半掛車(chē)車(chē)軸熱處理工藝優(yōu)化

半掛車(chē)車(chē)軸熱處理工藝優(yōu)化

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)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(chē)軸簡(jiǎn)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(guò)程中過(guò)早發(fā)生疲憊斷裂。針對(duì)此問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)的各類(lèi)討論始終在進(jìn)展，本文介紹了使用井式爐對(duì)車(chē)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(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)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(wèn)題分析

使用自然對(duì)流井式電阻爐對(duì)車(chē)軸進(jìn)展熱處理的工藝為：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)軸屢次接到市場(chǎng)反應(yīng)，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)覺(jué)，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(guān)看此部位金相，發(fā)覺(jué)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。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(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝進(jìn)展了考察。首先對(duì)斷裂車(chē)軸材料進(jìn)展了化學(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)覺(jué)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(jué)的現(xiàn)象，對(duì)存在問(wèn)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(guò)40℃。而連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，在循環(huán)冷卻塔持續(xù)降低水溫的狀況下，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℃，這說(shuō)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(duì)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(jué)，實(shí)際狀況與理論不相符。對(duì)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(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)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(chē)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(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(chēng)，尤其是車(chē)軸簡(jiǎn)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(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)展了淬火處理，處理結(jié)果見(jiàn)表1：依據(jù)鋼的淬透性曲線(xiàn)，20Mn2淬火硬度應(yīng)＞40HRC，檢驗(yàn)結(jié)果說(shuō)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)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(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

依據(jù)前期分析對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(qián)高，并且會(huì)影響生產(chǎn)線(xiàn)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(guò)調(diào)整裝爐量來(lái)滿(mǎn)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(méi)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(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)展檢驗(yàn)，從車(chē)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(chēng)的回火索氏體組織，見(jiàn)圖3。并隨機(jī)抽取車(chē)軸進(jìn)展“車(chē)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(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中的要求的中值壽命≥80萬(wàn)次，最高疲憊壽命可達(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(chē)軸的淬火