我国轨道交通齿轮材料及热处理技术的发展现状与趋势

文 超， 庄 军， 金海宁， 乔建勇

（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏 常州 213011）

0 引言

从1958年起，我国铁路工业开始迈上了内燃机车国产化和电力机车“从无到有”的历史进程中[1-2]，到2018年7月1日，16辆长编组“复兴号”动车组首次投入运营，这标志着我国铁路行业获得了长足的进步。正是这60多年来几代铁路人艰苦奋斗，铁路装备实现了在内燃机车、电力机车、高速动车组、城轨地铁和有轨电车等领域多个突破[3-4]，其中“复兴号”动车组标志着我国轨道交通装备实现了质的飞跃，奠定了轨道交通装备参与国际竞争的坚实基础。

齿轮作为齿轮传动系统的能量转换与传递的核心部件[5]，随着轨道交通装备的快速发展，其技术需求也越来越苛刻。以中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司为代表的国内轨道交通齿轮制造商，基本满足目前轨道交通齿轮的发展需求。但是，随着我国轨道交通装备参与国际化竞争，以及400 km/h高速动车组的开发，轨道交通齿轮需要进一步提升高性能，保证高可靠性和超长寿命。即针对齿轮超高周疲劳（疲劳周次达到1010次）、轻量化和使用寿命精确控制等需求，齿轮材料和热处理技术与之对应关系还需要深入研究，如缺乏超高周疲劳对应的冶金质量核心指标要求，缺乏高接触疲劳强度和高弯曲疲劳强度的热处理工艺技术等。

为此，齿轮材料作为保障齿轮性能的基础技术和热处理作为保障齿轮性能的核心技术，都需要进一步提升去满足轨道交通齿轮的技术发展需求。本文概括轨道交通齿轮材料热处理技术发展历程，分析齿轮用钢冶金质量、热处理技术发展现状，指出轨道交通齿轮用钢内在质量提升、面向齿轮性能需求的热处理关键工艺技术是提升我国轨道交通齿轮行业竞争力的关键途径和产品升级的核心技术。

1 轨道交通齿轮性能需求概况

齿轮传动在轨道交通装备的应用主要分为3个类型：动力集中型、动力分散型和非平行传动型。其中，动力集中型主要以DF系列、SS系列、ND系列、HX系列等机车为主，动力分散型主要以CRH系列、CR系列等动车为主，非平行传动型主要以城市低地板车为主。

轨道交通齿轮性能是由其运行工况所决定的。其中，动力集中型齿轮箱以大功率重载牵引为特点，主要技术指标是牵引功率和轴重。动力分散型齿轮箱则以速度高为特点。另外，轨道齿轮传动还需要在大坡度、大温差、广跨度、长时间运行等复杂多变工况条件下工作。综合使用工况特点，轨道交通齿轮主要需求如下：

1）高可靠性。目前，“复兴号”高铁成为了我国轨道交通领域一张靓丽的国家名片，人们对其舒适性、安全性、准时等方面提出了非常高的期望。尤其是安全和准时率已经成为了人们出行的一种生活习惯，这需要齿轮的高可靠性来支撑和保障。

2）超长寿命。随着轨道交通装备环保、节能要求等提出，以及高速动车组运行速度达到350 km/h，齿轮运行周次已经远远超过了5×107次。

3）高承载能力。以电力机车齿轮为例，机车牵引功率从SS1型电力机车的3600 kW提升到了HXD2F的9600 kW，轴重则从SS1型电力机车的22 t提升到了 HXD2F的 30 t。但是，齿轮模数却从12 mm降低至9 mm，这对齿轮提出了严苛的承载能力要求。

2 轨道交通齿轮用钢发展概况

为了满足轨道交通齿轮性能需求，轨道交通齿轮用钢也在不断地进行提升。提升方向主要集中在成分体系和冶金质量。

2.1 成分体系的发展

在20世纪50～70年代，机车牵引齿轮渗碳淬火用钢选择了20CrMnMo、15CrNi6等渗碳合金钢，70～80年代短暂使用过 18CrMnTi、20CrMnTi、30CrMnTi等合金钢；但是，由于18CrMnTi心部强度不够、30CrMnTi机车齿轮心部韧性太差，容易造成机车齿轮的早期失效。随后在1980年代末期开始从CrMnTi成分体系改换成了20CrMnMo、15CrNi6等。其中Cr-Ni系材料大都是当时引进新型机车所带来的一些材料，这类材料Ni含量较高，具有较好的综合力学性能和疲劳性能。如朱芳等[6]研究了12CrNi3、15CrNi6、20CrMnMo钢的齿根弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，12CrNi3和15CrNi6的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度都比20CrMnMo高。另外，马鞍山钢铁股份有限公司与中车戚墅堰机车车辆工艺研究所联合开发的16Cr2Ni2A也具有优越的弯曲疲劳和接触疲劳性能[7]。

