌道交通齒輪冶金質(zhì)量的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下 3 個(gè)方面：

　　1)純凈度。

　　冶煉方式的轉(zhuǎn)變對(duì)純凈度有著較大的影響，軌道交通齒輪用鋼冶煉方式從轉(zhuǎn)爐+真空脫氣爐煉鋼，轉(zhuǎn)變成電爐、鋼包精煉爐和真空脫氣爐煉鋼。通過(guò)該方法，可以將鋼的 O 含量控制在 20× 10⁻⁶ 以下。

　　純凈度的另外一個(gè)控制要點(diǎn)，則是控制非金屬夾雜物的類(lèi)型和大小。圖 1 為 2 種類(lèi)型非金屬夾雜物，是常見(jiàn)的超寬夾雜物，極大地影響軌道交通齒輪使用壽命。為了保證軌道交通齒輪超長(zhǎng)壽命的需求，針對(duì)不同的使用工況，非金屬夾雜物的控制要求是不同的。表 2 為重載機(jī)車(chē)齒輪用鋼的非金屬夾雜物要求，可以看出，其對(duì) Ds 類(lèi)有較為嚴(yán)格的要求。表 3 為 350 km/h 高速動(dòng)車(chē)組齒輪用 鋼的非金屬夾雜物要求，相對(duì)于表 2，其在 A 類(lèi)、B 類(lèi)細(xì)系、Ds 類(lèi)和夾雜物總量上進(jìn)行加嚴(yán)。

　　2)淬透性。

　　淬透性及其帶寬是影響齒輪熱處理變形的重要指標(biāo)。壓縮淬透性帶寬的范圍，可以有效降低滲碳淬火變形的分散度，從而提高齒輪產(chǎn)品的一致性。為了保證軌道交通齒輪產(chǎn)品的質(zhì)量一致性，通常需要對(duì)淬透性有嚴(yán)格的要求。圖 2 為高速動(dòng)車(chē)組齒輪用鋼在 J20 點(diǎn)硬度的 Xbar-R 控制圖。由圖可知，高速動(dòng)車(chē)組齒輪材料 J20 硬度范圍為 HRC 35.21~40.38，偏差在 HRC 5，有效地控制了高速動(dòng)車(chē)組齒輪的熱處理變形均勻性。當(dāng)硬度值低于 LCL 時(shí)，意味著熱處理變形規(guī)律發(fā)生變化，需要相應(yīng)地調(diào)整淬火工藝。

　　3)均勻一致性。

　　軌道交通齒輪用鋼的均勻一致性的內(nèi)涵主要包括晶粒度、成分偏析和帶狀組織。圖 3 為滲碳淬火鋼晶粒度的典型形貌，圖中顯示其晶粒度存在少量的大顆粒晶粒。這種混晶晶粒度將會(huì)嚴(yán)重影響齒輪硬化層顯微組織均勻性，從而影響軌道交通齒輪的疲勞強(qiáng)度。為此，針對(duì)軌道交通齒輪用鋼的晶粒度大小和混晶水平也有了更高的要求。

　　目前，通過(guò)鋼包精煉爐和真空脫氣爐煉鋼，可以將軌道交通用鋼的同一批次鋼的 C 成分波動(dòng)控制為 ±0.01%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，Mn 的波動(dòng)為 ±0.05%，Cr 的波動(dòng)為±0.05%，Ni 的波動(dòng)為±0.04%，Mo 的波動(dòng)為±0.01%。同時(shí)，化學(xué)成分批次波動(dòng)性是控制軌道交通齒輪用鋼批次均勻性的重要指標(biāo)。圖 4 為高速動(dòng)車(chē)組齒輪用鋼 C 含量 Xbar-R 控制圖。由圖可知，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，高速動(dòng)車(chē)組的含碳量波動(dòng)范圍為 0.1568%~0.1882%，從而可以較好地控制高速動(dòng)車(chē)組層深的均勻性。當(dāng)含碳量超過(guò) UCL 時(shí)，意味著層深有超深的可能，需要調(diào)整熱處理工藝。

　　帶狀組織也是影響軌道交通齒輪均勻一致性的重要指標(biāo)。華公平、楊晟等分別針對(duì) 20CrNi2Mo 和 8822H 材料的帶狀組織的產(chǎn)生和消除進(jìn)行相關(guān)研究，并認(rèn)為高溫正火可以有效抑制帶狀組織的產(chǎn)生。

