從 1958 年起，我國鐵路工業(yè)開始邁上了內(nèi)燃 機車國產(chǎn)化和電力機車“從無到有”的歷史進程中，到 2018 年 7 月 1 日，16 輛長編組“復興號” 動車組首次投入運營，這標志著我國鐵路行業(yè)獲得了長足的進步。正是這 60 多年來幾代鐵路人艱苦奮斗，鐵路裝備實現(xiàn)了在內(nèi)燃機車、電力機車、高速動車組、城軌地鐵和有軌電車等領域多個突破 ，其中“復興號”動車組標志著我國軌道交通裝備實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，奠定了軌道交通裝備參與國際競爭的堅實基礎。
齒輪作為齒輪傳動系統(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，其技術需求也越來越苛刻。以中車戚墅堰機車車輛工 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 高速動車組的開發(fā)，軌道交通齒輪需要進一步提升高性能，保證高可靠性和超長壽命。即針對齒輪超高周疲勞(疲勞周次達到 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與之對應關系還需要深入研究，如缺乏超高周疲勞對應的冶金質(zhì)量核心指標要求，缺乏高接觸疲勞強度和高彎曲疲勞強度的熱處理工藝技術等。
為此，齒輪材料作為保障齒輪性能的基礎技術和熱處理作為保障齒輪性能的核心技術，都需要進一步提升去滿足軌道交通齒輪的技術發(fā)展需求。本文概括軌道交通齒輪材料熱處理技術發(fā)展歷程，分析齒輪用鋼冶金質(zhì)量、熱處理技術發(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鍵工藝技術是提升我國軌道交通齒輪行業(yè)競爭力的關鍵途徑和產(chǎn)品升級的核心技術。
1 軌道交通齒輪性能需求概況
齒輪傳動在軌道交通裝備的應用主要分為 3 個類型：動力集中型、動力分散型和非平行傳動型。其中，動力集中型主要以 DF 系列、SS 系列、ND 系列、HX 系列等機車為主，動力分散型主要以 CRH 系列、CR 系列等動車為主，非平行傳動型主要以城市低地板車為主。
軌道交通齒輪性能是由其運行工況所決定的。其中，動力集中型齒輪箱以大功率重載牽引為特點，主要技術指標是牽引功率和軸重。動力分散型齒輪箱則以速度高為特點。另外，軌道齒輪傳動還需要在大坡度、大溫差、廣跨度、長時間運行等復雜多變工況條件下工作。綜合使用工況特點，軌道交通齒輪主要需求如下：
1)高可靠性。目前，“復興號”高鐵成為了我國軌道交通領域一張靚麗的國家名片，人們對其舒適性、安全性、準時等方面提出了非常高的期望。尤其是安全和準時率已經(jīng)成為了人們出行的一種生活習慣，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，以及高速動車組運行速度達到 350 km/h，齒輪運行周次已經(jīng)遠遠超過了 5×107 次。
3)高承載能力。以電力機車齒輪為例，機車牽引功率從 SS1 型電力機車的 3600 kW 提升到了 HXD2F 的 9600 kW，軸重則從 SS1 型電力機車的 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，這對齒輪提出了嚴苛的承載能力要求。
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 50~70 年代，機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 心部強度不夠、30CrMnTi 機車齒輪心部韌性太差，容易造成機車齒輪的早期失效。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 系材料大都是當時引進新型機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度和接觸疲勞強度，12CrNi3 和 15CrNi6 的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度都比 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。
2005 年，隨著第五代電力機車和內(nèi)燃機車的 開發(fā)，更高強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 強度和接觸疲勞強度，與 20CrMnMo 相比，前者具 有更好的彎曲疲勞強度，達到了 ISO 標準疲勞極限框圖中的上限，同時 4 種材料的接觸疲勞強度均在疲勞極限框圖的上限。劉聰敏等研究 8822H 的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度 ，發(fā)現(xiàn) 8822H 具有較高的接觸疲勞強度。2014 年，為了應對 30T 及以上軸重的重載機車齒輪材料的開發(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。
感應淬火齒輪用鋼的發(fā)展也是與感應淬火工藝密切相關的。為了獲得沿齒廓的硬化層深度，通常可以采用整體感應淬火和沿齒廓(或沿齒根) 感應淬火。
針對整體感應淬火材料的研究主要應用于內(nèi)燃機車齒輪。1966 年，針對鐵路行業(yè)采用 45、40Cr 進行整體淬火以生產(chǎn)衛(wèi)星內(nèi)燃機車第三輔助傳動軸齒輪。1975 年，李秀典等系統(tǒng)研究了低淬透性鋼 55DTi 和 60DTi。試驗證明，采用低淬鋼全齒廓感應加熱淬火制造的中變速箱從動齒輪，其抗疲勞性能分別超過 18CrMnTi 鋼滲碳淬火齒輪和 42CrMo 鋼逐齒感應加熱淬火齒輪的 41% 和 70%。ND5 型內(nèi)燃機車的引進，其牽引齒輪采用的 45 鋼整體感應淬火技術。
