談鉆機零件材料的選用

1、談鉆機零件材料的選用 談鉆機零件材料的選用作者：無錫探礦機械總廠 王學淵摘要：鉆機零件材料的選用，應(yīng)根據(jù)其工作條件所要求的機械性能，及材料熱處理后所能達到的性能相結(jié)合，才能做到選材科學、經(jīng)濟、公道。關(guān)鍵詞：鉆機零件材料；調(diào)質(zhì)；淬透性；淬透層；滲碳鉆機零部件設(shè)計的優(yōu)劣，直接決定了鉆機的質(zhì)量檔次及在市場上的競爭力。鉆機零部件設(shè)計，離不開科學、公道、經(jīng)濟地選用材料，既要考慮零件的工作和受載情況，又要考慮零件尺寸與質(zhì)量限制，以及材料的經(jīng)濟適用與治理方便等，正確選材是比較復雜的。鉆機設(shè)計職員要將一些鋼鐵材料與熱處理方面的知識，融匯于零部件的設(shè)計之中，設(shè)計的鉆機才可邁上一個新的臺階。本文主要就鉆機中用得較

2、多的調(diào)質(zhì)鋼，滲碳鋼等淺談幾點看法。1 調(diào)質(zhì)鋼含碳量0.30%0.50%的中碳結(jié)構(gòu)鋼與中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后具有良好的綜合機械性能，即具有較高的抗拉強度，b7001100 Mpa，又具有較高的塑韌性(伸長率)8%10%，不收縮率45%55%，沖擊值k60100 J/cm2。調(diào)質(zhì)是指中碳(低合金)結(jié)構(gòu)鋼先進行淬火得馬氏體組織(或馬氏體為主體的組織)，爾后再550650 高溫回火得回火索氏體組織。同一軸徑選用不同鋼材的工件采用不同調(diào)質(zhì)工藝處理至同一硬度，得到的機械性能產(chǎn)生差異；不同軸徑選用同一鋼材的工件采用相同的調(diào)質(zhì)工藝處理，各自的機械性能也產(chǎn)生差異，這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是鋼材淬透性這一特性造成的。通俗

3、地講，淬透性是鋼材能夠被淬透的能力接受淬火成馬氏體的能力。淬透性與工件截面厚度有一定關(guān)系，即所謂尺寸效應(yīng)，截面尺寸增大，淬透層深度減小。合金結(jié)構(gòu)鋼較碳素結(jié)構(gòu)鋼的淬透性高。40Cr、35CrMo等合金結(jié)構(gòu)鋼較40、45碳素鋼的淬透層的截面相應(yīng)增大。如全淬透截面尺寸：45鋼水淬1218 mm，油淬58 mm，淬透已不易；40Cr鋼油淬1832 mm；35CrMo鋼油淬2540 mm。而40Cr鋼50 mm料油淬工件表面158 mm淬硬已較難，6070 mm工件油淬則幾乎無淬硬層。調(diào)質(zhì)效果與淬透性有著密切關(guān)系，淬得越透，心部得到的馬氏體量越多，調(diào)質(zhì)處理后的綜合機械性能也越好，若零件尺寸超出全淬透尺寸

4、，調(diào)質(zhì)后其屈服強度s、伸長率、不數(shù)縮率、沖擊值k等都要降低，其降低程度隨淬透層深度的減小而增大，乃至調(diào)質(zhì)性能接近正火狀態(tài)，調(diào)質(zhì)就失往其進步性能的意義了。設(shè)計零件選用調(diào)質(zhì)材料時，必須考慮鋼件淬透性與調(diào)質(zhì)零件坯料尺寸的協(xié)調(diào)關(guān)系，保證工件調(diào)質(zhì)熱處理后達到要求的機械性能，對鉆機關(guān)鍵部件尤應(yīng)如此。要留意的是一些機械設(shè)計手冊上有關(guān)鋼材調(diào)質(zhì)機械性能數(shù)據(jù)s、k等大多是在完全淬透(標有標準試樣尺寸)的條件下得到的，工件實際能達到的機械性能往往要比此值低，乃至相差甚遠。根據(jù)零件工作條件，分析受力情況，確定正常運行所要求的機械性能是選材的主要依據(jù)。緊固螺栓、連杠等杠類零件，主要工作于拉(壓)應(yīng)力狀態(tài)，整個截面受到較