　　軌道交通用齒輪鋼標(biāo)準(zhǔn)的建立

　　以高速鐵路為代表的軌道交通在我國(guó)得到了飛速發(fā)展，截止 2020 年底，我國(guó)高速鐵路占全世界總里程的一半以上。由于我國(guó)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)軌道交通用齒輪鋼的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)，這為軌道交通齒輪用鋼帶來(lái)了給采購(gòu)、生產(chǎn)、交貨、復(fù)驗(yàn)等環(huán)節(jié)帶來(lái)了諸多不便。

　　因此，由鋼鐵研究總院、中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司、冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院等單位負(fù)責(zé)編寫(xiě)的 YB/T 4741—2019《軌道交通用齒輪鋼》，進(jìn)一步規(guī)范我國(guó)軌道交通齒輪用鋼質(zhì)量，提高軌道交通齒輪的質(zhì)量水平。

　　三、軌道交通齒輪熱處理技術(shù)發(fā)展概況

　　滲碳淬火技術(shù)的發(fā)展

　　軌道交通齒輪的滲碳工藝一直以氣體滲碳淬火為主，隨著氣體滲碳技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，氣體滲碳工藝的可控程度發(fā)生了根本的變化。20 世紀(jì) 60 年代，氣體滲碳通常在 JT-35 型井式氣體滲碳爐中進(jìn)行，其以甲醇為稀釋劑，煤油為滲碳劑，生成吸熱式氣氛。碳勢(shì)的控制采用的是 HQG-71A 型紅外線 CO2、CH4 氣體分析儀進(jìn)行，但是由于外氣體分析儀控制的爐氣波動(dòng)范周較大，存在爐內(nèi)碳勢(shì)無(wú)法控制、工藝不穩(wěn)定和滲碳質(zhì)量不高的缺點(diǎn)。1979 年，柴佩英等為了克服爐內(nèi)碳勢(shì)無(wú)法控制、工藝不穩(wěn)定和滲碳質(zhì)量不高的缺點(diǎn)，進(jìn)行了氧探頭的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。1982，開(kāi)發(fā)出了煤油−空氣可控氣氛滲碳工藝，該工藝具有操作簡(jiǎn)便、控制可靠、滲碳速度快和成本低等特點(diǎn)。為了進(jìn)一步降低滲碳成本和提高可靠性，在 20 世紀(jì) 90 年代，軌道交通領(lǐng)域初步引入了美國(guó) Surface 井式滲碳爐和德國(guó) IPSEN 多用爐，這些爐型在氮?dú)?甲醇為基礎(chǔ)上，添加異丙醇或丙烷，生成吸熱式氣氛。通過(guò)可控滲碳工藝的研究，中車(chē)戚墅堰所系統(tǒng)研究了馬氏體、內(nèi)氧化、碳化物等滲碳組織的控制技術(shù)，并形成 TB/T 2254—1991《機(jī)車(chē)牽引用滲碳硬齒輪金相檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)極大地促進(jìn)軌道交通齒輪滲碳淬火質(zhì)量的發(fā)展。

　　2000 年以后，合資品牌的密封式多用保護(hù)氣氛滲碳爐、井式保護(hù)氣氛滲碳爐等爐型大量使用，圖 5 為井式滲碳爐自動(dòng)控制系統(tǒng)。這些設(shè)備的溫度和碳勢(shì)控制精度和穩(wěn)定性已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，滲碳過(guò)程和工藝參數(shù)得到了嚴(yán)格的控制，保證了滲碳層碳濃度分布和金相組織級(jí)別滿足了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。應(yīng)用這些設(shè)備，可以針對(duì)滲碳工藝參數(shù)進(jìn)行精確控制技術(shù)，并形成了機(jī)車(chē)牽引齒輪的直接淬火工藝技術(shù)、深層滲碳工藝技術(shù)、鹽浴淬火工藝技術(shù)等。目前，生產(chǎn)的軌道交通滲碳淬火齒輪零件表面硬度可以穩(wěn)定地達(dá)到 HRC 58~64。顯微組織則可以控制滲碳層的碳化物、殘余奧氏體、馬氏體含碳量等，且能穩(wěn)定地達(dá)到了 ISO 和 AGMA 標(biāo)準(zhǔn)的 MQ 級(jí)及以上齒輪的技術(shù)要求。

