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摘 要：国内半挂车车轴通常采用20Mn2材质无缝钢管热旋轧或者热挤压成形。成形后的车轴经淬火和回火处理来达到合理的机械性能。一般检验热处理质量的方法为表面硬度检验、金相检验和力学性能试验。2020年11月最新版的JT/T 475-2020《挂车车轴》中5.3.2对轴体的性能进行了规定。而6.4轴体总成垂直弯曲疲劳寿命试验是车轴最接近真实使用场景的检验方法。通过增加轴体垂直弯曲疲劳寿命试验，发现部分轴体达不到标准要求的次数就已经产生断裂。通过对断裂轴体断口的宏观检验、表面硬度检验、金相分析和力学性能试验分析，找到问题的根源，进而优化热处理工艺，改进热处理工装，消除轴体垂直弯曲疲劳寿命试验不通过的现象。
关键词：半挂车车轴;垂直弯曲疲劳寿命试验;热处理
中图分类号：U467 文献标识码：A
1 半挂车车轴成形技术简述
1.1 热旋轧成形技术
半挂车车轴成形技术属于钢管热缩径成形技术领域，目前比較成熟的应用比较广泛的是热旋轧成形技术。热旋轧成形设备主要由轴管坯旋轧机箱和辊轮机箱组成。无缝钢管根据工艺要求尺寸下料成为轴管坯。旋轧机箱设有轴管坯安装通道，通道内设有可夹紧轴管坯的夹紧卡爪，而且旋轧机箱设有驱动装置，轴管坯被夹紧后可以旋转。辊轮机箱设有4个辊轮，对称分布在轴管坯的圆周方向。辊轮轴向对齐，4个辊轮之间的空间构成辊轮型腔。辊轮机箱在工作台上通过轨道由液压油缸推动能前后移动。轴管坯端部加热到轧制温度后，通过输送装置送到旋轧机箱的轴管坯安装通道内并夹紧，并由旋轧机箱的驱动装置驱动轴管坯旋转。 然后液压油缸推动辊轮机箱向轴管坯移动，轴管坯端部进入辊轮型腔后带动辊轮旋转。轴管坯端部在辊轮型面作用下发生缩径变形，从而得到具有阶梯状的轴头形状。轴管坯两端热旋轧成形后即为半挂车一体空心车轴毛坯，见下图1。
1.2 热挤压成形技术
半挂车车轴热挤压成形技术相比热旋轧成形技术更为先进，生产效率更为高效。但是生产设备较为复杂，价格昂贵，而且热挤压成形技术生产设备占地面积较热旋轧成形技术设备成倍增加，因此该技术目前未能推广开来。热挤压成形设备主要包括两端液压机滑座和中间夹紧装置。液压机滑座后端联接有液压油缸，可以在工作台轨道上滑动。液压机滑座前段安装有热挤压成形模具。轴管坯两端同时加热到轧制温度后通过输送装置送至中间夹紧装置内并夹紧，然后两端液压油缸推动滑座向中间移动。轴管坯两端通过液压机滑座上的成形模具挤压成形，完成如图1所示的一体车轴毛坯。
2 热处理工艺过程
半挂车车轴属于薄壁壳形零件，该零件中间部分呈矩形状或者圆筒状，等壁厚而且长度较长。两端轴头部分是形状相同的变直径变壁厚圆管段，且长度较短。由于整个零件具有细长、中空、外形复杂以及壁厚不均等特征，因此热处理的均匀性是是车轴质量的关键。使用连续步进炉对轴体毛坯进行热处理的工艺为：淬火工艺：车轴材质为20Mn2，中频炉快速预热，装入6工位均温炉850±10?C保温足够的时间，纯水冷却。回火工艺：中频炉快速预热，装入12工位均温炉510±10?C保温足够的时间，纯水冷却 [1]。
3 半挂车轴体垂直弯曲疲劳寿命试验
3.1 半挂车轴体性能指标
2020年11月最新版的JT/T 475-2020《挂车车轴》中5.3.2.3对轴体总成垂直弯曲疲劳寿命进行了规定：在2.5倍额定轴荷作用下，最低疲劳寿命应不少于50×104次，平均疲劳寿命应不少于80×104次。
3.2 半挂车轴体垂直弯曲疲劳寿命试验介绍
