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本文在对某钢铁公司20Mn2整体式半挂车轴调质热处理工艺与组织结构进行生产分析和工艺实验的基础上,对20Mn2车轴钢的相变特性与连续冷却组织转变进行了研究,同时运用有限元数值模拟计算方法,对20Mn2车轴钢的正火冷却条件进行模拟计算和分析,获得20Mn2整体式半挂车轴以正火工艺代替调质处理的条件,以期为车轴的热处理生产提供工艺改进的理论依据。利用Gleeble3500热模拟实验机,根据膨胀曲线以及组织分析测定了20Mn2车轴钢的热处理相变温度Ac1、Ac3、Ar3、Ar1分别为715℃、849℃、722℃、550℃;奥氏体粗化温度测定结果,粗化温区在980℃~1070℃之间;综合车轴钢相变温度以及奥氏体粗化温度测试结果,20Mn2车轴钢淬火温度应为880~900℃。利用光学金相显微镜与扫描电镜,结合实验室热处理实验,对20Mn2半挂车轴实际生产中的调质热处理的组织结构、性能以及存在的问题进行了分析,实验结果表明,实际生产的20Mn2车轴调质组织以回火屈氏体和回火索氏体为主,同时存在沿原奥氏体晶界析出的网状铁素体以及羽毛状上贝氏体等组织缺陷;通过增设淬火中间的释放高温蒸汽环节,可以改善车轴调质组织和性能。热模拟实验结果表明,20Mn2车轴钢连续冷却组织转变规律如下:在冷速为0.5~2℃/s时,转变产物以块状或多边铁素体、准多边铁素体以及珠光体组织为主;冷速达到1℃/s,开始出现少量粒状贝氏体组织,冷速增大到2~5℃/s时,粒状贝氏体含量明显增多,组织逐渐呈现为针状铁素体形态,且铁素体尺寸减小;当冷速达到10~20℃/s时,珠光体组织消失,准多边铁素体数量大大降低,基体以针状铁素体为主,且铁素体晶粒进一步细化,晶粒之间交叉、互成角度,同时开始出现少量的马氏体;冷却速度达到30℃/s时,粒状贝氏体组织中的铁素体板条明显拉长,板条间取向性增强,岛状物由粒状向条状转变,同时板条马氏体数量明显增加;当控制20Mn2车轴钢连续冷却速度在10℃/s~30℃/s时,显微组织主要为大量粒状贝氏体以及少量准多边铁素体和少量板条马氏体组成的混合组织,力学性能测试结果,混合组织的硬度为250-290 HV,产物的硬度达到工厂和国家标准要求。利用大型有限元分析软件MARC对20Mn2车轴钢的正火冷却工艺进行了数值模拟分析。结果表明,127×16mm规格的20Mn2车轴钢管在890℃正火时,控制钢管整个截面获得10-30℃/s冷却速度的正火喷雾水量下限和上限分别为20.3L/(m2?s)和63.5L/(m2?s),其中采取喷雾水量下限和上限在车轴外壁、管壁中心、内壁的冷却速度分别为13.8,10.7,10.1℃/s和29.6,16.1和14.7℃/s;增大喷雾水量可以提高钢管各区冷却能力,但加大了钢管各区冷却速度的差异;正火温度的改变对喷雾水量上、下限以及管壁各区域冷却速度分布的影响很小,而钢管壁厚的变化对喷雾水量上、下限的影响相对明显。