　　在滿足高性能的基礎(chǔ)上，軌道交通齒輪熱處理技術(shù)還在高溫滲碳、熱處理畸變控制、等溫淬火等方面進(jìn)行了深入的工藝研究。晁國(guó)強(qiáng)等系統(tǒng)研究了重載齒輪熱處理畸變控制技術(shù)，通過(guò)預(yù)備熱處理工藝優(yōu)化、去應(yīng)力退火、滲碳淬火工藝優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)了高徑寬比大型齒輪的滲碳淬火后磨削量不超過(guò) 0.35 mm。楊明華等研究了 18CrNiMo7-6 滲碳齒輪 180 ℃ 等溫鹽浴貝氏體淬火研究，發(fā)現(xiàn)滲碳等溫淬火單齒彎曲疲勞試驗(yàn)高于普通滲碳油淬齒輪。顧亞桃等研究了 20Cr2Ni4 和 18CrNiMo7-6 的奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律，并初步探討了高溫滲碳工藝。

　　感應(yīng)淬火技術(shù)的發(fā)展

　　為了獲得得全齒廓均勻硬化齒輪，形成了 2 個(gè)技術(shù)路線：一是整體感應(yīng)淬火，另外一個(gè)是單齒沿齒廓(齒根)感應(yīng)淬火。

　　1)整體感應(yīng)淬火技術(shù)。1956 年，鐵路行業(yè)就開(kāi)始采用整體感應(yīng)淬火工藝用于機(jī)車(chē)牽引從動(dòng)齒輪的表面硬化。1975，低淬透性鋼+整體感應(yīng)淬火技術(shù)日趨成熟，該技術(shù)采用 2 臺(tái)中頻加熱電源并聯(lián)供電，并采用整圈式淬火，獲得較好的齒輪，并于 1975 年裝車(chē)試用，效果良好，應(yīng)用在了東風(fēng) 4 型內(nèi)燃機(jī)車(chē)變速箱齒輪。但是，隨著低淬透性鋼存在質(zhì)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，同時(shí)隨著機(jī)車(chē)齒輪直徑越來(lái)越大，感應(yīng)電源無(wú)法跟上，整體感應(yīng)淬火在 20 世紀(jì) 90 年代只有極少的應(yīng)用。隨著模數(shù) 7 mm 以下城軌、地鐵機(jī)車(chē)的發(fā)展，需要采用新型的整體雙頻感應(yīng)淬火技術(shù)。這是由于雙頻感應(yīng)淬火技術(shù)可以解決中小模數(shù)齒輪采用中頻感應(yīng)淬火和高頻感應(yīng)淬火已出現(xiàn)的齒頂過(guò)燒和齒根硬化不足的缺點(diǎn)，并且降低了中小模數(shù)齒輪對(duì)原材料的要求，降低了成本。為此，中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所研究了整體雙頻感應(yīng)淬火齒輪的工藝研究，使用雙頻感應(yīng)淬火的齒輪單齒彎曲疲勞壽命和同規(guī)格的滲碳齒輪相當(dāng)，并通過(guò)了 120 萬(wàn) km 的臺(tái)架試驗(yàn)。

　　2)單齒感應(yīng)淬火技術(shù)。單齒感應(yīng)淬火工藝是軌道交通領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。1972 年，南口機(jī)車(chē)車(chē)輛機(jī)械工廠系統(tǒng)研究了牽引從動(dòng)齒輪齒根端部中頻埋油淬火，并摸索到了能滿足淬硬層要求的合適的感應(yīng)器和合適的工藝。1984 年，為了解決單回路單齒感應(yīng)器在全齒寬硬化存在不均勻的問(wèn)題，南車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所提出了采用雙回路感應(yīng)器和端面屏蔽技術(shù)，可保證齒輪在二端面也能得到理想的淬硬層形狀。

　　隨著數(shù)控感應(yīng)機(jī)床的發(fā)展，軌道交通行業(yè)引進(jìn)了中頻感應(yīng)數(shù)控淬火機(jī)床，并應(yīng)用這些機(jī)床進(jìn)行了中頻感應(yīng)噴淬工藝研究。現(xiàn)可對(duì)齒輪進(jìn)行逐齒掃描中頻淬火，達(dá)到全齒廓淬硬效果，且淬火過(guò)程使用計(jì)算機(jī)程序控制，探針自動(dòng)找正;并采用水基淬火介質(zhì)噴淬工藝，自動(dòng)化程度高，質(zhì)量穩(wěn)定。徐向明等用漸開(kāi)線仿齒形設(shè)計(jì)齒輪感應(yīng)器能夠成功淬出了沿齒廓均勻分布且連續(xù)、規(guī)則的硬化層。另外，感應(yīng)器制造理念得到了極大的提升，目前感應(yīng)器制造采用精細(xì)化、模塊化制作，感應(yīng)器的的質(zhì)量也得到了保證。圖 6 為模塊化的感應(yīng)器外形結(jié)構(gòu)圖。

