鄺力銓 楊貝貝

摘 要：國內(nèi)半掛車車軸通常采用20Mn2材質(zhì)無縫鋼管熱旋軋或者熱擠壓成形。成形后的車軸經(jīng)淬火和回火處理來達(dá)到合理的機(jī)械性能。一般檢驗(yàn)熱處理質(zhì)量的方法為表面硬度檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn)。2020年11月最新版的JT/T 475-2020《掛車車軸》中5.3.2對(duì)軸體的性能進(jìn)行了規(guī)定。而6.4軸體總成垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn)是車軸最接近真實(shí)使用場景的檢驗(yàn)方法。通過增加軸體垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)部分軸體達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求的次數(shù)就已經(jīng)產(chǎn)生斷裂。通過對(duì)斷裂軸體斷口的宏觀檢驗(yàn)、表面硬度檢驗(yàn)、金相分析和力學(xué)性能試驗(yàn)分析，找到問題的根源，進(jìn)而優(yōu)化熱處理工藝，改進(jìn)熱處理工裝，消除軸體垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn)不通過的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：半掛車車軸;垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn);熱處理

中圖分類號(hào)：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 半掛車車軸成形技術(shù)簡述

1.1 熱旋軋成形技術(shù)

半掛車車軸成形技術(shù)屬于鋼管熱縮徑成形技術(shù)領(lǐng)域，目前比較成熟的應(yīng)用比較廣泛的是熱旋軋成形技術(shù)。熱旋軋成形設(shè)備主要由軸管坯旋軋機(jī)箱和輥輪機(jī)箱組成。無縫鋼管根據(jù)工藝要求尺寸下料成為軸管坯。旋軋機(jī)箱設(shè)有軸管坯安裝通道，通道內(nèi)設(shè)有可夾緊軸管坯的夾緊卡爪，而且旋軋機(jī)箱設(shè)有驅(qū)動(dòng)裝置，軸管坯被夾緊后可以旋轉(zhuǎn)。輥輪機(jī)箱設(shè)有4個(gè)輥輪，對(duì)稱分布在軸管坯的圓周方向。輥輪軸向?qū)R，4個(gè)輥輪之間的空間構(gòu)成輥輪型腔。輥輪機(jī)箱在工作臺(tái)上通過軌道由液壓油缸推動(dòng)能前后移動(dòng)。軸管坯端部加熱到軋制溫度后，通過輸送裝置送到旋軋機(jī)箱的軸管坯安裝通道內(nèi)并夾緊，并由旋軋機(jī)箱的驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)軸管坯旋轉(zhuǎn)。 然后液壓油缸推動(dòng)輥輪機(jī)箱向軸管坯移動(dòng)，軸管坯端部進(jìn)入輥輪型腔后帶動(dòng)輥輪旋轉(zhuǎn)。軸管坯端部在輥輪型面作用下發(fā)生縮徑變形，從而得到具有階梯狀的軸頭形狀。軸管坯兩端熱旋軋成形后即為半掛車一體空心車軸毛坯，見下圖1。

1.2 熱擠壓成形技術(shù)

半掛車車軸熱擠壓成形技術(shù)相比熱旋軋成形技術(shù)更為先進(jìn)，生產(chǎn)效率更為高效。但是生產(chǎn)設(shè)備較為復(fù)雜，價(jià)格昂貴，而且熱擠壓成形技術(shù)生產(chǎn)設(shè)備占地面積較熱旋軋成形技術(shù)設(shè)備成倍增加，因此該技術(shù)目前未能推廣開來。熱擠壓成形設(shè)備主要包括兩端液壓機(jī)滑座和中間夾緊裝置。液壓機(jī)滑座后端聯(lián)接有液壓油缸，可以在工作臺(tái)軌道上滑動(dòng)。液壓機(jī)滑座前段安裝有熱擠壓成形模具。軸管坯兩端同時(shí)加熱到軋制溫度后通過輸送裝置送至中間夾緊裝置內(nèi)并夾緊，然后兩端液壓油缸推動(dòng)滑座向中間移動(dòng)。軸管坯兩端通過液壓機(jī)滑座上的成形模具擠壓成形，完成如圖1所示的一體車軸毛坯。

2 熱處理工藝過程

半掛車車軸屬于薄壁殼形零件，該零件中間部分呈矩形狀或者圓筒狀，等壁厚而且長度較長。兩端軸頭部分是形狀相同的變直徑變壁厚圓管段，且長度較短。由于整個(gè)零件具有細(xì)長、中空、外形復(fù)雜以及壁厚不均等特征，因此熱處理的均勻性是是車軸質(zhì)量的關(guān)鍵。使用連續(xù)步進(jìn)爐對(duì)軸體毛坯進(jìn)行熱處理的工藝為：淬火工藝：車軸材質(zhì)為20Mn2，中頻爐快速預(yù)熱，裝入6工位均溫爐850±10oC保溫足夠的時(shí)間，純水冷卻?；鼗鸸に嚕褐蓄l爐快速預(yù)熱，裝入12工位均溫爐510±10oC保溫足夠的時(shí)間，純水冷卻 [1]。

3 半掛車軸體垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn)

3.1 半掛車軸體性能指標(biāo)

2020年11月最新版的JT/T 475-2020《掛車車軸》中5.3.2.3對(duì)軸體總成垂直彎曲疲勞壽命進(jìn)行了規(guī)定：在2.5倍額定軸荷作用下，最低疲勞壽命應(yīng)不少于50×104次，平均疲勞壽命應(yīng)不少于80×104次。

