扭力桿是應(yīng)用在汽車、客車及地鐵車輛上控制平衡的關(guān)鍵部件，能夠有效的減緩車輛運(yùn)行時(shí)車體由于受到軌道不平順和其他外界的激擾而產(chǎn)生的側(cè)滾力，同時(shí)用于保證車體與轉(zhuǎn)向架之間的橫向和垂向之間的連接剛度，提高旅客乘坐的舒適度，并將車輛限制在包絡(luò)線內(nèi)。扭力桿是抗側(cè)滾裝置中的主要受力部件，一般汽車扭力桿熱處理工藝為表面中頻感應(yīng)淬火和回火處理，其表面淬硬層深度≤直徑的25%，而城軌車輛扭力桿屬于長(zhǎng)桿類變徑軸，直徑變化在φ50～φ70mm之間，要求扭力桿整體淬硬，且性能均勻性較好。城軌車輛扭力桿傳統(tǒng)的熱處理工藝一般采用井式電阻爐進(jìn)行整體淬火、回火，熱處理完成后變形量較大（7～15mm），需要反復(fù)校直和去應(yīng)力回火處理，產(chǎn)品生產(chǎn)周期長(zhǎng)，熱處理后精加工困難，造成加工周期較長(zhǎng)，制造成本較高。
為實(shí)現(xiàn)城軌車輛扭力桿的高效生產(chǎn)，本文在傳統(tǒng)的城軌車輛扭力桿調(diào)質(zhì)熱處理工藝和汽車扭力桿的中頻感應(yīng)淬火和回火的變形量控制嚴(yán)格的工藝基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)中頻感應(yīng)淬火參數(shù)的設(shè)計(jì)選擇，進(jìn)行了城軌車輛扭力桿中頻感應(yīng)淬火、回火熱處理試驗(yàn)，滿足了產(chǎn)品性能要求，并減少了變形量和加工量。
1.試驗(yàn)方案
（1）試驗(yàn)材料及技術(shù)要求
本試驗(yàn)采用扭力桿本體作為試件，試件尺寸規(guī)格見(jiàn)圖1，成分滿足表1。試驗(yàn)前試件經(jīng)鍛造后半精加工成型。
試件的化學(xué)成分符合表1。
表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）
C | Si | Mn | Cr | V | Mo |
0.48～0.56 | ≤0.40 | 0.70～1.10 | 0.90～1.20 | 0.10～0.20 | ≤0.30 |
熱處理后，試件力學(xué)性能指標(biāo)符合表2。
表2 力學(xué)性能指標(biāo)
（2）理論依據(jù)和試驗(yàn)方案
根據(jù)感應(yīng)加熱原理，電流頻率越高，感應(yīng)加熱集膚效應(yīng)約明顯，不利于截面穿透加熱，但頻率過(guò)低會(huì)降低電效率。因此，要兩者兼顧，合理選擇。感應(yīng)加熱頻率可根據(jù)下列公式選擇：
式中 f ——電流頻率，Hz；
ρ ——工件熱態(tài)電阻率，Ω·m；
D——工件直徑，m；
μr——相對(duì)磁導(dǎo)率，H/m。
按以上理論依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)扭力桿穿透淬火，選用中頻頻率1～5kHz的電源設(shè)備和立式淬火機(jī)床，采用環(huán)形感應(yīng)器和環(huán)形冷卻器。選擇A、B、C三種感應(yīng)淬火試驗(yàn)方案，具體工藝參數(shù)見(jiàn)表3。感應(yīng)淬火完成后，試件在電阻爐內(nèi)回火。然后，檢測(cè)試件的力學(xué)性能、組織和變形量。
表3 試驗(yàn)方案A、B、C的工藝參數(shù)
試驗(yàn)方案 | 電流頻率/kHz | 加熱功率/kW | 感應(yīng)器移動(dòng)速度/mm·min-1 | 淬火冷卻介質(zhì)壓力/MPa |
A | 3～5 | 20～30 | 90～110 | 0.5～1 |
B | 3～5 | 22～32 | 50~90 | 1～2 |
C | 2～4 | 25～35 | 30~50 | 1～2 |