2005年，随着第五代电力机车和内燃机车的开发，更高强度的齿轮材料开始使用，如美国的43B17和8822H、德国的17CrNiMo6和18CrNiMo7-6、中国的20Cr2Ni4。这些材料具有优越的综合性能，同时具有较好的疲劳性能。如庄军等[8]研究了17CrNiMo6、20Cr2Ni4、18CrNi8的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，与20CrMnMo相比，前者具有更好的弯曲疲劳强度，达到了ISO标准疲劳极限框图中的上限，同时4种材料的接触疲劳强度均在疲劳极限框图的上限。刘聪敏等[9-10]研究8822H的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，发现8822H具有较高的接触疲劳强度。2014年，为了应对30T及以上轴重的重载机车齿轮材料的开发，中车戚墅堰所开发20CrNi3Mo材料，其比18CrNiMo7-6和20Cr2Ni4具有更加优越的淬透性、渗碳工艺性和疲劳性能等[11]。

感应淬火齿轮用钢的发展也是与感应淬火工艺密切相关的。为了获得沿齿廓的硬化层深度，通常可以采用整体感应淬火和沿齿廓（或沿齿根）感应淬火。

针对整体感应淬火材料的研究主要应用于内燃机车齿轮。1966年，针对铁路行业采用45、40Cr进行整体淬火以生产卫星内燃机车第三辅助传动轴齿轮[12]。1975年，李秀典等系统研究了低淬透性钢55DTi和60DTi。试验证明，采用低淬钢全齿廓感应加热淬火制造的中变速箱从动齿轮，其抗疲劳性能分别超过18CrMnTi钢渗碳淬火齿轮和42CrMo钢逐齿感应加热淬火齿轮的41%和70%[13]。ND5型内燃机车的引进，其牵引齿轮采用的45钢整体感应淬火技术[14]。

针对沿齿廓（或沿齿根）感应淬火材料的研究则主要应用于机车牵引从动齿轮。内燃机车牵引齿轮最初采用的45CrNi，1964年，为节约稀缺元素Ni，开发了42CrMo进行替代该材料。1971年，开发了42MnMoV材料，该材料的淬透性能，以及疲劳、多次冲击等项性能，达到或超过了42CrMo[15-16]。为了进一步提高强度，马鞍山钢铁公司联合中车戚墅堰机车车辆工艺研究所开发了50CrMo材料，该材料具有更加优越的疲劳性能[17]。

我国主要轨道交通齿轮用钢情况见表1，可以看出，渗碳淬火用钢主要包括Cr-Mn-Mo系、Cr-Ni系、Cr-Ni-Mo系等，感应淬火用钢主要包括45CrNi、42CrMo、42MnMoV、50CrMo等。

表1 我国主要的轨道交通齿轮用钢Table 1 Main steels for rail transport gears in China

2.2 冶金质量的发展

轨道交通齿轮的承载能力、疲劳寿命与齿轮用钢的冶金质量有着密切的联系。轨道交通齿轮冶金质量的发展主要表现在以下3个方面：

1）纯净度。

冶炼方式的转变对纯净度有着较大的影响，轨道交通齿轮用钢冶炼方式从转炉+真空脱气炉炼钢，转变成电炉、钢包精炼炉和真空脱气炉炼钢。通过该方法，可以将钢的O含量控制在20×10−6以下。

纯净度的另外一个控制要点，则是控制非金属夹杂物的类型和大小。图1为2种类型非金属夹杂物，是常见的超宽夹杂物，极大地影响轨道交通齿轮使用寿命。为了保证轨道交通齿轮超长寿命的需求，针对不同的使用工况，非金属夹杂物的控制要求是不同的。表2为重载机车齿轮用钢的非金属夹杂物要求，可以看出，其对Ds类有较为严格的要求。表3为350 km/h高速动车组齿轮用钢的非金属夹杂物要求，相对于表2，其在A类、B类细系、Ds类和夹杂物总量上进行加严。

