王晓霞 王东强 张晓红
（青岛农业大学理学与信息科学学院，山东 青岛 266109）
【摘 要】依据淬火水槽负荷能力调整装炉量，按照20Mn2材料特性选择淬火冷却介质及其搅拌方式，通过试验确定轴体材料的最优淬火温度，用以上措施来优化半挂车车轴的淬火冷却工艺，消除车轴热处理后端部硬度及金相不合格的现象。
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关键词 车轴；淬火；冷却
通讯作者：王晓霞（1981.０6—），女。
当前市场上主流的半挂车车轴通过无缝钢管整体成型然后热处理（淬火+回火）。由于这种车轴是进行整体热处理，因此其具有更好的机械性能，但受结构影响，热处理后整体成型的车轴容易在端部出现硬度及金相不合格现象，导致该部位的疲劳抗性低，在服役过程中过早发生疲劳断裂。针对此问题，行业内的各类研究一直在进行，本文介绍了使用井式炉对车轴进行热处理这种生产方式的优化方案。笔者主要通过对淬火温度、装炉量、淬火冷却介质的选择及其搅拌方式等方面进行分析和实验，为这种被普遍使用的生产方式提供一点经验。
１ 问题分析
使用自然对流井式电阻炉对车轴进行热处理的工艺为：车轴材料为20Mn2，装炉量为每炉12支车轴，垂直吊挂入炉加热及出炉冷却。淬火工艺：淬火温度880℃，保温足够的时间，淬火冷却介质为清水；回火工艺：回火温度450℃，保温足够的时间，回火冷却介质为清水。车轴示意图见图1：
按该工艺生产的车轴多次接到市场反馈，尤其在矿区使用的车轴易发生轴头断裂现象，断裂位置均在图1标注的部位1处。在对断裂部位取样检测时发现，此处硬度大多在180～210HB之间，其抗拉强度约为600～700MPa，而经过有限元分析，此处所需要的最低抗拉强度不应低于810MPa。
通过观察此部位金相，发现其组织中普遍存在粗大网状铁素体以及贝氏体等组织，见图2。根据金相组织中铁素体形态及贝氏体的存在，判断主要是由淬火冷却速度不足造成。
同时笔者对现场生产工艺进行了考察。首先对断裂车轴材料进行了化学成分检测，结果显示其成分均符合国标中20Mn2的要求，确定并非混料错料。其次检查热处理工序生产实际状况，发现淬火冷却采用了压缩气体搅拌清水的方式，并且连续生产时淬火水槽介质温度能升到50℃。
结合检验结果与发现的现象，对存在问题的方面进行分析：
1）装炉量与淬火水槽容量之联系
因水的冷却速度受其温度影响明显，它的工作温度不应超过40℃。而连续生产过程中，在循环冷却塔持续降低水温的情况下，监测到淬火水槽内水温由初始的25℃最高时可达50℃，这表明目前的装炉量与淬火冷却系统负荷能力不匹配。
笔者对淬火结束后，理论上淬火水槽水温能达到的数值进行了估算，由淬火介质需要量公式：V =Q/ρC (t02- t01) ，计算淬火冷却结束后介质的理论温度：
（1）
从计算结果发现，实际情况与理论不相符。对此现象，分析是由于以下原因造成：
（1）循环冷却塔的能力不足，淬火水槽内水温升高后不能被有效还原。
（2）连续生产时由于工件上脱落的氧化皮逐渐堆积在淬火水槽底部，减少了水槽实际容量。
2）淬火冷却介质
20Mn2会在冷却的高温阶段析出先共析铁素体，其过冷奥氏体最易发生珠光体转变的温度较高（约为500～600℃之间），马氏体的开始转变温度也较高，因此，为了能充分淬硬，所用的淬火介质应该有较短的蒸汽膜阶段，并且其出现最高冷却速度的温度应该较高。而车轴最初采用水作为淬火冷却介质，其最高冷速出现在100～280℃之间，且水在高温阶段的蒸汽膜时间长，不适合20Mn2的淬火冷却。