針對沿齒廓(或沿齒根)感應淬火材料的研究則主要應用于機車牽引從動齒輪。內(nèi)燃機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、多次沖擊等項性能，達到或超過了 42CrMo。為了進一步提高強度，馬鞍山鋼鐵公司聯(lián)合中車戚墅堰機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。
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，感應淬火用鋼主要包括 45CrNi、42CrMo、42MnMoV、50CrMo等。
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 個方面：
1)純凈度。
冶煉方式的轉(zhuǎn)變對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。
純凈度的另外一個控制要點，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 為重載機車齒輪用鋼的非金屬夾雜物要求，可以看出，其對 Ds 類有較為 嚴格的要求。表 3 為 350 km/h 高速動車組齒輪用鋼的非金屬夾雜物要求，相對于表 2，其在 A 類、B 類細系、Ds 類和夾雜物總量上進行加嚴。
表 2 重載機車齒輪用鋼的非金屬夾雜物含量要求
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。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，通常需要對淬透性有嚴格的要求。圖 2 為高 速動車組齒輪用鋼在 J20 點硬度的 Xbar-R 控制圖。由圖可知，高速動車組齒輪材料 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車組齒輪的熱處理變形均勻性。當硬度值低于 LCL 時，意味著熱處理變形規(guī)律發(fā)生變化， 需要相應地調(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嚴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度。為此，針對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 成分波動控制為 ±0.01%( 質(zhì)量分數(shù)，下同 ) ， Mn 的 波 動 為 ±0.05%，Cr 的波動為±0.05%，Ni 的波動為±0.04%，Mo 的波動為±0.01%。同時，化學成分批次波動性 是控制軌道交通齒輪用鋼批次均勻性的重要指標 。圖 4 為高速動車組齒輪用鋼 C 含量 Xbar-R 控制圖。由圖可知，實際生產(chǎn)過程中，高速動車組的含碳量波動范圍為 0.1568%~0.1882%，從而可以較好地控制高速動車組層深的均勻性。當含碳量超過 UCL 時，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。華公平 、楊晟等分別針對 20CrNi2Mo 和 8822H 材料的帶狀組織的產(chǎn)生和消除進行相關研究，并認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準的建立
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軌道交通用齒輪鋼的專用標準，這為軌道交通齒輪 用鋼帶來了給采購、生產(chǎn)、交貨、復驗等環(huán)節(jié)帶來了諸多不便。
因此，由鋼鐵研究總院、中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司、冶金工業(yè)信息標準研究院等單位負責編寫的 YB/T 4741—2019《軌道交通用齒輪鋼》，進一步規(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發(fā)展概況
3.1 滲碳淬火技術的發(fā)展
軌道交通齒輪的滲碳工藝一直以氣體滲碳淬 火為主，隨著氣體滲碳技術和設備的發(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 60 年代，氣體滲碳通常在 JT-35 型井式氣體滲碳 爐中進行，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 氣體分析儀進行，但是由于外氣體分析儀控制的爐氣波動范周較大，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。1979 年，柴佩英等為了克服爐內(nèi)碳勢無法 控制、工藝不穩(wěn)定和滲碳質(zhì)量不高的缺點，進行了氧探頭的開發(fā)和應用。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。為了進一步 降低滲碳成本和提高可靠性，在 20 世紀 90 年代，軌道交通領域初步引入了美國 Surface 井式滲碳 爐和德國 IPSEN 多用爐，這些爐型在氮氣+甲醇為基礎上，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，并形成 TB/T 2254—1991《機車牽引用滲碳硬 齒輪金相檢驗標準》，該標準極大地促進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氣氛滲碳爐、井式保護氣氛滲碳爐等爐型大量使用， 圖 5 為井式滲碳爐自動控制系統(tǒng)。這些設備的溫度和碳勢控制精度和穩(wěn)定性已經(jīng)達到了國際先進水平，滲碳過程和工藝參數(shù)得到了嚴格的控制，保證了滲碳層碳濃度分布和金相組織級別滿足了相關技術標準要求。應用這些設備，可以針對滲碳工藝參數(shù)進行精確控制技術，并形成了機車牽引 齒輪的直接淬火工藝技術 、深層滲碳工藝技術、鹽浴淬火工藝技術等。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)定地達到了 ISO 和 AGMA 標準的 MQ 級及以上齒輪的技術要求。
