我國軌道交通齒輪材料及熱處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

文 超， 莊 軍， 金海寧， 喬建勇

（中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011）

0 引言

從1958年起，我國鐵路工業(yè)開始邁上了內(nèi)燃機(jī)車國產(chǎn)化和電力機(jī)車“從無到有”的歷史進(jìn)程中[1-2]，到2018年7月1日，16輛長編組“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組首次投入運(yùn)營，這標(biāo)志著我國鐵路行業(yè)獲得了長足的進(jìn)步。正是這60多年來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、電力機(jī)車、高速動(dòng)車組、城軌地鐵和有軌電車等領(lǐng)域多個(gè)突破[3-4]，其中“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組標(biāo)志著我國軌道交通裝備實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，奠定了軌道交通裝備參與國際競爭的堅(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[5]，隨著軌道交通裝備的快速發(fā)展，其技術(shù)需求也越來越苛刻。以中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司為代表的國內(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，隨著我國軌道交通裝備參與國際化競爭，以及400 km/h高速動(dòng)車組的開發(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)是提升我國軌道交通齒輪行業(yè)競爭力的關(guān)鍵途徑和產(chǎn)品升級(jí)的核心技術(shù)。

1 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)車為主，動(dòng)力分散型主要以CRH系列、CR系列等動(dòng)車為主，非平行傳動(dòng)型主要以城市低地板車為主。

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)”高鐵成為了我國軌道交通領(lǐng)域一張靚麗的國家名片，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支撐和保障。

2）超長壽命。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)超過了5×107次。

3）高承載能力。以電力機(jī)車齒輪為例，機(jī)車牽引功率從SS1型電力機(jī)車的3600 kW提升到了HXD2F的9600 kW，軸重則從SS1型電力機(jī)車的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。

2 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。

2.1 成分體系的發(fā)展

在20世紀(jì)50～70年代，機(jī)車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 18CrMnTi、20CrMnTi、30CrMnTi等合金鋼；但是，由于18CrMnTi心部強(qiáng)度不夠、30CrMnTi機(jī)車齒輪心部韌性太差，容易造成機(jī)車齒輪的早期失效。隨后在1980年代末期開始從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)車所帶來的一些材料，這類材料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[6]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戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所聯(lián)合開發(fā)的16Cr2Ni2A也具有優(yōu)越的彎曲疲勞和接觸疲勞性能[7]。

2005年，隨著第五代電力機(jī)車和內(nèi)燃機(jī)車的開發(fā)，更高強(qiáng)度的齒輪材料開始使用，如美國的43B17和8822H、德國的17CrNiMo6和18CrNiMo7-6、中國的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[8]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[9-10]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)車齒輪材料的開發(fā)，中車戚墅堰所開發(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[11]。

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，通常可以采用整體感應(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)車第三輔助傳動(dòng)軸齒輪[12]。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%[13]。ND5型內(nèi)燃機(jī)車的引進(jìn)，其牽引齒輪采用的45鋼整體感應(yīng)淬火技術(shù)[14]。

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)車牽引從動(dòng)齒輪。內(nèi)燃機(jī)車牽引齒輪最初采用的45CrNi，1964年，為節(jié)約稀缺元素Ni，開發(fā)了42CrMo進(jìn)行替代該材料。1971年，開發(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)到或超過了42CrMo[15-16]。為了進(jìn)一步提高強(qiáng)度，馬鞍山鋼鐵公司聯(lián)合中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所開發(fā)了50CrMo材料，該材料具有更加優(yōu)越的疲勞性能[17]。

我國主要軌道交通齒輪用鋼情況見表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。

表1 我國主要的軌道交通齒輪用鋼Table 1 Main steels for rail transport gears in China

2.2 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型和大小。圖1為2種類型非金屬夾雜物，是常見的超寬夾雜物，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)車齒輪用鋼的非金屬夾雜物要求，可以看出，其對(duì)Ds類有較為嚴(yán)格的要求。表3為350 km/h高速動(dòng)車組齒輪用鋼的非金屬夾雜物要求，相對(duì)于表2，其在A類、B類細(xì)系、Ds類和夾雜物總量上進(jìn)行加嚴(yán)。

表2 重載機(jī)車齒輪用鋼的非金屬夾雜物含量要求Table 2 Content requirement of non-metallic inclusions of steels for heavy load locomotive gears

表3 350 km/h 高速動(dòng)車組齒輪用鋼的非金屬夾雜物含量要求Table 3 Content requirement of non-metallic inclusions in gear steels for 350 km/h high speed EMU

圖1 2種典型的非金屬夾雜物Fig.1 Two typical kinds of non-metallic inclusions

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[18]。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。

