高速電動列車軸的中頻感應淬火工藝

■ 李小銀，崔軍，李軍，余長海

我公司外協生產的一種高速電動列車軸（以下簡稱車軸），材料為35CrMoA。車軸質量的好壞，直接影響電動列車的速度和行車安全。為了提高車軸的強度和耐磨性，車軸整體調質獲得良好的綜合力學性能后，輪座部位還要求表面淬火，淬火硬度≥500HV1，淬硬層深度（即硬度≥500HV1的深度）為2～5mm，淬火部位及淬硬層深度和形狀如圖1所示。我公司因無高頻感應淬火機床，故采用了中頻感應同時加熱后快速移入噴水圈中噴水冷卻淬火＋臺車式電阻爐回火的工藝方法。存在的主要問題：

（1）現有2m的中頻淬火機床不能直接對2.25m的車軸進行裝夾。

（2）車軸的重量超過中頻感應淬火機床的額定承載量近一倍，裝夾時易引起機床的傾斜，導致車軸淬火時因工件表面與感應器接觸短路產生燒傷而報廢。

（3）車軸輪座部位的表面淬火，淬硬層深度的控制是最大難點。感應淬火的最佳淬硬層深度經驗計算公式：

現有中頻感應淬火機床，因設備技改后，工作頻率只能在2～4kHz范圍內調整，但不能無級調頻，按上面三個公式計算，設備的最佳淬硬層深度為3.87～5.5mm，最小淬硬層深度為1.94～2.74mm，最大淬硬層深度為3.95～7.9mm，而2～5mm的淬硬層深度頻率調整范圍較窄，若控制不好，易超差，但若控制得當，也可有效控制車軸輪座的淬硬層深度。

1. 主要工藝裝備的研制

（1）安裝上頂尖的上尾架加長滑座裝置 根據車軸的結構形狀，要實現車軸輪座部位中頻感應淬火的最小移動距離為1950mm，而我公司的中頻感應淬火機床能實現軸類件淬火的最大長度為2000mm，因此現有淬火機床能實現車軸的中頻感應淬火。但因車軸的全長為2250mm，故又不能用中頻感應淬火機床直接對車軸進行裝夾。

為此，我們根據中頻感應淬火機床的結構，研制了安裝上頂尖的上尾架加長滑座裝置（見圖2），將其安裝在機床滑座上來改變上頂尖的安裝位置，從而增加了工件的夾持長度（加長350mm）。

（2）可調式穩固拉桿裝置和車軸裝夾定位裝置的研制 由于車軸心部為較大直徑的通孔，不能用頂尖直接進行定位裝夾。因此，我們根據車軸的內孔及端面結構，研制了車軸兩端的裝夾定位裝置，實現了車軸的準確裝夾定位。

因車軸的重量超過了現有中頻感應淬火機床的額定承載量，為了保證車軸中頻感應淬火裝夾時不引起淬火機床的傾斜，同時防止車軸淬火時因工件表面與感應器接觸短路產生燒傷而報廢，我們利用中頻感應淬火機床附近的固定物體，研制了可調式穩固拉桿裝置（見圖3）來調節穩固裝夾車軸時易傾斜的淬火機床，使其受力平衡、穩固，不至于傾斜。

（3）感應器 感應器的設計主要考慮：①車軸局部表面淬火，單匝圈式結構感應器加熱會形成不均勻的月牙形淬硬層，感應器高度越小，淬硬層越不均勻；因車軸中頻感應淬火為局部淬火，淬火加熱和冷卻時，加熱區域外的部位會吸收大量的熱量，這會使淬硬層更不均勻；若減小感應器與工件間的間隙，可以縮短加熱時間，減小淬硬層深度，但淬火長度又會變短，也會使淬硬層更不均勻，中間部位的淬硬層深度很容易超深，不易控制，同時因車軸較長，間隙不能取得太小，以免車軸中頻感應淬火時工件表面與感應器接觸短路產生燒傷而報廢。因此，感應器的設計應盡可能使淬硬層均勻。②感應器損耗盡可能小，電效率盡可能高。經多次試驗，成功研制了與YZ125-50/1-8中頻電源匹配合理，操作簡便，淬硬層深度比較均勻，感應器與車軸之間的間隙兩端小、中間大的圈式結構感應器。感應圈斷面如圖4所示。

圖1 車軸示意

圖2 上尾架加長滑座裝置示意

圖3 可調式穩固拉桿裝置示意

圖4 感應圈斷面示意

（4）噴水圈 車軸淬火部位中頻感應同時加熱后快速移入通水的噴水圈中噴水冷卻。為了保證車軸淬火冷卻時輪座部位表面能垂直均勻噴水，確保車軸中頻感應淬火質量，研制了合適的噴水圈，其內徑為（253+1）mm。噴水圈內徑面上鉆有f1.5mm均勻分布、交錯排列的噴水孔，排與排、列與列之間孔距為4mm（見圖5）。

2. 淬火工藝參數的確定

（1）仿形試樣的熱模擬試驗 仿形試樣的化學成分為：wC=0.40%，wCr=0.98%，wMo=0.20Mo%，wMn=0.51%，wSi=0.21%，wP=0.017%，wS=0.01%，wCu=0.17%，wH=0.00019%，wO=0.0025%。