在滿足高性能的基礎上，軌道交通齒輪熱處 理技術還在高溫滲碳、熱處理畸變控制、等溫淬火等方面進行了深入的工藝研究。晁國強等系統(tǒng)研究了重載齒輪熱處理畸變控制技術，通過預備熱處理工藝優(yōu)化、去應力退火、滲碳淬火工藝優(yōu)化控制，實現(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 的奧氏體晶粒長大規(guī)律，并初步探討了高溫滲碳工藝。
3.2 感應淬火技術的發(fā)展
為了獲得得全齒廓均勻硬化齒輪，形成了 2 個技術路線：一是整體感應淬火，另外一個是單齒沿齒廓(齒根)感應淬火。
1)整體感應淬火技術。1956 年，鐵路行業(yè)就開始采用整體感應淬火工藝用于機車牽引從動齒 輪的表面硬化。1975，低淬透性鋼+整體感應淬火技術日趨成熟，該技術采用 2 臺中頻加熱電源并 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，應用在了東風 4 型內(nèi)燃機車變速箱齒輪。但是，隨著低淬透性鋼存在質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，同時隨著機車齒輪直 徑越來越大，感應電源無法跟上，整體感應淬火在 20 世紀 90 年代只有極少的應用。隨著模數(shù) 7 mm 以下城軌、地鐵機車的發(fā)展，需要采用新型的整體 雙頻感應淬火技術。這是由于雙頻感應淬火技 術可以解決中小模數(shù)齒輪采用中頻感應淬火和高 頻感應淬火已出現(xiàn)的齒頂過燒和齒根硬化不足的缺點，并且降低了中小模數(shù)齒輪對原材料的要求， 降低了成本。為此，中車戚墅堰機車車輛工藝研 究所研究了整體雙頻感應淬火齒輪的工藝研究，使用雙頻感應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，并通過了 120 萬 km 的臺架試驗。
2)單齒感應淬火技術。單齒感應淬火工藝是 軌道交通領域研究的重點。1972 年，南口機車車輛機械工廠系統(tǒng)研究了牽引從動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 適的感應器和合適的工藝。1984 年，為了解決 單回路單齒感應器在全齒寬硬化存在不均勻的問題，南車戚墅堰機車車輛工藝研究所提出了采用 雙回路感應器和端面屏蔽技術，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)控感應機床的發(fā)展，軌道交通行業(yè)引進了中頻感應數(shù)控淬火機床，并應用這些機床進行了中頻感應噴淬工藝研究。現(xiàn)可對齒輪進行逐 齒掃描中頻淬火，達到全齒廓淬硬效果，且淬火過程使用計算機程序控制，探針自動找正;并采用水基淬火介質(zhì)噴淬工藝，自動化程度高，質(zhì)量穩(wěn)定。徐向明等用漸開線仿齒形設計齒輪感應器能夠成 功淬出了沿齒廓均勻分布且連續(xù)、規(guī)則的硬化層。另外，感應器制造理念得到了極大的提升，目前感應器制造采用精細化、模塊化制作，感應器的的質(zhì)量也得到了保證。圖 6 為模塊化的感應器外形結(jié)構(gòu)圖。
4 軌道交通齒輪材料熱處理技術發(fā)展趨勢
隨著軌道交通領域向著“綠色、節(jié)能、環(huán)保、智能”的技術趨勢發(fā)展，軌道交通裝備在輕量化設計、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，必然會對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 工藝技術發(fā)展趨勢應考慮 3 個結(jié)合，即材料工藝和產(chǎn)品設計的結(jié)合，高可靠性與少無冗余的結(jié)合，少無畸變與表面強化技術的結(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成為未來軌道交 通一段時間的關注點。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成為迫切需求。隨著連鑄裝備技術和工藝技術提升，高均勻的連鑄坯和連鑄連軋材將會應用于軌道交通齒輪，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)設計結(jié)合，實現(xiàn) 輕量化設計。
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行突破。熱處理工藝應朝著“綠色、精密、智能、創(chuàng)新”的方向進行發(fā)展。需要密切跟蹤低壓滲碳氣淬技術、激光淬火技術和 整體雙頻感應淬火技術的發(fā)展。需要建立精密的 滲碳淬火技術，實現(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，達到高可靠性與少無冗余的結(jié)合。為了進一步提高軌道交通齒輪的疲勞極限， 需要在滲碳激光復合熱處理技術和多元復合滲碳 技術進行相關研究。
3)熱處理裝備方面，需要實現(xiàn)滲碳淬火過程的自動化控制。同時，需要獲得滲碳淬火生產(chǎn)線 運行過程大數(shù)據(jù)，建立多目標控制的滲碳淬火控制模型，實現(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 的發(fā)展歷程，經(jīng)過廣大鐵路行業(yè)技術人員和從業(yè) 者的艱辛努力，實現(xiàn)了軌道交通領域?qū)?ldquo;高速、重 載”的技術需求。未來，隨著軌道交通領域向著 “綠色、節(jié)能、環(huán)保、智能”的技術趨勢發(fā)展，必然會對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，熱處理方面則會朝著強化齒輪 疲勞能力、降低熱處理畸變、應用熱處理智能裝備技術等方向進行提升。