JT/T 475-2020《挂车车轴》中6.4规定了轴体垂直弯曲疲劳寿命试验方法[2]。轴头两端为支撑点位，悬挂中心位、为受力点位。轴体中心点区域为最大变形区域。随机抽样垂直弯曲疲劳寿命试验断裂的轴体均在轴体中间区域断裂，即在最大变形区域内发生断裂，与理论相吻合。
一般情况轴体毛坯热处理后表面硬度、金相组织、力学性能均合格即视为合格产品。无损检测的弊端就是不能反应整体的性能而产生伪合格产品。为了更准确的反应产品质量，我司对不同批次轴体毛坯随机抽样进行轴体垂直弯曲疲劳寿命试验。结果是有部分轴体疲劳寿命介于50×104～ 80×104之间，虽然满足标准中最低疲劳寿命应不少于50×104次，但是与疲劳寿命≥80×104次有一定的差距。
4 半挂车轴体垂直弯曲疲劳寿命试验断裂原因分析和讨论
首先宏观观察1号轴体断裂部位断口的形貌， 断裂面与轴体呈垂直状态，横向大部分已断裂，断口面为具有光泽的亮面，找不到明显的塑性变形区域。从断口形貌可以看出，裂纹起始于外表面，正是弯曲最大变形部位。初步判断断口为脆性断口，见下图2所示轴体断裂形貌[3]。
其次从1号轴体断裂口部位沿纵截面取样作金相分析，试样在未侵蚀情况下进行夹杂物检验，按GB/T 10561-2005标准评定，A0，B0.5，C0，D1.0，夹杂物含量较低。试样经4%的硝酸酒精侵蚀后，其外表面金相显微组织为回火索氏体+铁素体，为合格组织。而芯部及内表面金相显微组织为回火索氏体+网状铁素体+贝氏体，为不合格组织，见图3。根据金相组织中存在网状铁素体以及贝氏体，判断主要由淬火冷却速度不足造成的[4]。
通过对轴体断裂部位外表面金相脱碳层的测量得到1号轴体脱碳层厚度平均为0.3 mm。通过对垂直弯曲疲劳寿命试验≥80×104次轴体的脱碳层统计发现其脱碳层平均厚度均在0.2 mm～0.25 mm之间。也就是说1号轴体的脱碳层厚度过大导致轴体外表面存在软点，硬度值低于HRC28，而软点往往就是裂纹产生的地方。通过对现场生产工艺的观察及询问，判断主要由中频炉快速预热停留时间过长导致的。
综合以上2条原因在所有参与垂直弯曲疲劳试验的轴体中寻找规律，发现发生断裂的轴体壁厚均较厚，轴头部分阶梯形状落差大。如图1所示轴体毛坯内孔直径A与轴体壁厚有直接关系。轴体壁厚越大，直径A越小。直径A越小在淬火时水流量越小，导致轴体内表面及芯部冷却速度不足，产生网状的铁素体和贝氏体等不合格组织。
5 优化措施
根据前期分析对热处理工艺及工装进行调整并验证。
（1）针对不同轴头形状，不同壁厚的轴体，中频炉快速预热停留时间进行细分，并严格执行。取样作表面硬度、
金相组织及力学性能试验验证，结果均满足各项参数要求。
（2）对于壁厚较大，直径A较小的轴体，方案1可以将轴体直径A使用机加工的方法加大后再进行热处理;方案2将淬火工艺中增加高压水泵，利用高压增大水流速度，提高冷却速度。经验证两种方案均能增加轴体内壁的淬透性，提高机械性能，垂直弯曲疲劳寿命试验满足标准要求。
6 结束语
半挂车车轴成形技术涉及到热变形，工艺过程控制至关重要。而根据厂区的地理位置、生产环境的不同，热处理工艺又千差万别。因此需要因地制宜，通过不断的试验验证来得到适合的热处理工艺。半挂车车轴作为主要的承载零件，加强热处理质量的控制，对保证车轴总成质量有十分重要的现实意义。
参考文献：
[1]中国机械工程学会热处理学会编.热处理手册[M].北京：机械工业出版社，2008.1（2009.1重印）
[2]宗成强，高国有，张学礼，等.JT/T 475-2020，挂车车轴[S].
