淺議車軸鍛造質(zhì)量控制

◎張世宏

一、前言

鐵路貨運因其大運量，高效率，安全，環(huán)保等優(yōu)點正在發(fā)展為我國貨物運輸?shù)闹饕姆绞剑S著經(jīng)濟(jì)形勢和國際貿(mào)易的不斷發(fā)展變化，未來一段時間，鐵路貨運裝備的制造仍將呈現(xiàn)快速發(fā)展的勢頭。與此同時，鐵路裝備的質(zhì)量監(jiān)管將得到更多重視。車軸作為車輛行走部件中的重要部件，完全承擔(dān)著車輛的載重和自重，在運行過程中承受強(qiáng)大的沖擊力，因此，車軸的質(zhì)量好壞，直接影響著車輛的安全，不得不引起我們重視。

二、車軸鍛造工藝的現(xiàn)狀

目前，我國常用的車軸鍛造工藝包括自由鍛工藝和徑向鍛造工藝。徑向鍛造是一種多錘頭，高效率，高精度的鍛造工藝，近幾年在我國部分廠家得到一定的嘗試，積累了一些經(jīng)驗。相對于徑向鍛造使用的精鍛機(jī)，自由鍛使用的快鍛機(jī)設(shè)備具有較大的鍛造壓力，因此具有較好的鍛透效果。從當(dāng)前的應(yīng)用規(guī)模看，車軸鍛造工藝目前仍以自由鍛為主。本論文將結(jié)合車軸自由鍛生產(chǎn)的經(jīng)驗和理論，探討在鍛造過程中影響車軸質(zhì)量的一些因素及改善思路。

三、鍛造工藝要求

根據(jù)車間班組劃分，與鍛造緊密相關(guān)的坯料加熱工序和車軸校直工序，與鍛造工序統(tǒng)一設(shè)定為一個鍛造班組。三個工序的作業(yè)要求如下：

1.軸坯加熱工序。保溫段爐溫設(shè)置1180℃，爐內(nèi)溫度不超過1200oC，保溫段保溫時間不低于2小時。對因突發(fā)事故造成需停產(chǎn)超過三小時以上時，要將加熱爐溫度先降至1000℃以下，正常后按規(guī)定重新升溫，保溫二小時后方可以生產(chǎn)。

2.車軸鍛造工序。用型砧樣板檢查型砧尺寸，用內(nèi)卡鉗測量型砧閉合高度，設(shè)定相應(yīng)道次尺寸，確保安裝正確。調(diào)整操作機(jī)鉗口，保持與型砧同心。鍛造時需用冷風(fēng)管將氧化皮吹離型砧。現(xiàn)場操作工隨時關(guān)注型砧和操作機(jī)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)型砧錯位和操作機(jī)鉗口中心偏移應(yīng)立即糾正。

鍛造過程：鍛打時先輕倒棱，以確保軸坯倒棱時單邊壓下量不超過30mm。①倒棱：主機(jī)緊貼操作機(jī)鉗口一端開始，以90°旋轉(zhuǎn)來回倒棱，進(jìn)給量以100～150mm為限。②輪座：倒棱后，再從操作機(jī)鉗口一端開始，進(jìn)給量以50～100mm為限，旋轉(zhuǎn)角度不大于60°，換輪座道次滾圓一遍。③軸頸：輪座滾完后，先換軸身道次，根據(jù)軸頸長度確定下壓位置，進(jìn)給量以50～100mm為限，旋轉(zhuǎn)角度不大于60°滾圓；再換軸頸道次，進(jìn)給量以50～100mm為限，旋轉(zhuǎn)角度不大于60°滾圓。④調(diào)頭：按上述1-3步驟加工另一側(cè)。⑤軸身：先換軸身道次，依據(jù)輪座尺寸確定軸身起點，進(jìn)給量以50～100mm為限，旋轉(zhuǎn)角度不大于60°滾圓。

鍛造操作過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制始終鍛溫度。每隔10根進(jìn)行自檢并用遠(yuǎn)紅外測溫儀測溫一次記錄。鋼坯始鍛溫度應(yīng)≥1000℃,終鍛溫度≥800℃。

3.車軸校直工序。在不低于510℃熱態(tài)下校直，依次夾緊軸身，輪座，軸頸，每次翻轉(zhuǎn)車軸180度左右，校直完后在冷卻料臺上平鋪，不允許直接堆垛冷卻。