仿形試樣的形狀尺寸與車軸表面淬火部位及兩端第一臺階形狀仿形，總長度為250mm。

對中頻感應淬火，合理確定淬火溫度是獲得理想淬硬層組織和淬火硬度的關鍵。表面淬火的最佳加熱溫度范圍在臨界點以上100～200℃。35CrMoA的臨界點Ac3為799℃，那么，最佳的淬火溫度為899～999℃。車軸中頻感應淬火前為調質狀態，組織細小，淬火溫度取下限，故取淬火溫度為900～920℃。

感應淬火主要靠調整電參數來實現表面加熱，熱參數決定于電參數，而電參數則應根據熱參數進行調整，這樣才能獲得最佳的加熱效果。根據確定的感應器和噴水圈結構，我們對仿形試樣進行了兩組不同電、熱參數加熱的中頻感應淬火工藝試驗，試驗參數見表1。

為了保證感應淬火后表面保留較高的殘余壓應力，回火溫度應比普通淬火件的回火溫度低，一般不超過200℃。對于車軸表面淬火后的回火，采用250kW臺車式電阻爐進行加熱，選回火溫度為150～180℃。研制的車軸回火工藝為：（150～180）℃×4h，空冷。

（2）試驗結果 對中頻感應淬火+回火后的仿形試樣縱斷面線切割試樣進行淬硬層形狀試驗，淬硬層形狀為深度變化平緩的月牙形（見圖6）。

用HV-1000型顯微硬度計對上述淬硬層形狀試驗用試樣進行淬火長度、硬度及淬硬層深度試驗，結果見表2。

試驗結果表明，用第一組和第二組中頻感應淬火工藝試驗參數淬火+回火后的試樣，淬火硬度分別為522～622HV1和515～618HV1，淬火長度分別為18.5mm和16.5mm，淬硬層深度分別為2～6.2mm和2～4.7mm，其中除用第一組中頻感應淬火工藝試驗參數淬火+回火的試樣淬硬層深度2～6.2mm未達到產品設計要求2～5mm外，其余指標全部達到設計要求。

圖5 噴水圈的噴水孔布置的局部展開

表1 中頻淬火工藝試驗參數

表2 仿形試樣縱斷面淬火長度、淬火硬度和淬硬層深度試驗結果

在兩組中頻感應淬火工藝試驗后的仿形試樣上切取金相試樣進行表層和心部的金相組織檢查（見圖7）。表層組織為細針狀馬氏體，按JB/T 9204標準評級，馬氏體級別為5級，具有高的硬度、強度和耐磨性，疲勞性能顯著提高，過渡層為馬氏體+托氏體+未溶鐵素體，心部組織為回火索氏體。從試驗結果看，金相組織合格。這表明：車軸中頻感應淬火所選擇的淬火溫度是合理的。

上述仿形試樣的熱模擬試驗表明，采用第二組中頻感應淬火工藝試驗參數，同時采用臺車式電阻爐進行（150～180）℃×4h空冷的回火工藝方案，所加工的仿形試樣淬火長度、硬度和淬硬層深度和金相組織都達到了設計要求。于是我們決定車軸輪座部位的中頻感應淬火采用第二組中頻感應淬火工藝試驗方案。

3. 效果驗證及車軸質量控制

采用上述熱模擬試驗確定的第二組中頻感應淬火工藝試驗方案，對另一個仿形試樣和5根車軸進行了中頻同時加熱表面淬火試驗及效果驗證，中頻感應淬火過程中，嚴格控制了加熱溫度和加熱時間。仿形試樣和車軸經中頻感應淬火+回火后，對仿形試樣又進行了淬硬層形貌、淬火長度、硬度、淬硬層深度和金相組織的試驗，淬硬層形狀和金相組織的試驗結果分別與圖5和圖6相近，沒有再拍照片，淬火長度為18.5mm、淬硬層深度為2～4.9mm、硬度為502～627HV1，都達到了設計要求，試驗結果見表3；同時用HT—2000里氏硬度計檢測5根車軸的表面硬度為512～627HV1，并根據硬度檢測結果判定淬火長度為16～18mm，都達到了設計要求，檢測結果見表4。

圖7 中頻感應淬火后的表面金相組織

表3 另一仿形試樣縱斷面的淬火硬度及淬硬層深度檢測結果

批量生產的成品車軸，用第二組中頻感應淬火工藝試驗參數進行淬火+回火后，100%用HT—2000里氏硬度計檢測其表面硬度，并根據硬度檢測結果判定淬火長度。檢驗結果統計顯示：車軸輪座部位的表面淬火硬度在500～630HV1，淬火長度在16～18.5mm，都達到了硬度≥500HV1、淬火長度在15～20mm的設計要求。車軸經空載磨合性能試驗，性能良好。從國內高速鐵路上運行5年以上的車軸看，中頻感應淬火的質量穩定可靠。

4. 結語

（1）車軸輪座部位的表面淬火，采用中頻感應同時加熱，然后迅速落入噴水圈中噴水冷卻。經中頻感應淬火的車軸，輪座部位的硬度和淬硬層深度均達到了設計要求。

（2）車軸輪座部位經中頻感應淬火后，其淬硬層形狀為月牙形，中間部位深度易超差，應嚴格控制加熱溫度和加熱時間。

（3）所研制的中頻感應淬火感應器、噴水圈、可調式穩固拉桿裝置、安裝上頂尖的上尾架加長滑座裝置和車軸裝夾定位裝置，設計結構合理，同時增加了工件夾持長度，擴大了中頻感應淬火機床的生產能力。

表4 5根車軸的中頻感應淬火+回火后的質量檢測結果