半掛車車軸熱處理工藝優(yōu)化

王曉霞等

【摘 要】依據(jù)淬火水槽負荷能力調(diào)整裝爐量，按照20Mn2材料特性選擇淬火冷卻介質(zhì)及其攪拌方式，通過試驗確定軸體材料的最優(yōu)淬火溫度，用以上措施來優(yōu)化半掛車車軸的淬火冷卻工藝，消除車軸熱處理后端部硬度及金相不合格的現(xiàn)象。

【關(guān)鍵詞】車軸；淬火；冷卻

當前市場上主流的半掛車車軸通過無縫鋼管整體成型然后熱處理（淬火+回火）。由于這種車軸是進行整體熱處理，因此其具有更好的機械性能，但受結(jié)構(gòu)影響，熱處理后整體成型的車軸容易在端部出現(xiàn)硬度及金相不合格現(xiàn)象，導致該部位的疲勞抗性低，在服役過程中過早發(fā)生疲勞斷裂。針對此問題，行業(yè)內(nèi)的各類研究一直在進行，本文介紹了使用井式爐對車軸進行熱處理這種生產(chǎn)方式的優(yōu)化方案。筆者主要通過對淬火溫度、裝爐量、淬火冷卻介質(zhì)的選擇及其攪拌方式等方面進行分析和實驗，為這種被普遍使用的生產(chǎn)方式提供一點經(jīng)驗。

1 問題分析

使用自然對流井式電阻爐對車軸進行熱處理的工藝為：車軸材料為20Mn2，裝爐量為每爐12支車軸，垂直吊掛入爐加熱及出爐冷卻。淬火工藝：淬火溫度880℃，保溫足夠的時間，淬火冷卻介質(zhì)為清水；回火工藝：回火溫度450℃，保溫足夠的時間，回火冷卻介質(zhì)為清水。車軸示意圖見圖1：

按該工藝生產(chǎn)的車軸多次接到市場反饋，尤其在礦區(qū)使用的車軸易發(fā)生軸頭斷裂現(xiàn)象，斷裂位置均在圖1標注的部位1處。在對斷裂部位取樣檢測時發(fā)現(xiàn)，此處硬度大多在180～210HB之間，其抗拉強度約為600～700MPa，而經(jīng)過有限元分析，此處所需要的最低抗拉強度不應(yīng)低于810MPa。

通過觀察此部位金相，發(fā)現(xiàn)其組織中普遍存在粗大網(wǎng)狀鐵素體以及貝氏體等組織，見圖2。根據(jù)金相組織中鐵素體形態(tài)及貝氏體的存在，判斷主要是由淬火冷卻速度不足造成。

同時筆者對現(xiàn)場生產(chǎn)工藝進行了考察。首先對斷裂車軸材料進行了化學成分檢測，結(jié)果顯示其成分均符合國標中20Mn2的要求，確定并非混料錯料。其次檢查熱處理工序生產(chǎn)實際狀況，發(fā)現(xiàn)淬火冷卻采用了壓縮氣體攪拌清水的方式，并且連續(xù)生產(chǎn)時淬火水槽介質(zhì)溫度能升到50℃。

結(jié)合檢驗結(jié)果與發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，對存在問題的方面進行分析：

1）裝爐量與淬火水槽容量之聯(lián)系

因水的冷卻速度受其溫度影響明顯，它的工作溫度不應(yīng)超過40℃。而連續(xù)生產(chǎn)過程中，在循環(huán)冷卻塔持續(xù)降低水溫的情況下，監(jiān)測到淬火水槽內(nèi)水溫由初始的25℃最高時可達50℃，這表明目前的裝爐量與淬火冷卻系統(tǒng)負荷能力不匹配。

筆者對淬火結(jié)束后，理論上淬火水槽水溫能達到的數(shù)值進行了估算，由淬火介質(zhì)需要量公式：V =Q/ρC （t02- t01） ，計算淬火冷卻結(jié)束后介質(zhì)的理論溫度：

從計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實際情況與理論不相符。對此現(xiàn)象，分析是由于以下原因造成：

（1）循環(huán)冷卻塔的能力不足，淬火水槽內(nèi)水溫升高后不能被有效還原。

（2）連續(xù)生產(chǎn)時由于工件上脫落的氧化皮逐漸堆積在淬火水槽底部，減少了水槽實際容量。

2）淬火冷卻介質(zhì)

20Mn2會在冷卻的高溫階段析出先共析鐵素體，其過冷奧氏體最易發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的溫度較高（約為500～600℃之間），馬氏體的開始轉(zhuǎn)變溫度也較高，因此，為了能充分淬硬，所用的淬火介質(zhì)應(yīng)該有較短的蒸汽膜階段，并且其出現(xiàn)最高冷卻速度的溫度應(yīng)該較高。而車軸最初采用水作為淬火冷卻介質(zhì)，其最高冷速出現(xiàn)在100～280℃之間，且水在高溫階段的蒸汽膜時間長，不適合20Mn2的淬火冷卻。

