半軸是機(jī)動車輛上驅(qū)動車輪的桿件，一般載重車采用全浮式半軸，它主要承受驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)矩，小客車多用半浮式半軸，工作載荷為彎扭復(fù)合力矩。此外，半軸還受一定的沖擊載荷。多數(shù)半軸為一端法蘭式（圖1a)，重型車常用二端花鍵式（圖1b)，而越野車的內(nèi)、外半軸是變截面臺階軸（圖1c)。半軸使用壽命主要決定于花鍵齒的抗壓陷和耐磨損的性能。載重車半軸易損壞的部位還有桿部與凸緣的連結(jié)處（圖1a中C處）或花鍵端（圖1a中A處）以及花鍵與桿部相連結(jié)處（圖1a中B處）。A處的花鍵齒與齒輪直接接觸，受沖擊扭轉(zhuǎn)力最大。B、C處應(yīng)力集中嚴(yán)重。在上述部位易產(chǎn)生疲勞斷裂。▲圖1各類汽車半軸示意圖a）一端法蘭式b）兩端花鍵式c）變截面臺階軸2 半軸材料半軸應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度（大多數(shù)半軸的計算工作應(yīng)力Tmax=347~530MPa)韌性和良好的抗疲勞性能。一般都用中、低碳合金鋼制造。當(dāng)硬度在45HRC以下時，半軸的疲勞強(qiáng)度隨硬度增加而成比例地增加。所以調(diào)質(zhì)半軸的硬度范圍取37~47HRC為宜。圖2 是半軸的應(yīng)力分布情況，除法蘭盤根部和花鍵根部應(yīng)力較高外，其他部分是較均勻的，而截面內(nèi)應(yīng)力是表面最大，心部為零。所以在選用材料和強(qiáng)化工藝時應(yīng)保證半軸的強(qiáng)度分布能與其在使用工況下的應(yīng)力分布相適應(yīng)。▲圖2半軸延長度和截面內(nèi)應(yīng)力分布示意圖按照ZB/T21 004《汽車半軸技術(shù)條件》的規(guī)定，汽車半軸的技術(shù)要求主要有：（1)在保證產(chǎn)品設(shè)計性能要求條件下，推薦采用的半軸材料牌號為40Cr、42CrMo、40MnB、40CrMnMo、35CrMo、35CrMnSi、40CrV和45鋼。（2)半軸熱處理工藝，推薦采調(diào)質(zhì)處理后表面中頻感應(yīng)淬火處理工藝。調(diào)質(zhì)處理后，心部硬度為24~30HRC；中頻感應(yīng)淬火處理后，桿部表面硬度不低于52HRC；花鍵處允許降低3HRC；桿部硬化層深度范圍為桿部直徑的10%~20%，硬化層深度變化不大于桿部直徑的5%，桿部圓角應(yīng)淬硬；法蘭盤硬度不低于24HRC。在保證半軸性能指標(biāo)要求條件下，也允許采用其他熱處理工藝，如正火處理后進(jìn)行表面中頻感應(yīng)淬火工藝。（3)感應(yīng)淬火后半軸的金相組織：調(diào)質(zhì)處理后表面中頻感應(yīng)淬火處理，硬化層為回火馬氏體，心部為回火索氏體；正火處理后表面中頻感應(yīng)淬火處理，硬化層為回火馬氏體，心部為珠光體加鐵素體。（4)半軸表面不應(yīng)有折疊、凹陷、黑皮、砸痕及裂紋等缺陷。桿部表面允許有磨去裂紋的痕跡。磨削后存在的磨痕深度不大于0.5mm,同一橫斷面不允許超過兩處。（5)半軸磁力探傷后應(yīng)退磁。無論是調(diào)質(zhì)半軸或是表面感應(yīng)淬火的半軸，均要選擇淬透性合適的材料，以保證半軸的淬硬層深度達(dá)到規(guī)定要求。所以，小型的汽車、拖拉機(jī)半軸往往選用40Cr、40MnB鋼制造；而對粗大的重型載重汽車半軸需選用淬透性較高的合金結(jié)構(gòu)鋼（如42CrMo、40CrNi、40CrMnMo)。