　　四、軌道交通齒輪材料熱處理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

　　隨著軌道交通領(lǐng)域向著“綠色、節(jié)能、環(huán)保、智能”的技術(shù)趨勢(shì)發(fā)展，軌道交通裝備在輕量化設(shè)計(jì)、檢修周期延長(zhǎng)、綠色制造、全壽命周期管理等方面提出了系列要求。軌道交通齒輪則需要向“高承載能力、超長(zhǎng)壽命、輕量化、綠色化”等方向發(fā)展，必然會(huì)對(duì)軌道交通齒輪材料和工藝有著更高的要求。為此，未來(lái)軌道交通齒輪材料熱處理工藝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)考慮 3 個(gè)結(jié)合，即材料工藝 和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)合，高可靠性與少無(wú)冗余的結(jié)合，少無(wú)畸變與表面強(qiáng)化技術(shù)的結(jié)合。具體表現(xiàn)在以下方面：

　　1)齒輪用鋼方面，圍繞齒輪用鋼的高純凈度、高均勻性和低成本方面將會(huì)成為未來(lái)軌道交通一段時(shí)間的關(guān)注點(diǎn)。為了保證軌道交通齒輪超長(zhǎng)壽命，低氧超純凈度齒輪鋼將會(huì)成為迫切需求。隨著連鑄裝備技術(shù)和工藝技術(shù)提升，高均勻的連鑄坯和連鑄連軋材將會(huì)應(yīng)用于軌道交通齒輪，用于提高齒輪產(chǎn)品的一致性和提高齒輪鋼的成材率。將齒輪用鋼和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

　　2)熱處理工藝方面，需要面向軌道交通齒輪高承載能力和輕量化進(jìn)行突破。熱處理工藝應(yīng)朝著“綠色、精密、智能、創(chuàng)新”的方向進(jìn)行發(fā)展。需要密切跟蹤低壓滲碳?xì)獯慵夹g(shù)、激光淬火技術(shù)和整體雙頻感應(yīng)淬火技術(shù)的發(fā)展。需要建立精密的滲碳淬火技術(shù)，實(shí)現(xiàn)少無(wú)畸變的滲碳淬火工藝開(kāi)發(fā)，建立軌道交通齒輪疲勞性能數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合精確的滲碳淬火工藝，達(dá)到高可靠性與少無(wú)冗余的結(jié)合。為了進(jìn)一步提高軌道交通齒輪的疲勞極限，需要在滲碳激光復(fù)合熱處理技術(shù)和多元復(fù)合滲碳技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。

　　3)熱處理裝備方面，需要實(shí)現(xiàn)滲碳淬火過(guò)程的自動(dòng)化控制。同時(shí)，需要獲得滲碳淬火生產(chǎn)線運(yùn)行過(guò)程大數(shù)據(jù)，建立多目標(biāo)控制的滲碳淬火控制模型，實(shí)現(xiàn)滲碳淬火工藝裝備的智能化控制。

　　五、結(jié)束語(yǔ)

　　縱觀 60 多年軌道交通齒輪材料熱處理技術(shù)的發(fā)展歷程，經(jīng)過(guò)廣大鐵路行業(yè)技術(shù)人員和從業(yè)者的艱辛努力，實(shí)現(xiàn)了軌道交通領(lǐng)域?qū)?ldquo;高速、重載”的技術(shù)需求。未來(lái)，隨著軌道交通領(lǐng)域向著 “綠色、節(jié)能、環(huán)保、智能”的技術(shù)趨勢(shì)發(fā)展，必然會(huì)對(duì)軌道交通齒輪材料和工藝有著更高的要求。軌道交通齒輪材料在高純凈度、高均勻性、低成本方面逐漸發(fā)展，熱處理方面則會(huì)朝著強(qiáng)化齒輪疲勞能力、降低熱處理畸變、應(yīng)用熱處理智能裝備技術(shù)等方向進(jìn)行提升。

　　參考文獻(xiàn)略.