半掛車(chē)車(chē)軸熱處理工藝優(yōu)化范文

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當(dāng)前市場(chǎng)上主流的半掛車(chē)車(chē)軸通過(guò)無(wú)縫鋼管整體成型然后熱處理（淬火+回火）。由于這種車(chē)軸是進(jìn)行整體熱處理，因此其具有更好的機(jī)械性能，但受結(jié)構(gòu)影響，熱處理后整體成型的車(chē)軸容易在端部出現(xiàn)硬度及金相不合格現(xiàn)象，導(dǎo)致該部位的疲勞抗性低，在服役過(guò)程中過(guò)早發(fā)生疲勞斷裂。針對(duì)此問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)的各類(lèi)研究一直在進(jìn)行，本文介紹了使用井式爐對(duì)車(chē)軸進(jìn)行熱處理這種生產(chǎn)方式的優(yōu)化方案。筆者主要通過(guò)對(duì)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(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)，為這種被普遍使用的生產(chǎn)方式提供一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。

1問(wèn)題分析

使用自然對(duì)流井式電阻爐對(duì)車(chē)軸進(jìn)行熱處理的工藝為：車(chē)軸材料為20Mn2，裝爐量為每爐12支車(chē)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(shí)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(shí)間，回火冷卻介質(zhì)為清水。車(chē)軸示意圖見(jiàn)圖1：按該工藝生產(chǎn)的車(chē)軸多次接到市場(chǎng)反饋，尤其在礦區(qū)使用的車(chē)軸易發(fā)生軸頭斷裂現(xiàn)象，斷裂位置均在圖1標(biāo)注的部位1處。在對(duì)斷裂部位取樣檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，此處硬度大多在180～210HB之間，其抗拉強(qiáng)度約為600～700MPa，而經(jīng)過(guò)有限元分析，此處所需要的最低抗拉強(qiáng)度不應(yīng)低于810MPa。通過(guò)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(jiàn)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(shí)筆者對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝進(jìn)行了考察。首先對(duì)斷裂車(chē)軸材料進(jìn)行了化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果顯示其成分均符合國(guó)標(biāo)中20Mn2的要求，確定并非混料錯(cuò)料。其次檢查熱處理工序生產(chǎn)實(shí)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(shí)淬火水槽介質(zhì)溫度能升到50℃。結(jié)合檢驗(yàn)結(jié)果與發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，對(duì)存在問(wèn)題的方面進(jìn)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(guò)40℃。而連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，在循環(huán)冷卻塔持續(xù)降低水溫的情況下，監(jiān)測(cè)到淬火水槽內(nèi)水溫由初始的25℃最高時(shí)可達(dá)50℃，這表明目前的裝爐量與淬火冷卻系統(tǒng)負(fù)荷能力不匹配。筆者對(duì)淬火結(jié)束后，理論上淬火水槽水溫能達(dá)到的數(shù)值進(jìn)行了估算，由淬火介質(zhì)需要量公式：V=Q/ρC(t02-t01)，計(jì)算淬火冷卻結(jié)束后介質(zhì)的理論溫度。從計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)際情況與理論不相符。對(duì)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(shí)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(shí)際容量。

2）淬火冷卻介質(zhì)20Mn2會(huì)在冷卻的高溫階段析出先共析鐵素體，其過(guò)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(kāi)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(chē)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(shí)間長(zhǎng)，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(diǎn)是投資小，通過(guò)合理配置也可以達(dá)到一定的效果，缺點(diǎn)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(chē)軸容易發(fā)生疲勞斷裂的部位，本就因?yàn)榻孛孀兓^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(chē)軸材料的熱處理溫度，筆者對(duì)車(chē)軸材料在不同溫度下進(jìn)行了淬火處理，處理結(jié)果見(jiàn)表1：依據(jù)鋼的淬透性曲線，20Mn2淬火硬度應(yīng)＞40HRC，檢驗(yàn)結(jié)果表明生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的20Mn2材料其淬火溫度在880℃的時(shí)滿(mǎn)足淬火條件，但同時(shí)可以看出當(dāng)淬火溫度在840℃左右時(shí)，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(huì)相應(yīng)下降，增加了過(guò)冷奧氏體提前發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變的機(jī)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(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整并驗(yàn)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(huì)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(fù)荷能力相匹配，筆者通過(guò)調(diào)整裝爐量來(lái)滿(mǎn)足冷卻系統(tǒng)的負(fù)荷能力，根據(jù)（式1）推導(dǎo)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(shí)會(huì)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(dāng)鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)幾乎沒(méi)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(jī)容量下，其流量能達(dá)到射流攪拌的10倍以上，并且不會(huì)形成氣水混合的狀態(tài)，再配以導(dǎo)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(duì)20Mn2材料不同淬火溫度下獲得的硬度試驗(yàn)結(jié)果，將淬火溫度更改為840℃。經(jīng)過(guò)上述對(duì)淬火冷卻方面的優(yōu)化后，對(duì)淬火+回火后生產(chǎn)出來(lái)的車(chē)軸進(jìn)行檢驗(yàn)，從車(chē)軸部位1處取樣進(jìn)行檢驗(yàn)，硬度在25～29HRC之間，抗拉強(qiáng)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(jiàn)圖3。并隨機(jī)抽取車(chē)軸進(jìn)行“車(chē)軸垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn)”，其疲勞壽命超出JT/T475-2002《中華人民共和國(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中的要求的中值壽命≥80萬(wàn)次，最高疲勞壽命可達(dá)160萬(wàn)次。

3結(jié)語(yǔ)

本文為半掛車(chē)車(chē)軸熱處理工藝中使用自然對(duì)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(yàn)。1）裝爐量與冷卻系統(tǒng)的負(fù)荷能力需匹配。2）NaCl水溶液的冷卻特性符合20Mn2材料車(chē)軸的淬火冷卻特性，且價(jià)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(chē)軸清洗。3）淬火冷卻介質(zhì)的攪拌方式對(duì)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?xún)r(jià)比高的方式。4）車(chē)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。

作者：王曉霞 王東強(qiáng) 張曉紅 單位：青島農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院