半軸調質工序常見問題及應對措施

文/李長波，宗照東，高汝風，秦巖，程立·吉林圓方機械集團有限公司

半軸調質工序常見問題及應對措施

文/李長波，宗照東，高汝風，秦巖，程立·吉林圓方機械集團有限公司

李長波：技術部主任工程師，專業(yè)方向為半軸/軸管鍛造及機加工。主要工作業(yè)績: ⑴軸管鍛造由三次成形工藝改為兩次成形工藝；⑵軸管鍛造后利用余熱再加熱調質處理。

半軸相關概念

半軸定義

半軸是在差速器與驅動輪之間傳遞動力的實心軸，其內端與差速器半軸齒輪連接，而外端與驅動輪的輪轂（或制動鼓/制動盤等）相連。

半軸作用

從差速器傳遞來的扭矩經過半軸、輪轂等，最終傳遞給車輪，是傳遞系統中傳遞扭矩的一個重要零件。

半軸分類

可分為半浮式、全浮式和3/4浮式三種。所謂“浮”是指卸除半軸的彎曲載荷，其中半浮式、全浮式兩種結構形式應用較為廣泛。

⑴全浮式半軸：用于差速器與驅動輪連接起來的非斷開式半軸，只承受轉矩，不承受任何反力和彎矩。全浮式半軸常用于牽引車。其結構圖如圖1所示。

⑵半浮式半軸：用于差速器與驅動輪連接起來的非斷開式軸，同時承受轉矩又承受反力及其形成的彎矩。半浮式半軸常用于微型車。其結構圖如圖2所示。

圖1 全浮式半軸結構圖

圖2 半浮式半軸結構圖

全浮式半軸

全浮式半軸結構形式

全浮式半軸的結構形式如圖3所示。主要由法蘭盤、油封、中桿、花鍵組成。

半軸原材料

在保證產品設計性能要求條件下，推薦采用的半軸材料應符合GB/T 699、GB/T 3077、GB/T 5216標準中要求的化學成分、機械性能等相關要求。推薦牌號為40Cr、40CrH、42CrMo、42CrMoH、40MnB、40MnBH、50CrV、50CrVA，也允許采用能滿足設計強度要求的其他材料。其中最常用的材料為42CrMo和40Cr。

半軸的熱處理工藝

半軸熱處理工藝，推薦采用預調質處理后表面中頻淬火.預調質處理后心部硬度推薦采用24～30HRC，推薦檢測點為半軸桿部位置，在滿足圖紙要求的實際中頻淬硬層加上3mm處檢測。在保證半軸性能指標要求條件下，也允許采用其他熱處理工藝，如正火處理后表面中頻淬火工藝。其中半軸調質處理后表面中頻淬火為常用工藝。半軸調質金相組織按GB/T 13320規(guī)定的檢驗部位及方法檢驗。半軸中頻淬火硬化層深度按GB/T 5617中規(guī)定檢測方法執(zhí)行，即硬化層深度以極限硬度界定。

半軸調質是指淬火+高溫回火，以獲得回火索氏體的熱處理工藝。方法就是先淬火，淬火溫度：亞共析碳鋼為Ac3+(30～50)℃；共析及過共析碳鋼為Ac1+(30～50)℃；一般合金鋼淬火加熱溫度為Ac1或Ac3+(30～50)℃。淬火后在500～680℃進行回火即可。調質的主要目的是得到強度、塑性都比較好的綜合機械性能。

此半軸調質所用設備：推盤式電阻爐。淬火爐功率為430kW，回火爐功率為360kW。淬火參數：淬火溫度850℃，節(jié)拍13分鐘/盤，8根/盤；冷卻介質：水，水溫50℃，入水方式：豎直入水。