表2 重载机车齿轮用钢的非金属夹杂物含量要求Table 2 Content requirement of non-metallic inclusions of steels for heavy load locomotive gears

表3 350 km/h 高速动车组齿轮用钢的非金属夹杂物含量要求Table 3 Content requirement of non-metallic inclusions in gear steels for 350 km/h high speed EMU

图1 2种典型的非金属夹杂物Fig.1 Two typical kinds of non-metallic inclusions

2）淬透性。

淬透性及其带宽是影响齿轮热处理变形的重要指标。压缩淬透性带宽的范围，可以有效降低渗碳淬火变形的分散度，从而提高齿轮产品的一致性[18]。为了保证轨道交通齿轮产品的质量一致性，通常需要对淬透性有严格的要求。图2为高速动车组齿轮用钢在J20点硬度的Xbar-R控制图。由图可知，高速动车组齿轮材料J20硬度范围为 HRC 35.21～40.38，偏差在 HRC 5，有效地控制了高速动车组齿轮的热处理变形均匀性。当硬度值低于LCL时，意味着热处理变形规律发生变化，需要相应地调整淬火工艺。

图2 高速动车组齿轮用钢J20硬度Xbar-R控制图Fig.2 Xbar-R control chart of J20 hardness of gear steel for high speed EMU

3）均匀一致性。

轨道交通齿轮用钢的均匀一致性的内涵主要包括晶粒度、成分偏析和带状组织。图3为渗碳淬火钢晶粒度的典型形貌，图中显示其晶粒度存在少量的大颗粒晶粒。这种混晶晶粒度将会严重影响齿轮硬化层显微组织均匀性，从而影响轨道交通齿轮的疲劳强度。为此，针对轨道交通齿轮用钢的晶粒度大小和混晶水平也有了更高的要求。

图3 渗碳淬火钢晶粒度的典型形貌Fig.3 Typical morphology of grains of carburized hardened steel

目前，通过钢包精炼炉和真空脱气炉炼钢，可以将轨道交通用钢的同一批次钢的C成分波动控制为±0.01%（质量分数，下同），Mn的波动为±0.05%，Cr的波动为±0.05%，Ni的波动为±0.04%，Mo的波动为±0.01%。同时，化学成分批次波动性是控制轨道交通齿轮用钢批次均匀性的重要指标。图4为高速动车组齿轮用钢C含量Xbar-R控制图。由图可知，实际生产过程中，高速动车组的含碳量波动范围为 0.1568%～0.1882%，从而可以较好地控制高速动车组层深的均匀性。当含碳量超过UCL时，意味着层深有超深的可能，需要调整热处理工艺。

图4 高速动车组齿轮用钢碳含量Xbar-R控制图Fig.4 Xbar-R control chart of carbon content of gear steel for high speed EMU

带状组织也是影响轨道交通齿轮均匀一致性的重要指标。华公平[19]、杨晟[20]等分别针对20CrNi2Mo和8822H材料的带状组织的产生和消除进行相关研究，并认为高温正火可以有效抑制带状组织的产生。

2.3 轨道交通用齿轮钢标准的建立

以高速铁路为代表的轨道交通在我国得到了飞速发展，截止2020年底，我国高速铁路占全世界总里程的一半以上。由于我国没有专门针对轨道交通用齿轮钢的专用标准，这为轨道交通齿轮用钢带来了给采购、生产、交货、复验等环节带来了诸多不便。

因此，由钢铁研究总院、中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司、冶金工业信息标准研究院等单位负责编写的YB/T 4741—2019《轨道交通用齿轮钢》，进一步规范我国轨道交通齿轮用钢质量，提高轨道交通齿轮的质量水平。