材料淬透性太低，則半軸的靜扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和疲勞極限將達(dá)不到要求；而淬透性過高，則表層殘留壓應(yīng)力降低，使疲勞強(qiáng)度下降，甚至形成淬火裂紋。半軸常用材料及技術(shù)要求列于表1▼表1半軸常用材料及技術(shù)要求越野車的內(nèi)、外半軸一般是變截面臺階軸，要求較高的沖擊韌度；過去往往采用低碳合金鋼滲碳處理，現(xiàn)多采用中碳合金鋼感應(yīng)淬火。3 半軸的熱處理工藝3.1 半軸的調(diào)質(zhì)3.1.1制造工藝路線下料→鍛造成形→正火或退火→機(jī)械加工→調(diào)質(zhì)→噴丸→矯直→精加工→成品。3.1.2 熱處理工藝調(diào)質(zhì)半軸的鍛坯熱處理主要考慮機(jī)械加工的要求，一般采用正火處理，對于正火后硬度過高的鋼材，可采用退火。表2 列出了幾種半軸的鍛坯熱處理工藝。半軸調(diào)質(zhì)工藝見表3 。▼表2幾種半軸鍛坯熱處理工藝▼表3半軸調(diào)質(zhì)工藝3.2 半軸的感應(yīng)淬火3.2.1 制造工藝路線下料→鍛造成形→調(diào)質(zhì)或正火→銑端面、打中心孔→矯直→機(jī)械加工→清洗→中頻感應(yīng)加熱淬火、回火或自回火→矯直→精加工→成品。鍛坯熱處理的目的，除考慮機(jī)械加工的要求外，還要為感應(yīng)加熱淬火作組織準(zhǔn)備。一般采用調(diào)質(zhì)處理，有條件的工廠最好采用鍛熱淬火加高溫回火，這對以后的加工和感應(yīng)加熱淬火都極為有利。此外，應(yīng)高度重視冷、熱加工協(xié)調(diào)對熱處理質(zhì)量的影響。如汽車半軸感應(yīng)加熱定位，應(yīng)根據(jù)加工工藝特性進(jìn)行分析，做到冷、熱加工、檢驗定位基準(zhǔn)統(tǒng)一。半軸法蘭盤端中心孔深度與法蘭內(nèi)端面的相對位置要準(zhǔn)確，以保證法蘭內(nèi)端面與矩形感應(yīng)器的距離，此距離過大或過小都不能保證感應(yīng)加熱淬火熱處理質(zhì)量，將導(dǎo)致半軸工作時早期損壞。3.2.2熱處理工藝（1)半軸感應(yīng)加熱淬火后的力學(xué)性能，半軸經(jīng)感應(yīng)加熱淬火后，屈服強(qiáng)度與疲勞極限均有提高，尤以疲勞極限的提高最為顯著（見表4 及表5)。▼表4半軸靜扭強(qiáng)度對比試驗結(jié)果▼表540MnB鋼半軸疲勞極限對比試驗結(jié)果表中數(shù)據(jù)表明：感應(yīng)加熱淬火半軸的靜扭強(qiáng)度高于調(diào)質(zhì)半軸，感應(yīng)加熱淬火層愈深，其靜扭強(qiáng)度愈高。數(shù)據(jù)還表明，40MnB鋼中頻感應(yīng)加熱淬火可以代替40CrMnMo鋼調(diào)質(zhì)半軸。表5 中數(shù)據(jù)還表明：中頻感應(yīng)加熱淬火半軸疲勞壽命比調(diào)質(zhì)半軸提高很多倍，因此半軸調(diào)質(zhì)處理工藝多數(shù)已被中頻感應(yīng)加熱淬火所取代。（2)半軸感應(yīng)加熱淬火工藝參數(shù)的選擇：半軸淬硬層深度的確定應(yīng)以保證半軸內(nèi)任何一點的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力均小于或等于該點的剪切屈服強(qiáng)度。圖3 中點劃線表示半軸感應(yīng)加熱淬火后的強(qiáng)度分布情況，a'o表示半軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分布情況。若淬硬層太淺，則半軸強(qiáng)度不足，圖3a中b'b區(qū)域為危險區(qū)；若淬硬層太深，圖3c，則由于半軸表層殘留壓應(yīng)力降低而降低疲勞壽命。