四、鍛造生產(chǎn)過程中影響車軸質(zhì)量的因素

1.軸坯加熱過程中可能影響車軸質(zhì)量的因素。鍛前的加熱可以提高金屬的塑性，降低變形抗力，并獲得良好的鍛后組織和力學(xué)性能，鍛前的加熱質(zhì)量直接影響到車軸的產(chǎn)量，能耗以及快鍛機(jī)壽命。一般來說，對于已經(jīng)成熟的生產(chǎn)線，爐氣成分和鋼材成分已經(jīng)屬于固定因素，因此，從操作的角度來看，軸坯加熱工序中影響質(zhì)量的主要因素為加熱溫度及時間。

采用不同的加熱方法時鋼的一次燒損率

（1）氧化：在200～500℃時，鋼料表面僅能生成一層氧化膜；600～700℃時，便開始有顯著氧化，并生成氧化皮；從850～900℃開始，氧化速度迅速升高；超過1300℃時，表面氧化皮融化，擴(kuò)散阻力減小，氧化速度大大增加。

（2）脫碳：溫度超過1000℃后，脫碳速度超過氧化速度，鋼料表面形成脫碳層。氧化皮在一定程度上可阻止脫碳層的加深，故控制加熱溫度可減小脫碳層的厚度。

（3）過熱：超過過熱溫度，會引起奧氏體晶粒迅速長大，產(chǎn)生過熱缺陷。過熱將引起材料的塑性，沖擊韌度，疲勞性能，斷裂韌性及抗應(yīng)力腐蝕能力下降。通常鋼中的C,Mn,S,P等元素會增加鋼的過熱傾向。

鋼的過熱溫度

對于沒有相變的鋼，如果在加熱中發(fā)生了過熱，熱處理能將其消除。對于具有相變重結(jié)晶的鋼，過熱可以分為穩(wěn)定過熱與不穩(wěn)定過熱兩種情況。不穩(wěn)定過熱是單純的高溫奧氏體晶粒粗大，一般用熱處理方法可以消除。穩(wěn)定過熱是除了高溫奧氏體晶粒粗大之外，還發(fā)生了促使過熱組織穩(wěn)定化的情況，例如沿奧氏體晶界或?qū)\晶界大量析出第二相（包括雜質(zhì)元素化合物，如硫化物、碳化物、氮化物）的質(zhì)點或薄膜等，這種過熱用一般的熱處理方法不容易改善或不能消除。

（4）過燒：當(dāng)坯料的加熱溫度高于過熱溫度，并長時間加熱時，不但奧氏體晶粒粗大，還有氧化性氣體滲入晶界，這種缺陷即為過燒。由于氧化性氣體滲入到晶界，還會使晶間物質(zhì)Fe,C,S發(fā)生氧化，形成了易熔共晶氧化物，甚至晶界產(chǎn)生局部熔化，使晶粒間結(jié)合完全破壞。過燒是加熱的致命缺陷，最后坯料只能報廢。

（5）裂紋：加熱過程中的裂紋，按其產(chǎn)生原因不同分為兩種：內(nèi)應(yīng)力和過燒。坯料的內(nèi)應(yīng)力有：溫度應(yīng)力，組織應(yīng)力和殘余應(yīng)力。一般來講，坯料加熱過程中，由內(nèi)應(yīng)力引起的裂紋主要是溫度應(yīng)力造成的，且裂紋發(fā)生于加熱的低溫階段，裂紋產(chǎn)生的部位在坯料心部。

車軸鍛造加熱過程中產(chǎn)生的裂紋

總之，在加熱過程中一定要保證溫度在工藝要求范圍內(nèi)。同時要求采用分段加熱，在低溫加熱階段降低裝爐溫度，裝爐后要保溫，使得加熱速度均勻，以防產(chǎn)生加熱裂紋，并且盡可能快速加熱，縮短鋼在高溫區(qū)域停留的時間。

2.車軸鍛造過程中可能影響質(zhì)量的因素。車軸鍛造一般采用自由鍛工序中的拔長工序。使坯料橫截面減小而長度增加的鍛造工序即為拔長。通過拔長過程，坯料各個部分都能得到充分的變形，使得拔長后的鍛件內(nèi)部組織比較均勻，有效提高了鍛件的質(zhì)量。但是，由于拔長是通過逐次送進(jìn)和反復(fù)轉(zhuǎn)動坯料進(jìn)行壓縮變形，所以它是鍛造生產(chǎn)中耗工時最多的一種鍛造工序。因此，提高拔長效率的探索和拔長質(zhì)量的研究是拔長工序中同樣重要的兩個方面。若采用型砧拔長，金屬的橫向流動受到限制，迫使金屬主要沿著軸向流動，與平砧相比拔長效率可提高20～40%。除了對型砧的設(shè)計改進(jìn)之外，在壓下量，送進(jìn)量，旋轉(zhuǎn)角度等工藝參數(shù)中進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，也是提高效率的一個思路。以下關(guān)于車軸的型砧拔長工序中，暫且只談影響車軸質(zhì)量的一些因素。