[3]赵健明，胡翔.20Mn2钢管调质时断裂原因分析[J]. 理化检验（物理分册），2007（7）：373-375+378.
[4]李炯辉，林德成.金属材料金相图谱[M].北京：机械工业出版社，2006.6（2015.9重印）.
关键词：半挂车车轴;垂直弯曲疲劳寿命试验;热处理
中图分类号：U467 文献标识码：A
1 半挂车车轴成形技术简述
1.1 热旋轧成形技术
半挂车车轴成形技术属于钢管热缩径成形技术领域，目前比較成熟的应用比较广泛的是热旋轧成形技术。热旋轧成形设备主要由轴管坯旋轧机箱和辊轮机箱组成。无缝钢管根据工艺要求尺寸下料成为轴管坯。旋轧机箱设有轴管坯安装通道，通道内设有可夹紧轴管坯的夹紧卡爪，而且旋轧机箱设有驱动装置，轴管坯被夹紧后可以旋转。辊轮机箱设有4个辊轮，对称分布在轴管坯的圆周方向。辊轮轴向对齐，4个辊轮之间的空间构成辊轮型腔。辊轮机箱在工作台上通过轨道由液压油缸推动能前后移动。轴管坯端部加热到轧制温度后，通过输送装置送到旋轧机箱的轴管坯安装通道内并夹紧，并由旋轧机箱的驱动装置驱动轴管坯旋转。 然后液压油缸推动辊轮机箱向轴管坯移动，轴管坯端部进入辊轮型腔后带动辊轮旋转。轴管坯端部在辊轮型面作用下发生缩径变形，从而得到具有阶梯状的轴头形状。轴管坯两端热旋轧成形后即为半挂车一体空心车轴毛坯，见下图1。
1.2 热挤压成形技术
半挂车车轴热挤压成形技术相比热旋轧成形技术更为先进，生产效率更为高效。但是生产设备较为复杂，价格昂贵，而且热挤压成形技术生产设备占地面积较热旋轧成形技术设备成倍增加，因此该技术目前未能推广开来。热挤压成形设备主要包括两端液压机滑座和中间夹紧装置。液压机滑座后端联接有液压油缸，可以在工作台轨道上滑动。液压机滑座前段安装有热挤压成形模具。轴管坯两端同时加热到轧制温度后通过输送装置送至中间夹紧装置内并夹紧，然后两端液压油缸推动滑座向中间移动。轴管坯两端通过液压机滑座上的成形模具挤压成形，完成如图1所示的一体车轴毛坯。
2 热处理工艺过程
半挂车车轴属于薄壁壳形零件，该零件中间部分呈矩形状或者圆筒状，等壁厚而且长度较长。两端轴头部分是形状相同的变直径变壁厚圆管段，且长度较短。由于整个零件具有细长、中空、外形复杂以及壁厚不均等特征，因此热处理的均匀性是是车轴质量的关键。使用连续步进炉对轴体毛坯进行热处理的工艺为：淬火工艺：车轴材质为20Mn2，中频炉快速预热，装入6工位均温炉850±10?C保温足够的时间，纯水冷却。回火工艺：中频炉快速预热，装入12工位均温炉510±10?C保温足够的时间，纯水冷却 [1]。
3 半挂车轴体垂直弯曲疲劳寿命试验
3.1 半挂车轴体性能指标
2020年11月最新版的JT/T 475-2020《挂车车轴》中5.3.2.3对轴体总成垂直弯曲疲劳寿命进行了规定：在2.5倍额定轴荷作用下，最低疲劳寿命应不少于50×104次，平均疲劳寿命应不少于80×104次。
3.2 半挂车轴体垂直弯曲疲劳寿命试验介绍
JT/T 475-2020《挂车车轴》中6.4规定了轴体垂直弯曲疲劳寿命试验方法[2]。轴头两端为支撑点位，悬挂中心位、为受力点位。轴体中心点区域为最大变形区域。随机抽样垂直弯曲疲劳寿命试验断裂的轴体均在轴体中间区域断裂，即在最大变形区域内发生断裂，与理论相吻合。