3 轨道交通齿轮热处理技术发展概况

3.1 渗碳淬火技术的发展

轨道交通齿轮的渗碳工艺一直以气体渗碳淬火为主，随着气体渗碳技术和设备的发展，气体渗碳工艺的可控程度发生了根本的变化。20世纪60年代，气体渗碳通常在JT-35型井式气体渗碳炉中进行，其以甲醇为稀释剂，煤油为渗碳剂，生成吸热式气氛。碳势的控制采用的是HQG-71A型红外线CO2、CH4气体分析仪进行，但是由于外气体分析仪控制的炉气波动范周较大，存在炉内碳势无法控制、工艺不稳定和渗碳质量不高的缺点。1979年，柴佩英等[21]为了克服炉内碳势无法控制、工艺不稳定和渗碳质量不高的缺点，进行了氧探头的开发和应用。1982，开发出了煤油−空气可控气氛渗碳工艺，该工艺具有操作简便、控制可靠、渗碳速度快和成本低等特点[22]。为了进一步降低渗碳成本和提高可靠性，在20世纪90年代，轨道交通领域初步引入了美国Surface井式渗碳炉和德国IPSEN多用炉，这些炉型在氮气+甲醇为基础上，添加异丙醇或丙烷，生成吸热式气氛。通过可控渗碳工艺的研究，中车戚墅堰所系统研究了马氏体、内氧化、碳化物等渗碳组织的控制技术，并形成TB/T 2254—1991《机车牵引用渗碳硬齿轮金相检验标准》，该标准极大地促进轨道交通齿轮渗碳淬火质量的发展。

2000年以后，合资品牌的密封式多用保护气氛渗碳炉、井式保护气氛渗碳炉等炉型大量使用，图5为井式渗碳炉自动控制系统。这些设备的温度和碳势控制精度和稳定性已经达到了国际先进水平，渗碳过程和工艺参数得到了严格的控制，保证了渗碳层碳浓度分布和金相组织级别满足了相关技术标准要求。应用这些设备，可以针对渗碳工艺参数进行精确控制技术，并形成了机车牵引齿轮的直接淬火工艺技术[23]、深层渗碳工艺技术[24]、盐浴淬火工艺技术[25]等。目前，生产的轨道交通渗碳淬火齿轮零件表面硬度可以稳定地达到HRC 58～64。显微组织则可以控制渗碳层的碳化物、残余奥氏体、马氏体含碳量等，且能稳定地达到了ISO和AGMA标准的MQ级及以上齿轮的技术要求。

图5 井式渗碳炉自动控制系统Fig.5 Automatic control system of well-type carburizing furnace

在满足高性能的基础上，轨道交通齿轮热处理技术还在高温渗碳、热处理畸变控制、等温淬火等方面进行了深入的工艺研究。晁国强等[26]系统研究了重载齿轮热处理畸变控制技术，通过预备热处理工艺优化、去应力退火、渗碳淬火工艺优化控制，实现了高径宽比大型齿轮的渗碳淬火后磨削量不超过0.35 mm。杨明华等[27]研究了18CrNiMo7-6渗碳齿轮180 ℃等温盐浴贝氏体淬火研究，发现渗碳等温淬火单齿弯曲疲劳试验高于普通渗碳油淬齿轮。顾亚桃等[28-29]研究了20Cr2Ni4和18CrNiMo7-6的奥氏体晶粒长大规律，并初步探讨了高温渗碳工艺。

3.2 感应淬火技术的发展

为了获得得全齿廓均匀硬化齿轮，形成了2个技术路线：一是整体感应淬火，另外一个是单齿沿齿廓（齿根）感应淬火。

1）整体感应淬火技术。1956年，铁路行业就开始采用整体感应淬火工艺用于机车牵引从动齿轮的表面硬化。1975，低淬透性钢+整体感应淬火技术日趋成熟，该技术采用2台中频加热电源并联供电，并采用整圈式淬火，获得较好的齿轮，并于1975年装车试用，效果良好，应用在了东风4型内燃机车变速箱齿轮[30]。但是，随着低淬透性钢存在质量不稳定的问题，同时随着机车齿轮直径越来越大，感应电源无法跟上，整体感应淬火在20世纪90年代只有极少的应用。随着模数7 mm以下城轨、地铁机车的发展，需要采用新型的整体双频感应淬火技术[31]。这是由于双频感应淬火技术可以解决中小模数齿轮采用中频感应淬火和高频感应淬火已出现的齿顶过烧和齿根硬化不足的缺点，并且降低了中小模数齿轮对原材料的要求，降低了成本。为此，中车戚墅堰机车车辆工艺研究所研究了整体双频感应淬火齿轮的工艺研究，使用双频感应淬火的齿轮单齿弯曲疲劳寿命和同规格的渗碳齿轮相当，并通过了120万km的台架试验。