3）冷却介质搅拌方式
原方式为用压缩空气搅拌冷却介质，其优点是投资小，通过合理配置也可以达到一定的效果，缺点是形成了水和空气的混合状态，易造成工件冷却不均匀，尤其是车轴容易发生疲劳断裂的部位，本就因为截面变化较大而不易淬硬，使用水气混合的冷却方式增大了获得马氏体的难度。
4）淬火温度
为确定车轴材料的热处理温度，笔者对车轴材料在不同温度下进行了淬火处理，处理结果见表1：
依据钢的淬透性曲线，20Mn2淬火硬度应＞40HRC，检验结果表明生产现场使用的20Mn2材料其淬火温度在880℃的时满足淬火条件，但同时可以看出当淬火温度在840℃左右时，该材料淬火硬度仍有提高。
若冷却介质冷却能力固定不变，工件淬火温度升高则其冷却速度会相应下降，增加了过冷奥氏体提前发生珠光体转变的机率。因此，降低淬火温度至既符合该材料的淬火条件，又有利于淬火冷却。
２ 优化措施
根据前期分析对生产现场进行调整并验证。
1）热处理每炉处理产品数量由12支/炉改为10支/炉
由于冷却系统改造成本高，并且会影响生产线上其余设备布置，为了令装炉量与淬火冷却系统负荷能力相匹配，笔者通过调整装炉量来满足冷却系统的负荷能力，根据（式1）推导出更换盐水为冷却介质后，合理装炉数量X为：
2）将淬火冷却介质更换为10%NaCl水溶液
因NaCl水溶液在形成蒸汽膜的同时会析出盐晶体并爆裂，能有效阻止蒸汽膜的形成，提高蒸汽膜阶段冷却介质的冷却能力，特别是当盐的质量分数为10%时几乎没有蒸汽膜阶段。且盐水最大冷却速度出现在400～650℃范围内，比较符合20Mn2的淬火冷却需要，因此采用10%NaCl水溶液替代水作为淬火介质。
3）淬火水槽使用螺旋桨搅拌
在各种冷却介质搅拌方式中，螺旋桨搅拌是工艺性能很好的搅拌方式。在相同的装机容量下，其流量能达到射流搅拌的10倍以上，并且不会形成气水混合的状态，再配以导流筒的使用，冷却介质的流速和液流形态都能得到很好的控制，因此改用螺旋桨搅拌的方式。
4）将淬火温度更改为840℃
依据对20Mn2材料不同淬火温度下获得的硬度试验结果，将淬火温度更改为840℃。
经过上述对淬火冷却方面的优化后，对淬火+回火后生产出来的车轴进行检验，从车轴部位1处取样进行检验，硬度在25～29HRC之间，抗拉强度840～920MＰa，金相组织中粗大网状铁素体及贝氏体基本消失，获得了较均匀的回火索氏体组织，见图3。
并随机抽取车轴进行“车轴垂直弯曲疲劳寿命试验”，其疲劳寿命超出JT/T 475-2002 《中华人民共和国交通行业标准》中的要求的中值寿命≥80万次，最高疲劳寿命可达160万次。
３ 结语
本文为半挂车车轴热处理工艺中使用自然对流井式电阻炉的加工方式提供了一种优化方向及经验。
1）装炉量与冷却系统的负荷能力需匹配。
2）NaCl水溶液的冷却特性符合20Mn2材料车轴的淬火冷却特性，且价格低廉，可以在行业内被推广使用，但要注意设备保养以及车轴清洗。
3）淬火冷却介质的搅拌方式对淬火效果影响很大，压缩空气搅拌成本低但效果不易控制，螺旋桨搅拌属于性价比高的方式。
4）车轴淬火温度选择下限温度，有利于其淬火冷却，可以提升淬火效果。
［责任编辑：曹明明］