一般情况轴体毛坯热处理后表面硬度、金相组织、力学性能均合格即视为合格产品。无损检测的弊端就是不能反应整体的性能而产生伪合格产品。为了更准确的反应产品质量，我司对不同批次轴体毛坯随机抽样进行轴体垂直弯曲疲劳寿命试验。结果是有部分轴体疲劳寿命介于50×104～ 80×104之间，虽然满足标准中最低疲劳寿命应不少于50×104次，但是与疲劳寿命≥80×104次有一定的差距。
4 半挂车轴体垂直弯曲疲劳寿命试验断裂原因分析和讨论
首先宏观观察1号轴体断裂部位断口的形貌， 断裂面与轴体呈垂直状态，横向大部分已断裂，断口面为具有光泽的亮面，找不到明显的塑性变形区域。从断口形貌可以看出，裂纹起始于外表面，正是弯曲最大变形部位。初步判断断口为脆性断口，见下图2所示轴体断裂形貌[3]。
其次从1号轴体断裂口部位沿纵截面取样作金相分析，试样在未侵蚀情况下进行夹杂物检验，按GB/T 10561-2005标准评定，A0，B0.5，C0，D1.0，夹杂物含量较低。试样经4%的硝酸酒精侵蚀后，其外表面金相显微组织为回火索氏体+铁素体，为合格组织。而芯部及内表面金相显微组织为回火索氏体+网状铁素体+贝氏体，为不合格组织，见图3。根据金相组织中存在网状铁素体以及贝氏体，判断主要由淬火冷却速度不足造成的[4]。
通过对轴体断裂部位外表面金相脱碳层的测量得到1号轴体脱碳层厚度平均为0.3 mm。通过对垂直弯曲疲劳寿命试验≥80×104次轴体的脱碳层统计发现其脱碳层平均厚度均在0.2 mm～0.25 mm之间。也就是说1号轴体的脱碳层厚度过大导致轴体外表面存在软点，硬度值低于HRC28，而软点往往就是裂纹产生的地方。通过对现场生产工艺的观察及询问，判断主要由中频炉快速预热停留时间过长导致的。
综合以上2条原因在所有参与垂直弯曲疲劳试验的轴体中寻找规律，发现发生断裂的轴体壁厚均较厚，轴头部分阶梯形状落差大。如图1所示轴体毛坯内孔直径A与轴体壁厚有直接关系。轴体壁厚越大，直径A越小。直径A越小在淬火时水流量越小，导致轴体内表面及芯部冷却速度不足，产生网状的铁素体和贝氏体等不合格组织。
5 优化措施
根据前期分析对热处理工艺及工装进行调整并验证。
（1）针对不同轴头形状，不同壁厚的轴体，中频炉快速预热停留时间进行细分，并严格执行。取样作表面硬度、
金相组织及力学性能试验验证，结果均满足各项参数要求。
（2）对于壁厚较大，直径A较小的轴体，方案1可以将轴体直径A使用机加工的方法加大后再进行热处理;方案2将淬火工艺中增加高压水泵，利用高压增大水流速度，提高冷却速度。经验证两种方案均能增加轴体内壁的淬透性，提高机械性能，垂直弯曲疲劳寿命试验满足标准要求。
6 结束语
半挂车车轴成形技术涉及到热变形，工艺过程控制至关重要。而根据厂区的地理位置、生产环境的不同，热处理工艺又千差万别。因此需要因地制宜，通过不断的试验验证来得到适合的热处理工艺。半挂车车轴作为主要的承载零件，加强热处理质量的控制，对保证车轴总成质量有十分重要的现实意义。
参考文献：
[1]中国机械工程学会热处理学会编.热处理手册[M].北京：机械工业出版社，2008.1（2009.1重印）
[2]宗成强，高国有，张学礼，等.JT/T 475-2020，挂车车轴[S].
[3]赵健明，胡翔.20Mn2钢管调质时断裂原因分析[J]. 理化检验（物理分册），2007（7）：373-375+378.
[4]李炯辉，林德成.金属材料金相图谱[M].北京：机械工业出版社，2006.6（2015.9重印）.