圖2 高速動(dòng)車組齒輪用鋼J20硬度Xbar-R控制圖Fig.2 Xbar-R control chart of J20 hardness of gear steel for high speed EMU

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。

圖3 滲碳淬火鋼晶粒度的典型形貌Fig.3 Typical morphology of grains of carburized hardened steel

目前，通過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)車組齒輪用鋼C含量Xbar-R控制圖。由圖可知，實(shí)際生產(chǎn)過程中，高速動(dòng)車組的含碳量波動(dòng)范圍為 0.1568%～0.1882%，從而可以較好地控制高速動(dòng)車組層深的均勻性。當(dāng)含碳量超過UCL時(shí)，意味著層深有超深的可能，需要調(diào)整熱處理工藝。

圖4 高速動(dòng)車組齒輪用鋼碳含量Xbar-R控制圖Fig.4 Xbar-R control chart of carbon content of gear steel for high speed EMU

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[19]、楊晟[20]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。

2.3 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得到了飛速發(fā)展，截止2020年底，我國高速鐵路占全世界總里程的一半以上。由于我國沒有專門針對(duì)軌道交通用齒輪鋼的專用標(biāo)準(zhǔn)，這為軌道交通齒輪用鋼帶來了給采購、生產(chǎn)、交貨、復(fù)驗(yàn)等環(huán)節(jié)帶來了諸多不便。

因此，由鋼鐵研究總院、中車戚墅堰機(jī)車車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)編寫的YB/T 4741—2019《軌道交通用齒輪鋼》，進(jìn)一步規(guī)范我國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。

3 軌道交通齒輪熱處理技術(shù)發(fā)展概況

3.1 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)碳勢無法控制、工藝不穩(wěn)定和滲碳質(zhì)量不高的缺點(diǎn)。1979年，柴佩英等[21]為了克服爐內(nèi)碳勢無法控制、工藝不穩(wěn)定和滲碳質(zhì)量不高的缺點(diǎn)，進(jìn)行了氧探頭的開發(fā)和應(yīng)用。1982，開發(fā)出了煤油?空氣可控氣氛滲碳工藝，該工藝具有操作簡便、控制可靠、滲碳速度快和成本低等特點(diǎn)[22]。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Surface井式滲碳爐和德國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。通過可控滲碳工藝的研究，中車戚墅堰所系統(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)備的溫度和碳勢控制精度和穩(wěn)定性已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，滲碳過程和工藝參數(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)車牽引齒輪的直接淬火工藝技術(shù)[23]、深層滲碳工藝技術(shù)[24]、鹽浴淬火工藝技術(shù)[25]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。

圖5 井式滲碳爐自動(dòng)控制系統(tǒng)Fig.5 Automatic control system of well-type carburizing furnace

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。晁國強(qiáng)等[26]系統(tǒng)研究了重載齒輪熱處理畸變控制技術(shù)，通過預(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0.35 mm。楊明華等[27]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[28-29]研究了20Cr2Ni4和18CrNiMo7-6的奧氏體晶粒長大規(guī)律，并初步探討了高溫滲碳工藝。

3.2 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)就開始采用整體感應(yīng)淬火工藝用于機(jī)車牽引從動(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年裝車試用，效果良好，應(yīng)用在了東風(fēng)4型內(nèi)燃機(jī)車變速箱齒輪[30]。但是，隨著低淬透性鋼存在質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，同時(shí)隨著機(jī)車齒輪直徑越來越大，感應(yīng)電源無法跟上，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)車的發(fā)展，需要采用新型的整體雙頻感應(yīng)淬火技術(shù)[31]。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，中車戚墅堰機(jī)車車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)，并通過了120萬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)車車輛機(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[32]。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題，南車戚墅堰機(jī)車車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[33]。

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?，F(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[34]。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[35]。圖6為模塊化的感應(yīng)器外形結(jié)構(gòu)圖。

圖6 模塊化的感應(yīng)器外形結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of modular sensor

4 軌道交通齒輪材料熱處理技術(shù)發(fā)展趨勢

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)趨勢發(fā)展，軌道交通裝備在輕量化設(shè)計(jì)、檢修周期延長、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，未來軌道交通齒輪材料熱處理工藝技術(shù)發(fā)展趨勢應(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，高可靠性與少無冗余的結(jié)合，少無畸變與表面強(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)少無畸變的滲碳淬火工藝開發(fā)，建立軌道交通齒輪疲勞性能數(shù)據(jù)庫，結(jié)合精確的滲碳淬火工藝，達(dá)到高可靠性與少無冗余的結(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。

5 結(jié)束語

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)Α案咚?、重載”的技術(shù)需求。未來，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。