3）冷卻介質(zhì)攪拌方式

原方式為用壓縮空氣攪拌冷卻介質(zhì)，其優(yōu)點是投資小，通過合理配置也可以達到一定的效果，缺點是形成了水和空氣的混合狀態(tài)，易造成工件冷卻不均勻，尤其是車軸容易發(fā)生疲勞斷裂的部位，本就因為截面變化較大而不易淬硬，使用水氣混合的冷卻方式增大了獲得馬氏體的難度。

4）淬火溫度

為確定車軸材料的熱處理溫度，筆者對車軸材料在不同溫度下進行了淬火處理，處理結(jié)果見表1：

（上接第166頁）依據(jù)鋼的淬透性曲線，20Mn2淬火硬度應(yīng)>40HRC，檢驗結(jié)果表明生產(chǎn)現(xiàn)場使用的20Mn2材料其淬火溫度在880℃的時滿足淬火條件，但同時可以看出當淬火溫度在840℃左右時，該材料淬火硬度仍有提高。

若冷卻介質(zhì)冷卻能力固定不變，工件淬火溫度升高則其冷卻速度會相應(yīng)下降，增加了過冷奧氏體提前發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的機率。因此，降低淬火溫度至既符合該材料的淬火條件，又有利于淬火冷卻。

2 優(yōu)化措施

根據(jù)前期分析對生產(chǎn)現(xiàn)場進行調(diào)整并驗證。

1）熱處理每爐處理產(chǎn)品數(shù)量由12支/爐改為10支/爐

由于冷卻系統(tǒng)改造成本高，并且會影響生產(chǎn)線上其余設(shè)備布置，為了令裝爐量與淬火冷卻系統(tǒng)負荷能力相匹配，筆者通過調(diào)整裝爐量來滿足冷卻系統(tǒng)的負荷能力，根據(jù)（式1）推導出更換鹽水為冷卻介質(zhì)后，合理裝爐數(shù)量X為：

2）將淬火冷卻介質(zhì)更換為10%NaCl水溶液

因NaCl水溶液在形成蒸汽膜的同時會析出鹽晶體并爆裂，能有效阻止蒸汽膜的形成，提高蒸汽膜階段冷卻介質(zhì)的冷卻能力，特別是當鹽的質(zhì)量分數(shù)為10%時幾乎沒有蒸汽膜階段。且鹽水最大冷卻速度出現(xiàn)在400～650℃范圍內(nèi)，比較符合20Mn2的淬火冷卻需要，因此采用10%NaCl水溶液替代水作為淬火介質(zhì)。

3）淬火水槽使用螺旋槳攪拌

在各種冷卻介質(zhì)攪拌方式中，螺旋槳攪拌是工藝性能很好的攪拌方式。在相同的裝機容量下，其流量能達到射流攪拌的10倍以上，并且不會形成氣水混合的狀態(tài)，再配以導流筒的使用，冷卻介質(zhì)的流速和液流形態(tài)都能得到很好的控制，因此改用螺旋槳攪拌的方式。

4）將淬火溫度更改為840℃

依據(jù)對20Mn2材料不同淬火溫度下獲得的硬度試驗結(jié)果，將淬火溫度更改為840℃。

經(jīng)過上述對淬火冷卻方面的優(yōu)化后，對淬火+回火后生產(chǎn)出來的車軸進行檢驗，從車軸部位1處取樣進行檢驗，硬度在25～29HRC之間，抗拉強度840～920MPa，金相組織中粗大網(wǎng)狀鐵素體及貝氏體基本消失，獲得了較均勻的回火索氏體組織，見圖3。

并隨機抽取車軸進行“車軸垂直彎曲疲勞壽命試驗”，其疲勞壽命超出JT/T 475-2002 《中華人民共和國交通行業(yè)標準》中的要求的中值壽命≥80萬次，最高疲勞壽命可達160萬次。

3 結(jié)語

本文為半掛車車軸熱處理工藝中使用自然對流井式電阻爐的加工方式提供了一種優(yōu)化方向及經(jīng)驗。

1）裝爐量與冷卻系統(tǒng)的負荷能力需匹配。

2）NaCl水溶液的冷卻特性符合20Mn2材料車軸的淬火冷卻特性，且價格低廉，可以在行業(yè)內(nèi)被推廣使用，但要注意設(shè)備保養(yǎng)以及車軸清洗。

3）淬火冷卻介質(zhì)的攪拌方式對淬火效果影響很大，壓縮空氣攪拌成本低但效果不易控制，螺旋槳攪拌屬于性價比高的方式。

4）車軸淬火溫度選擇下限溫度，有利于其淬火冷卻，可以提升淬火效果。

[責任編輯：曹明明]