圖3 全浮式半軸結構形式

調質過程中的質量問題

從半軸調質目的可以看出，調質在半軸工藝中非常重要，為特殊工序。但這么重要的工序，也存在各種質量問題。

例如：⑴調質裂紋：⑵半軸組織不合格：⑶半軸硬度不合格（包括半軸圓周硬度不均勻）。

以直徑φ54mm、材質42CrMoH半軸調質對應上述三種調質不合格狀態(tài)分析原因。此型號半軸要求硬度為285～321HB,金相組織為索式體1～4級，檢測位置為距半軸表面10mm處，檢測位置在半軸中桿中部位置。組織及硬度檢驗按GB/T 13320-2007《鋼質模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》。

調質不合格項裂紋

半軸調質有多種，常見裂紋有：

⑴盤R部裂紋；

⑵中桿裂紋；

⑶花鍵端頭裂紋。

花鍵端頭裂紋見圖4（以下以此裂紋為分析對象，裂紋發(fā)現工序為倒角工序）。

圖4 花鍵端頭裂紋

對花鍵端頭的材質進行檢驗。材質成分檢驗符合42CrMoH要求，參數指標如表1所示。調質熱處理檢驗如表2所示。

裂紋產生部位為半軸花鍵端部，裂紋為環(huán)形裂紋，長度約占周長1/3，裂紋深約3.0 mm，對裂紋金相檢驗可見該裂紋兩側無明顯的氧化脫碳且裂紋尾端尖細，判定為熱處理裂紋。即調質序淬火時形成的裂紋。裂紋放大100×如圖5所示。

針對此裂紋分析原因可以采取如下措施。

措施1：現有淬火溫度為850℃，可通過降低淬火溫度降低產生裂紋的傾向。通過實驗表明，淬火加熱溫度不低于830℃時，能滿足半軸組織及硬度要求。當淬火加熱溫度低于830℃時，經調質后得到索氏體組織達不到國標中規(guī)定的1～4級（Ac3～800℃定義：先共析鐵素體完全轉變奧氏體的終了溫度），所以淬火加熱溫度設定在830℃。

措施2：提高冷卻介質的溫度（我公司淬火介質為水）。水的冷卻曲線圖如圖6所示。

從合金鋼在水中的冷卻曲線可以看出，提高水溫，可降低鋼在水中的冷卻速度，根據我廠為循環(huán)水的實際情況，選取水溫58～62℃，可降低半軸淬火后的硬度，避免出現裂紋。

措施3：調質淬火時加入淬火介質，例如：PAG介質?？筛鶕S的時間情況，綜合考慮成本等情況決定是否選用介質冷卻。

表1 材質成分檢驗指標

表2 調質熱處理檢驗

圖5 裂紋放大100×圖示

圖6 水的冷卻曲線

調質不合格項金相組織不合格

圖7為某型號半軸金相的回火索氏體5級圖示（檢測位置距半軸表面10mm處，工藝中規(guī)定回火索氏體1～4級）。

針對圖7批次半軸調質組織不合格情況，采取下列措施。

⑴此批次半軸重新調質。

⑵適當提高淬火溫度和降低水溫，此項與出現裂紋的措施1與措施2相矛盾，所以需在不出現裂紋的情況下采取此措施。

⑶化驗半軸原材料中各元素含量，看在什么范圍，常用提高淬透性的元素有Mo、Mn、Cr、Ni、B等。在各元素化學成分合格范圍內，使各元素含量在上限，能顯著提高半軸的淬透性。

⑷測試淬火爐溫保溫性能，尤其是出爐的最后一區(qū)，防止有爐門關閉不嚴，實際加熱溫度達不到設定溫度的情況。

⑸選用速度快的電動葫蘆，縮短從淬火爐門升起到入水的時間，減少半軸溫度流失。

⑹半軸調質淬火入水由手動改為自動，杜絕人為因素?？刹捎肞C機控制電動葫蘆動作，以實現自動控制。

調質不合格項硬度不合格

調質回火后硬度高于工藝要求硬度時，只需重新回火即可。

圖7 回火索氏體5級圖示

結束語

綜上所述，半軸調質不合格時，采取何種措施，需要理論與實際經驗相結合才能給出最合理的方案。