合適的淬硬層深度應(yīng)如圖3b所示。▲圖3半軸工藝淬火硬化層與強(qiáng)度分布a）太淺b）合適c）太深桿部：硬化層深度應(yīng)達(dá)到桿部直徑的15%（δ2=15%D0)。法蘭根部：要求法蘭盤與桿部連接的過渡圓角淬硬。在實際生產(chǎn)中，圓角處硬化區(qū)域的最小直徑應(yīng)比半軸桿部直徑大25%。這些要求是為了保證半軸的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。花鍵與桿部的淬硬層深度對靜強(qiáng)度影響較大，法蘭圓角淬硬對疲勞極限影響較大。每種表面淬火半軸都有最佳的硬化層深，應(yīng)考慮到硬化層深對表層殘留壓應(yīng)力的影響。表6 列出了直徑為50mm的帶法蘭半軸感應(yīng)加熱淬火后花鍵尾根部位的殘留壓應(yīng)力。通常，感應(yīng)加熱淬火硬化層深度可以根據(jù)半軸桿部直徑的大小和產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)形狀來確定。對輕型載重車和小轎車的法蘭盤式半軸（桿部直徑在50mm以下）淬硬層深度可按下列要求確定（參閱圖4)。▲圖4半軸表面淬火的硬化層深度花鍵部：齒根硬化層深度（按測量到半馬氏體區(qū)計算）應(yīng)達(dá)到花鍵部軸頸的10%(δ1=10%D)。桿部：硬化層深度應(yīng)達(dá)到桿部直徑的15%（δ2=15%D0)。法蘭根部：要求法蘭盤與桿部連接的過渡圓角淬硬。在實際生產(chǎn)中，圓角處硬化區(qū)域的最小直徑應(yīng)比半軸桿部直徑大25%。這些要求是為了保證半軸的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。花鍵與桿部的淬硬層深度對靜強(qiáng)度影響較大，法蘭圓角淬硬對疲勞極限影響較大。每種表面淬火半軸都有最佳的硬化層深，應(yīng)考慮到硬化層深對表層殘留壓應(yīng)力的影響。表6 列出了直徑為50mm的帶法蘭半軸感應(yīng)加熱淬火后花鍵尾根部位的殘留壓應(yīng)力。▼表640MnB半軸感應(yīng)淬火后表面殘留壓應(yīng)力從表中可看出硬化層深超過最佳值后，再增加硬化層深則表面殘留壓應(yīng)力下降。試驗表明，隨表面殘留壓應(yīng)力下降，其疲勞壽命也隨之下降。半軸感應(yīng)加熱淬火，一般都采用功率為100～320kW、頻率為2.5~8kHz的中頻電源，連續(xù)加熱的頻率較低，整體一次感應(yīng)加熱淬火的所需頻率較高，功率也大些。為了保證法蘭圓角加熱，可采用帶導(dǎo)磁體的感應(yīng)器。半軸整體感應(yīng)加熱淬火后可以自熱回火。連續(xù)加熱淬火的半軸可以采用整體感應(yīng)加熱回火，中頻電源是100kW、2.5kHz。也可采用在電爐內(nèi)回火，回火溫度一般為180~250℃。回火后表面硬度要求為52~58HRC。EQ1090E后橋半軸連續(xù)淬火后經(jīng)不同方式回火的疲勞試驗數(shù)據(jù)見表7 。▼表7半軸爐回火和感應(yīng)回火疲勞壽命對比數(shù)據(jù)表明，感應(yīng)回火的疲勞壽命較爐中回火為高。其原因是，感應(yīng)快速加熱時，最表層首先瞬時產(chǎn)生馬氏體分解，使體積收縮處于相變超塑性階段，待整體回火完成后表層形成更大的壓應(yīng)力，具有一個更理想的有利于提高疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力分布；而爐內(nèi)加熱緩慢沒有這種條件。（3)半軸感應(yīng)加熱表面淬火舉例，40MnB鋼制造的帶法蘭半軸的表面淬火工藝技術(shù)要求見表8 ，其淬火工藝可以采用連續(xù)加熱淬火和整體一次加熱淬火，工藝參數(shù)見表9 和表10 。