2.試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析
（1）試驗(yàn)結(jié)果
按試驗(yàn)方案A、B、C淬火、回火后，對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)方案A、B、C熱處理后試件的力學(xué)性能見(jiàn)表4、表5、表6。
表4 試驗(yàn)方案A力學(xué)性能（未回火）
檢測(cè)直徑/mm | 表面硬度HRC | 心部硬度HRC | 變形量/mm |
φ50 | 60 | 56 | 3 |
φ70 | 50 | 30 |
表5 試驗(yàn)方案B力學(xué)性能（回火后）
檢測(cè) 直徑/mm | 抗拉強(qiáng)度/MPa | 屈服強(qiáng)度/MPa | 伸長(zhǎng)率（%） | 斷面收縮率（%） | 沖擊功KU2（5mm）/J | 硬度HRC | 變形量 /mm |
φ50 | 1453 | 1315 | 7.5 | 34 | 13 | 47 | 2mm |
φ70 | 1534 | 1372 | 8.5 | 44 | 10 | 48 |
表6 試驗(yàn)方案C力學(xué)性能（回火后）
檢測(cè) 直徑/mm | 抗拉強(qiáng)度/MPa | 屈服強(qiáng)度/MPa | 伸長(zhǎng)率（%） | 斷面收縮率（%） | 沖擊功KU2（5mm）/J | 硬度HRC | 變形量 /mm |
φ50 | 1612 | 1363 | 8.5 | 36 | 14 | 46 | 3mm |
φ70 | 1603 | 1389 | 8.5 | 33 | 12 | 46 |
試驗(yàn)方案A心部硬度不合格，故只對(duì)試驗(yàn)方案B、C熱處理后試件的進(jìn)行金相組織檢測(cè)，見(jiàn)圖2、圖3。
φ50mm和φ70mm晶粒度均為8級(jí)，φ50mm位置處組織為回火馬氏體+未溶鐵素體，φ70mm位置處組織為回火馬氏體。
φ50mm和φ70mm晶粒度均為8.5級(jí)，組織均為針狀回火托氏體。
（2）數(shù)據(jù)分析
方案A的試驗(yàn)，試件在φ70mm處心部硬度低于標(biāo)準(zhǔn)值，表明在此種加熱條件下心部未能達(dá)到奧氏體化的溫度，淬火時(shí)未達(dá)到淬硬效果，說(shuō)明在大截面位置的加熱時(shí)間不足。
方案B的試驗(yàn)，試件在φ50mm處力學(xué)性能中強(qiáng)度明顯偏低，組織中存在未溶鐵素體相，是由于加熱時(shí)間或加熱溫度不足，導(dǎo)致心部組織不能完全奧氏體化，從而出現(xiàn)了先未溶解的鐵素體相。
方案C的試驗(yàn)，在方案B的試驗(yàn)參數(shù)下，適當(dāng)降低了感應(yīng)電流的頻率和加熱移動(dòng)速度，并增加了加熱功率和淬火介質(zhì)的壓力，試件在φ50mm、φ70mm處力學(xué)性能和組織均滿足了技術(shù)要求，變形量也較小，證明其工藝參數(shù)是可行的。
3.結(jié)語(yǔ)
（1）采用中頻頻率范圍2~4kHz感應(yīng)加熱電源，可以有效實(shí)現(xiàn)城軌車輛扭力桿的穿透淬火。
（2）調(diào)整中頻加熱功率和移動(dòng)速度可以有效解決變截面扭力桿的性能和組織均勻性問(wèn)題，從而獲得低變形量的熱處理產(chǎn)品。
（3）感應(yīng)加熱穿透淬火加回火可替代傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，實(shí)現(xiàn)城軌車輛扭力桿生產(chǎn)效率的大幅度提升。
作者：張旭東
單位：株洲九方熱表技術(shù)有限公司
來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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