3.2 半掛車軸體垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn)介紹

JT/T 475-2020《掛車車軸》中6.4規(guī)定了軸體垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn)方法[2]。軸頭兩端為支撐點(diǎn)位，懸掛中心位、為受力點(diǎn)位。軸體中心點(diǎn)區(qū)域?yàn)樽畲笞冃螀^(qū)域。隨機(jī)抽樣垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn)斷裂的軸體均在軸體中間區(qū)域斷裂，即在最大變形區(qū)域內(nèi)發(fā)生斷裂，與理論相吻合。

一般情況軸體毛坯熱處理后表面硬度、金相組織、力學(xué)性能均合格即視為合格產(chǎn)品。無損檢測的弊端就是不能反應(yīng)整體的性能而產(chǎn)生偽合格產(chǎn)品。為了更準(zhǔn)確的反應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量，我司對(duì)不同批次軸體毛坯隨機(jī)抽樣進(jìn)行軸體垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn)。結(jié)果是有部分軸體疲勞壽命介于50×104～ 80×104之間，雖然滿足標(biāo)準(zhǔn)中最低疲勞壽命應(yīng)不少于50×104次，但是與疲勞壽命≥80×104次有一定的差距。

4 半掛車軸體垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn)斷裂原因分析和討論

首先宏觀觀察1號(hào)軸體斷裂部位斷口的形貌， 斷裂面與軸體呈垂直狀態(tài)，橫向大部分已斷裂，斷口面為具有光澤的亮面，找不到明顯的塑性變形區(qū)域。從斷口形貌可以看出，裂紋起始于外表面，正是彎曲最大變形部位。初步判斷斷口為脆性斷口，見下圖2所示軸體斷裂形貌[3]。

其次從1號(hào)軸體斷裂口部位沿縱截面取樣作金相分析，試樣在未侵蝕情況下進(jìn)行夾雜物檢驗(yàn)，按GB/T 10561-2005標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，A0，B0.5，C0，D1.0，夾雜物含量較低。試樣經(jīng)4%的硝酸酒精侵蝕后，其外表面金相顯微組織為回火索氏體+鐵素體，為合格組織。而芯部及內(nèi)表面金相顯微組織為回火索氏體+網(wǎng)狀鐵素體+貝氏體，為不合格組織，見圖3。根據(jù)金相組織中存在網(wǎng)狀鐵素體以及貝氏體，判斷主要由淬火冷卻速度不足造成的[4]。

通過對(duì)軸體斷裂部位外表面金相脫碳層的測量得到1號(hào)軸體脫碳層厚度平均為0.3 mm。通過對(duì)垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn)≥80×104次軸體的脫碳層統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)其脫碳層平均厚度均在0.2 mm～0.25 mm之間。也就是說1號(hào)軸體的脫碳層厚度過大導(dǎo)致軸體外表面存在軟點(diǎn)，硬度值低于HRC28，而軟點(diǎn)往往就是裂紋產(chǎn)生的地方。通過對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)工藝的觀察及詢問，判斷主要由中頻爐快速預(yù)熱停留時(shí)間過長導(dǎo)致的。

綜合以上2條原因在所有參與垂直彎曲疲勞試驗(yàn)的軸體中尋找規(guī)律，發(fā)現(xiàn)發(fā)生斷裂的軸體壁厚均較厚，軸頭部分階梯形狀落差大。如圖1所示軸體毛坯內(nèi)孔直徑A與軸體壁厚有直接關(guān)系。軸體壁厚越大，直徑A越小。直徑A越小在淬火時(shí)水流量越小，導(dǎo)致軸體內(nèi)表面及芯部冷卻速度不足，產(chǎn)生網(wǎng)狀的鐵素體和貝氏體等不合格組織。

5 優(yōu)化措施

根據(jù)前期分析對(duì)熱處理工藝及工裝進(jìn)行調(diào)整并驗(yàn)證。

（1）針對(duì)不同軸頭形狀，不同壁厚的軸體，中頻爐快速預(yù)熱停留時(shí)間進(jìn)行細(xì)分，并嚴(yán)格執(zhí)行。取樣作表面硬度、

金相組織及力學(xué)性能試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果均滿足各項(xiàng)參數(shù)要求。

（2）對(duì)于壁厚較大，直徑A較小的軸體，方案1可以將軸體直徑A使用機(jī)加工的方法加大后再進(jìn)行熱處理;方案2將淬火工藝中增加高壓水泵，利用高壓增大水流速度，提高冷卻速度。經(jīng)驗(yàn)證兩種方案均能增加軸體內(nèi)壁的淬透性，提高機(jī)械性能，垂直彎曲疲勞壽命試驗(yàn)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)束語

半掛車車軸成形技術(shù)涉及到熱變形，工藝過程控制至關(guān)重要。而根據(jù)廠區(qū)的地理位置、生產(chǎn)環(huán)境的不同，熱處理工藝又千差萬別。因此需要因地制宜，通過不斷的試驗(yàn)驗(yàn)證來得到適合的熱處理工藝。半掛車車軸作為主要的承載零件，加強(qiáng)熱處理質(zhì)量的控制，對(duì)保證車軸總成質(zhì)量有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理學(xué)會(huì)編.熱處理手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.1（2009.1重?。?/p>

[2]宗成強(qiáng)，高國有，張學(xué)禮，等.JT/T 475-2020，掛車車軸[S].

[3]趙健明，胡翔.20Mn2鋼管調(diào)質(zhì)時(shí)斷裂原因分析[J]. 理化檢驗(yàn)（物理分冊），2007（7）：373-375+378.

[4]李炯輝，林德成.金屬材料金相圖譜[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.6（2015.9重?。?