半掛車軸體垂直彎曲疲勞壽命試驗斷裂的原因分析

鄺力銓 楊貝貝

摘 要：國內半掛車車軸通常采用20Mn2材質無縫鋼管熱旋軋或者熱擠壓成形。成形后的車軸經淬火和回火處理來達到合理的機械性能。一般檢驗熱處理質量的方法為表面硬度檢驗、金相檢驗和力學性能試驗。2020年11月最新版的JT/T 475-2020《掛車車軸》中5.3.2對軸體的性能進行了規定。而6.4軸體總成垂直彎曲疲勞壽命試驗是車軸最接近真實使用場景的檢驗方法。通過增加軸體垂直彎曲疲勞壽命試驗，發現部分軸體達不到標準要求的次數就已經產生斷裂。通過對斷裂軸體斷口的宏觀檢驗、表面硬度檢驗、金相分析和力學性能試驗分析，找到問題的根源，進而優化熱處理工藝，改進熱處理工裝，消除軸體垂直彎曲疲勞壽命試驗不通過的現象。

關鍵詞：半掛車車軸;垂直彎曲疲勞壽命試驗;熱處理

中圖分類號：U467 文獻標識碼：A

1 半掛車車軸成形技術簡述

1.1 熱旋軋成形技術

半掛車車軸成形技術屬于鋼管熱縮徑成形技術領域，目前比較成熟的應用比較廣泛的是熱旋軋成形技術。熱旋軋成形設備主要由軸管坯旋軋機箱和輥輪機箱組成。無縫鋼管根據工藝要求尺寸下料成為軸管坯。旋軋機箱設有軸管坯安裝通道，通道內設有可夾緊軸管坯的夾緊卡爪，而且旋軋機箱設有驅動裝置，軸管坯被夾緊后可以旋轉。輥輪機箱設有4個輥輪，對稱分布在軸管坯的圓周方向。輥輪軸向對齊，4個輥輪之間的空間構成輥輪型腔。輥輪機箱在工作臺上通過軌道由液壓油缸推動能前后移動。軸管坯端部加熱到軋制溫度后，通過輸送裝置送到旋軋機箱的軸管坯安裝通道內并夾緊，并由旋軋機箱的驅動裝置驅動軸管坯旋轉。 然后液壓油缸推動輥輪機箱向軸管坯移動，軸管坯端部進入輥輪型腔后帶動輥輪旋轉。軸管坯端部在輥輪型面作用下發生縮徑變形，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

半掛車車軸熱擠壓成形技術相比熱旋軋成形技術更為先進，生產效率更為高效。但是生產設備較為復雜，價格昂貴，而且熱擠壓成形技術生產設備占地面積較熱旋軋成形技術設備成倍增加，因此該技術目前未能推廣開來。熱擠壓成形設備主要包括兩端液壓機滑座和中間夾緊裝置。液壓機滑座后端聯接有液壓油缸，可以在工作臺軌道上滑動。液壓機滑座前段安裝有熱擠壓成形模具。軸管坯兩端同時加熱到軋制溫度后通過輸送裝置送至中間夾緊裝置內并夾緊，然后兩端液壓油缸推動滑座向中間移動。軸管坯兩端通過液壓機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。由于整個零件具有細長、中空、外形復雜以及壁厚不均等特征，因此熱處理的均勻性是是車軸質量的關鍵。使用連續步進爐對軸體毛坯進行熱處理的工藝為：淬火工藝：車軸材質為20Mn2，中頻爐快速預熱，裝入6工位均溫爐850±10oC保溫足夠的時間，純水冷卻。回火工藝：中頻爐快速預熱，裝入12工位均溫爐510±10oC保溫足夠的時間，純水冷卻 [1]。

3 半掛車軸體垂直彎曲疲勞壽命試驗

3.1 半掛車軸體性能指標

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

3.2 半掛車軸體垂直彎曲疲勞壽命試驗介紹

JT/T 475-2020《掛車車軸》中6.4規定了軸體垂直彎曲疲勞壽命試驗方法[2]。軸頭兩端為支撐點位，懸掛中心位、為受力點位。軸體中心點區域為最大變形區域。隨機抽樣垂直彎曲疲勞壽命試驗斷裂的軸體均在軸體中間區域斷裂，即在最大變形區域內發生斷裂，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、力學性能均合格即視為合格產品。無損檢測的弊端就是不能反應整體的性能而產生偽合格產品。為了更準確的反應產品質量，我司對不同批次軸體毛坯隨機抽樣進行軸體垂直彎曲疲勞壽命試驗。結果是有部分軸體疲勞壽命介于50×104～ 80×104之間，雖然滿足標準中最低疲勞壽命應不少于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斷裂原因分析和討論

首先宏觀觀察1號軸體斷裂部位斷口的形貌， 斷裂面與軸體呈垂直狀態，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行夾雜物檢驗，按GB/T 10561-2005標準評定，A0，B0.5，C0，D1.0，夾雜物含量較低。試樣經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。而芯部及內表面金相顯微組織為回火索氏體+網狀鐵素體+貝氏體，為不合格組織，見圖3。根據金相組織中存在網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]。

通過對軸體斷裂部位外表面金相脫碳層的測量得到1號軸體脫碳層厚度平均為0.3 mm。通過對垂直彎曲疲勞壽命試驗≥80×104次軸體的脫碳層統計發現其脫碳層平均厚度均在0.2 mm～0.25 mm之間。也就是說1號軸體的脫碳層厚度過大導致軸體外表面存在軟點，硬度值低于HRC28，而軟點往往就是裂紋產生的地方。通過對現場生產工藝的觀察及詢問，判斷主要由中頻爐快速預熱停留時間過長導致的。

綜合以上2條原因在所有參與垂直彎曲疲勞試驗的軸體中尋找規律，發現發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所示軸體毛坯內孔直徑A與軸體壁厚有直接關系。軸體壁厚越大，直徑A越小。直徑A越小在淬火時水流量越小，導致軸體內表面及芯部冷卻速度不足，產生網狀的鐵素體和貝氏體等不合格組織。

5 優化措施

根據前期分析對熱處理工藝及工裝進行調整并驗證。

（1）針對不同軸頭形狀，不同壁厚的軸體，中頻爐快速預熱停留時間進行細分，并嚴格執行。取樣作表面硬度、

金相組織及力學性能試驗驗證，結果均滿足各項參數要求。

（2）對于壁厚較大，直徑A較小的軸體，方案1可以將軸體直徑A使用機加工的方法加大后再進行熱處理;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。經驗證兩種方案均能增加軸體內壁的淬透性，提高機械性能，垂直彎曲疲勞壽命試驗滿足標準要求。

6 結束語

半掛車車軸成形技術涉及到熱變形，工藝過程控制至關重要。而根據廠區的地理位置、生產環境的不同，熱處理工藝又千差萬別。因此需要因地制宜，通過不斷的試驗驗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，加強熱處理質量的控制，對保證車軸總成質量有十分重要的現實意義。

參考文獻：

[1]中國機械工程學會熱處理學會編.熱處理手冊[M].北京：機械工業出版社，2008.1（2009.1重印）

[2]宗成強，高國有，張學禮，等.JT/T 475-2020，掛車車軸[S].

[3]趙健明，胡翔.20Mn2鋼管調質時斷裂原因分析[J]. 理化檢驗（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：機械工業出版社，2006.6（2015.9重印）.