半掛車車軸熱處理工藝優(yōu)化

半掛車車軸熱處理工藝優(yōu)化

當(dāng)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(jìn)展整體熱處理，因此其具有更好的機(jī)械性能，但受構(gòu)造影響，熱處理后整體成型的車軸簡單在端部消失硬度及金相不合格現(xiàn)象，導(dǎo)致該部位的疲憊抗性低，在服役過程中過早發(fā)生疲憊斷裂。針對此問題，行業(yè)內(nèi)的各類討論始終在進(jìn)展，本文介紹了使用井式爐對車軸進(jìn)展熱處理這種生產(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(jìn)展分析和試驗(yàn)，為這種被普遍使用的生產(chǎn)方式供應(yīng)一點(diǎn)閱歷。

1問題分析

使用自然對流井式電阻爐對車軸進(jìn)展熱處理的工藝為：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(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。車軸示意圖見圖1：按該工藝生產(chǎn)的車軸屢次接到市場反應(yīng)，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(biāo)注的部位1處。在對斷裂部位取樣檢測時(shí)發(fā)覺，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。通過觀看此部位金相，發(fā)覺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。依據(jù)金相組織中鐵素體形態(tài)及貝氏體的存在，推斷主要是由淬火冷卻速度缺乏造成。同時(shí)筆者對現(xiàn)場生產(chǎn)工藝進(jìn)展了考察。首先對斷裂車軸材料進(jìn)展了化學(xué)成分檢測，結(jié)果顯示其成分均符合國標(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)覺淬火冷卻采納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)覺的現(xiàn)象，對存在問題的方面進(jìn)展分析：

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)降低水溫的狀況下，監(jiān)測到淬火水槽內(nèi)水溫由初始的25℃最高時(shí)可達(dá)50℃，這說明目前的裝爐量與淬火冷卻系統(tǒng)負(fù)荷力量不匹配。筆者對淬火完畢后，理論上淬火水槽水溫能到達(dá)的數(shù)值進(jìn)展了估算，由淬火介質(zhì)需要量公式：V=Q/ρC(t02-t01)，計(jì)算淬火冷卻完畢后介質(zhì)的理論溫度。從計(jì)算結(jié)果發(fā)覺，實(shí)際狀況與理論不相符。對此現(xiàn)象，分析是由于以下緣由造成：（1）循環(huán)冷卻塔的力量缺乏，淬火水槽內(nèi)水溫上升后不能被有效復(fù)原。（2）連續(xù)生產(chǎn)時(shí)由于工件上脫落的氧化皮漸漸積累在淬火水槽底部，削減了水槽實(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），馬氏體的開頭轉(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)當(dāng)有較短的蒸汽膜階段，并且其消失最高冷卻速度的溫度應(yīng)當(dāng)較高。而車軸最初采納水作為淬火冷卻介質(zhì)，其最高冷速消失在100～280℃之間，且水在高溫階段的蒸汽膜時(shí)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(diǎn)是投資小，通過合理配置也可以到達(dá)肯定的效果，缺點(diǎn)是形成了水和空氣的混合狀態(tài)，易造成工件冷卻不勻稱，尤其是車軸簡單發(fā)生疲憊斷裂的部位，本就由于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(jìn)展了淬火處理，處理結(jié)果見表1：依據(jù)鋼的淬透性曲線，20Mn2淬火硬度應(yīng)＞40HRC，檢驗(yàn)結(jié)果說明生產(chǎn)現(xiàn)場使用的20Mn2材料其淬火溫度在880℃的時(shí)滿意淬火條件，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)冷卻力量固定不變，工件淬火溫度上升則其冷卻速度會(huì)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(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

依據(jù)前期分析對生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)展調(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)改造本錢高，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)荷力量相匹配，筆者通過調(diào)整裝爐量來滿意冷卻系統(tǒng)的負(fù)荷力量，依據(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，能有效阻擋蒸汽膜的形成，提高蒸汽膜階段冷卻介質(zhì)的冷卻力量，特殊是當(dāng)鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)幾乎沒有蒸汽膜階段。且鹽水最大冷卻速度消失在400～650℃范圍內(nèi)，比擬符合20Mn2的淬火冷卻需要，因此采納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。在一樣的裝機(jī)容量下，其流量能到達(dá)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)都能得到很好的掌握，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(yàn)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(jìn)展檢驗(yàn)，從車軸部位1處取樣進(jìn)展檢驗(yàn)，硬度在25～29HRC之間，抗拉強(qiáng)度840～920MPa，金相組織中粗大網(wǎng)狀鐵素體及貝氏體根本消逝，獲得了較勻稱的回火索氏體組織，見圖3。并隨機(jī)抽取車軸進(jìn)展“車軸垂直彎曲疲憊壽命試驗(yàn)”，其疲憊壽命超出JT/T475-2023《中華人民共和國交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中的要求的中值壽命≥80萬次，最高疲憊壽命可達(dá)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供應(yīng)了一種優(yōu)化方向及閱歷。1）裝爐量與冷卻系統(tǒng)的負(fù)荷力量需匹配。2）NaCl水溶液的冷卻特性符合20Mn2材料車軸的淬火