▼表840MnB鋼半軸表面感應(yīng)淬火技術(shù)要求▼表940MnB鋼半軸表面感應(yīng)淬火工藝參數(shù)（CA10）▼表1040MnB鋼半軸表面感應(yīng)淬火工藝參數(shù)（EQ1090）半軸以前采用采用的是連續(xù)淬火，感應(yīng)器如圖5 所示。現(xiàn)在普遍采用矩形感應(yīng)器進(jìn)行整體一次加熱淬火，感應(yīng)器有效圈示意圖見圖6 。▲圖5半軸連續(xù)淬火感應(yīng)器▲圖6半軸整體淬火感應(yīng)器半軸連續(xù)淬火存在效率低，不便于機(jī)械化和自動化的缺點，而且連續(xù)淬火使半軸靠近光桿的花鍵區(qū)常常產(chǎn)生軟帶，強(qiáng)度較低，使用中往往在花鍵尾部斷裂。這是由于感應(yīng)器移到該處時，磁感應(yīng)線強(qiáng)烈地偏移到未失去鐵磁性的光桿部位所引起的。采用矩形感應(yīng)器進(jìn)行整體一次感應(yīng)加熱時，其有效圈電流方向平行于半軸軸線線，并產(chǎn)生垂直于工件軸線的橫向磁場，所以半軸的軸向幾何尺寸變化（如花鍵一光桿、多階軸及臺肩軸等）時，不會引起磁感應(yīng)線的偏移。所以工件表面的感應(yīng)電流是均勻的，半軸表面可以獲得均勻加熱。圖7 是帶法蘭的半軸采用矩形感應(yīng)器整體一次感應(yīng)加熱淬火時實際觀察的表面均溫加熱曲線。▲圖7采用矩形感應(yīng)器整體一次感應(yīng)加熱淬火時，半軸表面的均溫加熱曲線由于在有效圈A端圓弧（見圖6) 上鑲有硅鋼片導(dǎo)磁體，所以法蘭根部圓角部位升溫較快，加熱均溫時間長，保證了該處的硬化層深和足夠的硬化區(qū)域。采用整體一次感應(yīng)加熱淬火還能提高花鍵齒頂?shù)挠捕取２捎镁匦胃袘?yīng)器加熱時，由于感應(yīng)器和零件之間間隙較大（一般為5~8mm),所以升溫慢，加熱時間長，硬化層厚且均勻。半軸回火也可采用矩形感應(yīng)器加熱，采用15~20℃/s的升溫速度，控制感應(yīng)加熱回火溫度在（250±10)℃范圍內(nèi)，可以使半軸表面硬度控制在52~63HRC的范圍內(nèi)，性能良好。3.3 半軸的滲碳熱處理3.3.1 制造工藝路線下料→鍛造成形→預(yù)備熱處理→矯直→機(jī)械加工→滲碳→淬火、回火→矯直→精加工→成品。3.3.2 熱處理工藝滲碳半軸鍛坯熱處理主要考慮機(jī)械加工的要求，并為滲碳熱處理作組織準(zhǔn)備，一般采用正火處理。對于正火后硬度較高的鋼材，可以再加一次高溫回火處理。表11列出幾種半軸鍛坯的熱處理工藝。▼表11幾種滲碳半軸鍛坯的熱處理工藝20CrMnTi鋼半軸的滲碳熱處理工藝見圖8 。▲圖820CrMnTi半軸滲碳熱處理工藝4 半軸的質(zhì)量檢驗常用合金結(jié)構(gòu)鋼半軸調(diào)質(zhì)的質(zhì)量檢驗見表12。半軸表面感應(yīng)淬火的質(zhì)量檢驗見表13。▼表12常用合金結(jié)構(gòu)鋼半軸調(diào)質(zhì)的質(zhì)量檢驗▼表13半軸表面感應(yīng)淬火的質(zhì)量檢驗5 半軸的常見熱處理缺陷及預(yù)防補(bǔ)救措施半軸調(diào)質(zhì)的常見熱處理缺陷的預(yù)防及補(bǔ)救措施見表14。半軸表面感應(yīng)加熱淬火的常見缺陷的預(yù)防及補(bǔ)救措施見表15。▼表14半軸調(diào)質(zhì)的常見熱處理缺陷的預(yù)防及補(bǔ)救措施▼表15半軸表面感應(yīng)淬火常見缺陷的預(yù)防及補(bǔ)救措施

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