半轴调质工序常见问题及应对措施

文/李长波，宗照东，高汝风，秦岩，程立·吉林圆方机械集团有限公司

半轴调质工序常见问题及应对措施

文/李长波，宗照东，高汝风，秦岩，程立·吉林圆方机械集团有限公司

李长波：技术部主任工程师，专业方向为半轴/轴管锻造及机加工。主要工作业绩: ⑴轴管锻造由三次成形工艺改为两次成形工艺；⑵轴管锻造后利用余热再加热调质处理。

半轴相关概念

半轴定义

半轴是在差速器与驱动轮之间传递动力的实心轴，其内端与差速器半轴齿轮连接，而外端与驱动轮的轮毂（或制动鼓/制动盘等）相连。

半轴作用

从差速器传递来的扭矩经过半轴、轮毂等，最终传递给车轮，是传递系统中传递扭矩的一个重要零件。

半轴分类

可分为半浮式、全浮式和3/4浮式三种。所谓“浮”是指卸除半轴的弯曲载荷，其中半浮式、全浮式两种结构形式应用较为广泛。

⑴全浮式半轴：用于差速器与驱动轮连接起来的非断开式半轴，只承受转矩，不承受任何反力和弯矩。全浮式半轴常用于牵引车。其结构图如图1所示。

⑵半浮式半轴：用于差速器与驱动轮连接起来的非断开式轴，同时承受转矩又承受反力及其形成的弯矩。半浮式半轴常用于微型车。其结构图如图2所示。

图1 全浮式半轴结构图

图2 半浮式半轴结构图

全浮式半轴

全浮式半轴结构形式

全浮式半轴的结构形式如图3所示。主要由法兰盘、油封、中杆、花键组成。

半轴原材料

在保证产品设计性能要求条件下，推荐采用的半轴材料应符合GB/T 699、GB/T 3077、GB/T 5216标准中要求的化学成分、机械性能等相关要求。推荐牌号为40Cr、40CrH、42CrMo、42CrMoH、40MnB、40MnBH、50CrV、50CrVA，也允许采用能满足设计强度要求的其他材料。其中最常用的材料为42CrMo和40Cr。

半轴的热处理工艺

半轴热处理工艺，推荐采用预调质处理后表面中频淬火.预调质处理后心部硬度推荐采用24～30HRC，推荐检测点为半轴杆部位置，在满足图纸要求的实际中频淬硬层加上3mm处检测。在保证半轴性能指标要求条件下，也允许采用其他热处理工艺，如正火处理后表面中频淬火工艺。其中半轴调质处理后表面中频淬火为常用工艺。半轴调质金相组织按GB/T 13320规定的检验部位及方法检验。半轴中频淬火硬化层深度按GB/T 5617中规定检测方法执行，即硬化层深度以极限硬度界定。

半轴调质是指淬火+高温回火，以获得回火索氏体的热处理工艺。方法就是先淬火，淬火温度：亚共析碳钢为Ac3+(30～50)℃；共析及过共析碳钢为Ac1+(30～50)℃；一般合金钢淬火加热温度为Ac1或Ac3+(30～50)℃。淬火后在500～680℃进行回火即可。调质的主要目的是得到强度、塑性都比较好的综合机械性能。

此半轴调质所用设备：推盘式电阻炉。淬火炉功率为430kW，回火炉功率为360kW。淬火参数：淬火温度850℃，节拍13分钟/盘，8根/盘；冷却介质：水，水温50℃，入水方式：竖直入水。

图3 全浮式半轴结构形式

调质过程中的质量问题

从半轴调质目的可以看出，调质在半轴工艺中非常重要，为特殊工序。但这么重要的工序，也存在各种质量问题。

例如：⑴调质裂纹：⑵半轴组织不合格：⑶半轴硬度不合格（包括半轴圆周硬度不均匀）。

以直径φ54mm、材质42CrMoH半轴调质对应上述三种调质不合格状态分析原因。此型号半轴要求硬度为285～321HB,金相组织为索式体1～4级，检测位置为距半轴表面10mm处，检测位置在半轴中杆中部位置。组织及硬度检验按GB/T 13320-2007《钢质模锻件 金相组织评级图及评定方法》。

调质不合格项裂纹

半轴调质有多种，常见裂纹有：

⑴盘R部裂纹；

⑵中杆裂纹；

⑶花键端头裂纹。

花键端头裂纹见图4（以下以此裂纹为分析对象，裂纹发现工序为倒角工序）。

图4 花键端头裂纹

对花键端头的材质进行检验。材质成分检验符合42CrMoH要求，参数指标如表1所示。调质热处理检验如表2所示。

裂纹产生部位为半轴花键端部，裂纹为环形裂纹，长度约占周长1/3，裂纹深约3.0 mm，对裂纹金相检验可见该裂纹两侧无明显的氧化脱碳且裂纹尾端尖细，判定为热处理裂纹。即调质序淬火时形成的裂纹。裂纹放大100×如图5所示。

针对此裂纹分析原因可以采取如下措施。

措施1：现有淬火温度为850℃，可通过降低淬火温度降低产生裂纹的倾向。通过实验表明，淬火加热温度不低于830℃时，能满足半轴组织及硬度要求。当淬火加热温度低于830℃时，经调质后得到索氏体组织达不到国标中规定的1～4级（Ac3～800℃定义：先共析铁素体完全转变奥氏体的终了温度），所以淬火加热温度设定在830℃。

措施2：提高冷却介质的温度（我公司淬火介质为水）。水的冷却曲线图如图6所示。

从合金钢在水中的冷却曲线可以看出，提高水温，可降低钢在水中的冷却速度，根据我厂为循环水的实际情况，选取水温58～62℃，可降低半轴淬火后的硬度，避免出现裂纹。

措施3：调质淬火时加入淬火介质，例如：PAG介质。可根据工厂的时间情况，综合考虑成本等情况决定是否选用介质冷却。

表1 材质成分检验指标

表2 调质热处理检验

图5 裂纹放大100×图示

图6 水的冷却曲线

调质不合格项金相组织不合格

图7为某型号半轴金相的回火索氏体5级图示（检测位置距半轴表面10mm处，工艺中规定回火索氏体1～4级）。

针对图7批次半轴调质组织不合格情况，采取下列措施。

⑴此批次半轴重新调质。

⑵适当提高淬火温度和降低水温，此项与出现裂纹的措施1与措施2相矛盾，所以需在不出现裂纹的情况下采取此措施。

⑶化验半轴原材料中各元素含量，看在什么范围，常用提高淬透性的元素有Mo、Mn、Cr、Ni、B等。在各元素化学成分合格范围内，使各元素含量在上限，能显著提高半轴的淬透性。

⑷测试淬火炉温保温性能，尤其是出炉的最后一区，防止有炉门关闭不严，实际加热温度达不到设定温度的情况。

⑸选用速度快的电动葫芦，缩短从淬火炉门升起到入水的时间，减少半轴温度流失。

⑹半轴调质淬火入水由手动改为自动，杜绝人为因素。可采用PC机控制电动葫芦动作，以实现自动控制。

调质不合格项硬度不合格

调质回火后硬度高于工艺要求硬度时，只需重新回火即可。

图7 回火索氏体5级图示

结束语

综上所述，半轴调质不合格时，采取何种措施，需要理论与实际经验相结合才能给出最合理的方案。