（1）送進(jìn)量。

當(dāng) lo/ho〈0.5時（lo/ho為砧寬比），如圖 a)所示，拔長變形區(qū)出現(xiàn)雙鼓形。變形集中在上下表面層，鍛件中心部分非但不能鍛透，還出現(xiàn)軸向拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生內(nèi)部橫向裂紋。送進(jìn)量如小于單邊壓下量，還會在表面形成橫向折疊。

當(dāng)lo/ho〉1時，如圖b)所示，拔長變形區(qū)出現(xiàn)單鼓形，這時心部變形很大，能夠鍛透，但在鼓形側(cè)面和角部受拉應(yīng)力。容易引起橫向裂紋和角裂。若在同一位置反復(fù)轉(zhuǎn)動重?fù)簦捎诮饘傺貙堑膭×业南鄬α鲃樱瑫沟盟苄缘偷腻懠a(chǎn)生十字裂紋。

考慮送進(jìn)量對拔長效率和鍛件質(zhì)量的影響，相對送進(jìn)量lo/ho=0.5～0.8較為合適，絕對送進(jìn)量常取lo=（0.4～0.8）B，其中B為砧寬。在生產(chǎn)中，相對送進(jìn)量lo/ho≥0.5的拔長成為寬砧鍛造，反之為窄砧鍛造。為了提高拔長的效率，通常采用窄砧鍛造，若鍛件要求充分鍛透時，則應(yīng)采用寬砧鍛造。

（2）壓下量。增大壓下量可以提高生產(chǎn)效率，強(qiáng)化心部變形，有利于鍛合內(nèi)部缺陷，因此，只要鋼的塑性允許，盡量采取大的壓下量拔長。為了不使鍛件產(chǎn)生折疊，單邊壓下量Δh/2應(yīng)小于送進(jìn)量lo；同時還要控制壓下量不能過大，使得軸坯不被壓太扁，翻轉(zhuǎn)90°后拔長時失穩(wěn)產(chǎn)生彎曲，形成表面縱向裂紋，如下圖所示，每次壓下后的坯料寬度和高度之比（b/h）應(yīng)小于2.5～3.0。

縱向裂紋產(chǎn)生原理圖

車軸拔長過程中的縱向裂紋

（3）型砧的影響。一般在型砧內(nèi)拔長比平砧拔長效率要高20%～40%。當(dāng)采用圓弧型砧和V型砧時，由于型砧弧段包角ɑ不同，其對拔長效率，變形程度，金屬塑性和表面質(zhì)量的影響不同，常用的型砧形狀及使用情況如下圖所示：

為了使軸的臺階平緩過度，即分段拔長時進(jìn)行壓肩或壓痕，需要對型砧內(nèi)凹邊緣進(jìn)行角度修整，使壓痕或壓肩面平齊，防止產(chǎn)生夾層現(xiàn)象。

鍛造過程中需保持型砧與鉗口的中心位置在一條水平直線上對齊，及時進(jìn)行調(diào)整，避免車軸軸徑或輪座偏心。

軸頸偏心導(dǎo)致后續(xù)機(jī)加工質(zhì)量問題

（4）拔長方式的影響。因為車軸為臺階軸鍛件，故一般采用沿螺旋線翻轉(zhuǎn)90°拔長的方式。拔長短料時，可從坯料的一端到另一端，長料拔長時應(yīng)從坯料中間向兩端拔長。每次拔長翻轉(zhuǎn)前后的送進(jìn)位置要相互錯開，使得軸坯沿軸線方向的變形均勻。

3.車軸校直過程中影響質(zhì)量的因素。校直雖然作為車軸鍛造的輔助工序，但是對保證車軸各部分的同軸度起至關(guān)重要的作用，決不可輕視。校直時應(yīng)按照軸身，輪座，軸徑的順序夾緊，保證車軸軸身，輪座，和軸頸的同軸度。

未經(jīng)校直的車軸