作者：魏佳顺、刘聪敏、黄星、戴冬，戎玲华
中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司
来源：《金属加工（热加工）》杂志
驱动齿轮箱是内燃机车的重要组成部分，承担着动力传输的作用，其服役环境复杂。从动齿圈传递内燃机产生的扭矩，同时承载交变应力，且承受轴系振动产生的动载荷，故其制造过程复杂，工艺要求较高。本文主要研究了某内燃机车齿圈感应工艺的开发。
某型机车从动齿轮淬火要求硬化层深3～5mm（进出口端硬化层深≥1mm即可），硬度55～64HRC。感应淬火过程中，频率和功率是其硬化层深和金相组织的重要影响因素。
感应器的设计必须遵循感应加热的集肤效应、环流效应、邻近效应、狭缝效应和导磁体的“驱流”效应。无导磁体感应器的截面内部交流电流分布，呈等高线分布在感应器周围，此为集肤效应和环流效应，如图1a所示。在通电的线圈附近有导体靠近时，电流在感应器内分布即发生改变，即邻近效应，如图1b所示。此现象带来的后果是，电流最终集中在感应器边界最终形成平衡状态，因为大部分电流会在感应器中向工件表面移动。导磁体介入时，其附近电流将向表层区域转移，这就是所谓的驱流效应及狭缝效应，如图1c所示。当线圈表面集中有大量电流时，其与被感应工件的耦合效果会非常明显，如图1d所示。
图1 感应器设计
根据如上原则，设计了机车从动齿圈感应器，如图2所示。
图2 从动齿圈感应器
根据技术要求，通过理论分析，推导出感应淬火工艺参数，然后通过金相及硬度分析，确定工艺可行性。
D＝500/f1/2 (1)
为保证齿圈满足工艺要求，热处理过程中的热渗透深度D必须大于齿圈淬硬层深度d，即
D ＞d (2)
500/f1/2＞ d (3)
f＜250000/ d2 (4)
由式(4)推导可得感应过程中电源频率的上限值。由上述推导结果可以看出，感应加热渗透深度与电流频率成反比。某些偶发的严重失效现象如断齿，是由齿圈的脆性形变造成的，原因之一有可能是淬穿，因此理论上电流频率也存在一个下限值。理想状态下ΔP＜0.4kW/cm2，此时D与d应满足式（5）：
d ＞0.25D (5)
原因是当工件的淬硬层深度较浅时，感应器功率损耗ΔP 较大，此时要求电源输出功率稳定性较好。
d＞0.25×500/f1/2
d2＞15625/f
f＞15625/d2 (6)
15625/d2＜f＜250000/d2 (7)
根据齿圈技术指标，内齿圈淬硬层深为3～5mm，取中限4mm，由此可推导出电流频率的范围为0.977～15.625kHz，取中限可得理想电流频率为8.301kHz。若电流频率固定，感应淬火时齿圈次表层的加热速率与电源功率成正比。当设定电流频率8～10kHz时，功率密度ρP、淬硬层深度d和时间t的关系见表1。
表1 设定电流频率为8～10kHz时，淬硬层深度、功率密度与时间的关系
在感应淬火过程中，根据上述数值，推算出关系式（8）：
P＝SρP/η0η1 (8)
式中 η0——变压器效率，一般为0.8；
η1——感应器效率，一般为0.8；
ρP——功率密度(kW/cm2)；
S ——感应表面积(cm2)；
P——电源功率(kW)。
根据齿圈技术指标，取有效硬化层深中限3mm。根据图1，可以推算感应淬火的功率密度ρP＝0.56～0.7kW/cm2。过程中测得齿圈感应表面积为48cm2，代入式(8)计算电源功率为P电＝44.25kW。根据上述计算，首先确定了齿圈感应淬火的基本参数，对齿圈进行淬火后，还需对其进行有效硬化层深与金相组织进行分析，以确定工艺可行性。采用显微硬度梯度法测定试样有效硬化层深度与表面硬度，其结果见表2。
表2 感应淬火后齿圈的有效硬化层深度及硬度
齿圈经感应淬火后，其上中下各部位的表面硬度、有效硬化层深均满足技术指标，且接近于理论计算的4mm。除显微硬度梯度检测外，还需结合试样的金相组织来判定感应淬火工艺是否合理。感应淬火后，试样的显微金相组织如图3所示。
图3 试样显微金相组织
从图3可以观察到，经感应淬火后，齿圈表层各部位均已转变为马氏体组织，可以有效提高其疲劳性能，进一步验证了上述工艺参数的合理性。
本文主要探讨了某型机车从动齿圈感应器的设计、感应工艺的理论分析两个方面的问题，最后通过有效硬化层深与金相分析验证了上述工艺的可行性。结合齿圈技术指标，通过理论计算，可以确定齿圈感应淬火的合理工艺参数为：电流频率8.301kHz，电源输出功率44.25kW。采用显微硬度梯度法测定试样的有效硬化层深度和表面硬度，结合金相组织分析，最终确认了理论计算所得参数的可行性。