2）单齿感应淬火技术。单齿感应淬火工艺是轨道交通领域研究的重点。1972年，南口机车车辆机械工厂系统研究了牵引从动齿轮齿根端部中频埋油淬火，并摸索到了能满足淬硬层要求的合适的感应器和合适的工艺[32]。1984年，为了解决单回路单齿感应器在全齿宽硬化存在不均匀的问题，南车戚墅堰机车车辆工艺研究所提出了采用双回路感应器和端面屏蔽技术，可保证齿轮在二端面也能得到理想的淬硬层形状[33]。

随着数控感应机床的发展，轨道交通行业引进了中频感应数控淬火机床，并应用这些机床进行了中频感应喷淬工艺研究。现可对齿轮进行逐齿扫描中频淬火，达到全齿廓淬硬效果，且淬火过程使用计算机程序控制，探针自动找正；并采用水基淬火介质喷淬工艺，自动化程度高，质量稳定。徐向明等用渐开线仿齿形设计齿轮感应器能够成功淬出了沿齿廓均匀分布且连续、规则的硬化层[34]。另外，感应器制造理念得到了极大的提升，目前感应器制造采用精细化、模块化制作，感应器的的质量也得到了保证[35]。图6为模块化的感应器外形结构图。

图6 模块化的感应器外形结构图Fig.6 Structure diagram of modular sensor

4 轨道交通齿轮材料热处理技术发展趋势

随着轨道交通领域向着“绿色、节能、环保、智能”的技术趋势发展，轨道交通装备在轻量化设计、检修周期延长、绿色制造、全寿命周期管理等方面提出了系列要求。轨道交通齿轮则需要向“高承载能力、超长寿命、轻量化、绿色化”等方向发展，必然会对轨道交通齿轮材料和工艺有着更高的要求。为此，未来轨道交通齿轮材料热处理工艺技术发展趋势应考虑3个结合，即材料工艺和产品设计的结合，高可靠性与少无冗余的结合，少无畸变与表面强化技术的结合。具体表现在以下方面：

1）齿轮用钢方面，围绕齿轮用钢的高纯净度、高均匀性和低成本方面将会成为未来轨道交通一段时间的关注点。为了保证轨道交通齿轮超长寿命，低氧超纯净度齿轮钢将会成为迫切需求。随着连铸装备技术和工艺技术提升，高均匀的连铸坯和连铸连轧材将会应用于轨道交通齿轮，用于提高齿轮产品的一致性和提高齿轮钢的成材率。将齿轮用钢和产品结构设计结合，实现轻量化设计。

2）热处理工艺方面，需要面向轨道交通齿轮高承载能力和轻量化进行突破。热处理工艺应朝着“绿色、精密、智能、创新”的方向进行发展。需要密切跟踪低压渗碳气淬技术、激光淬火技术和整体双频感应淬火技术的发展。需要建立精密的渗碳淬火技术，实现少无畸变的渗碳淬火工艺开发，建立轨道交通齿轮疲劳性能数据库，结合精确的渗碳淬火工艺，达到高可靠性与少无冗余的结合。为了进一步提高轨道交通齿轮的疲劳极限，需要在渗碳激光复合热处理技术和多元复合渗碳技术进行相关研究。

3）热处理装备方面，需要实现渗碳淬火过程的自动化控制。同时，需要获得渗碳淬火生产线运行过程大数据，建立多目标控制的渗碳淬火控制模型，实现渗碳淬火工艺装备的智能化控制。

5 结束语

纵观60多年轨道交通齿轮材料热处理技术的发展历程，经过广大铁路行业技术人员和从业者的艰辛努力，实现了轨道交通领域对“高速、重载”的技术需求。未来，随着轨道交通领域向着“绿色、节能、环保、智能”的技术趋势发展，必然会对轨道交通齿轮材料和工艺有着更高的要求。轨道交通齿轮材料在高纯净度、高均匀性、低成本方面逐渐发展，热处理方面则会朝着强化齿轮疲劳能力、降低热处理畸变、应用热处理智能装备技术等方向进行提升。