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(lǐng)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(chǔ)。
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(shù)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(shù)與之對應關(guān)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(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)品升級的核心技術(shù)。
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(shù)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(lǐng)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(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(shù)。
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(guān)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(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(lǐng)域初步引入了美國 Surface 井式滲碳 爐和德國 IPSEN 多用爐，這些爐型在氮氣+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(guān)技術(shù)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(shù)，并形成了機車牽引 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(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(shù)，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(shù)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(shù)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(shù)。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(shù)日趨成熟，該技術(shù)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(shù)。這是由于雙頻感應淬火技 術(shù)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(shù)。單齒感應淬火工藝是 軌道交通領(lǐng)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(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(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(shù)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(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成為未來軌道交 通一段時間的關(guān)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(shù)和工藝技術(shù)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(shù)、激光淬火技術(shù)和 整體雙頻感應淬火技術(shù)的發(fā)展。需要建立精密的 滲碳淬火技術(shù)，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(shù)和多元復合滲碳 技術(shù)進行相關(guān)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(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，實現(xiàn)了軌道交通領(lǐng)域?qū)?ldquo;高速、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(shù)等方向進行提升。