5、均勻的拉(壓)應(yīng)力，為此，其整個截面必須淬透，保證性能達到一致。如在動態(tài)下工作，且受力較大的拉杠與六角螺栓(1218 mm)用淬透性好的40Cr鋼進行調(diào)質(zhì)，而不采用45鋼，避免了不能完全保證心部淬透而造成對性能的不良影響。對2530 mm柴油機連杠不采用40Cr鋼，而用淬透性更好的42CrMo鋼進行調(diào)質(zhì)，也是基于上述截面性能一致的理由。曲軸、主軸等軸類工件工作于彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力狀態(tài)，最大復合應(yīng)力發(fā)生在軸外緣，而心部很小，為此，表面強度要求高些，調(diào)質(zhì)軸表面3R/4R/2淬硬即可，不必全截面淬透。如鉆機中1622 mm軸徑，不直接傳動負荷的光軸。用45鋼調(diào)質(zhì)至HB241286，局部要求耐磨再進行高頻

6、表面淬火，完全可滿足使用的性能要求，而沒必要采用價格高的40Cr鋼，乃至35CrMo鋼進行同樣的熱處理。對負荷較大的軸必須保證軸徑3R/4R/2表層部分淬硬，如鉆機中的輸出軸，軸徑42 mm，采用40Cr鋼調(diào)質(zhì)硬度HB217255或HB241286(有的在花鍵部分高頻表面淬火)，使用情況良好。而4860 mm的40Cr鋼輸出軸，經(jīng)同樣熱處理至表面相同硬度，但使用中易發(fā)生塑性扭曲變形而過早失效。原因在于后者不能做到截面3R/4以上表層淬硬，乃至有時(因鋼材成分波動等原因)表面也難淬硬(HRC45)，隨著淬透層的減少，調(diào)質(zhì)后屈強比s/b明顯下降，彎曲強度bb也降低，達不到要求的強度設(shè)計值。至于屈服

7、強度s為軸類零件主要設(shè)計指標，且尺寸和質(zhì)量大小又有所限制時，應(yīng)選淬透性好的材料，以保證性能要求。4860 mm負荷較重的輸出軸，應(yīng)采用淬透性好的35CrMo鋼取代 40Cr鋼進行調(diào)質(zhì)。齒輪類工件主要工作于交變壓應(yīng)力與彎曲應(yīng)力狀態(tài)，要求齒部有較多的接觸疲憊強度與彎曲疲憊強度，而調(diào)質(zhì)件的疲憊極限隨淬火馬氏體量的增多而進步，為此要做到全齒部位截面淬透，保證達到調(diào)質(zhì)齒輪要求的機械性能。鑒于不完全淬透對機械性能的影響，對負荷較輕、模數(shù)m4的低速從動齒輪采用45鋼調(diào)質(zhì)；而對負荷相對較重，有一定沖擊的齒輪采用40Cr鋼調(diào)質(zhì)；轉(zhuǎn)速進步，要求一定耐磨性時則進行齒廓部位高頻淬火。鉆機中有些齒寬B40 mm，模數(shù)m

8、45的齒輪，特別是軸齒輪，采用40Cr鋼調(diào)質(zhì)再高頻表面淬火，使用中常發(fā)生斷齒、齒扭曲變形等過早失效現(xiàn)象。齒輪要求強度的同時，還得有一定塑韌性配合，對此，用淬透性好的35CrMo、40CrNi等鋼取代40Cr鋼調(diào)質(zhì)會改變效果(高頻淬火保證齒溝硬化)。當然，對一些沖擊較大的此類大負荷齒輪改用20CrMnTi鋼滲碳淬大，效果會更佳。同種鋼材的各種調(diào)質(zhì)零件，在淬透性滿足要求的條件下，根據(jù)不同的使用強度要求，提出不同的調(diào)質(zhì)硬度值，只要塑韌指標保證在要求的范圍(強度與硬度成正比，塑韌性隨硬度的進步而下降)，充分發(fā)揮材料強度的潛力。42 mm的輸出軸、過橋軸、40Cr鋼調(diào)質(zhì)硬度HB217255，使用中相對易

9、彎曲失效，將其調(diào)質(zhì)硬度進步至HB241286，效果明顯得到改觀。又如模數(shù)m3的大齒輪，45鋼調(diào)質(zhì)硬度HB217255，與高頻淬火的40Cr鋼小齒輪配對傳動，使用中易齒面麻點、剝落、損壞、失效，將其調(diào)質(zhì)硬度進步至HB241286，小齒輪高頻淬火硬度由HRC4855調(diào)整至HRC4550，達到較好效果。選用調(diào)質(zhì)鋼時，在淬透性滿足要求的條件下，也要考慮降低材料使用本錢和加工本錢。低合金結(jié)構(gòu)鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼在完全淬透的情況下，經(jīng)高溫回火到相同硬度時，兩者的強度相近，塑韌性相差無幾，此時，一般考慮用碳素結(jié)構(gòu)鋼，而不用合金結(jié)構(gòu)鋼。如小的定位銷、撐腳、螺栓等常用45鋼調(diào)質(zhì)。軸類、齒輪類部分截面淬透即可滿足性能要

10、求，而不必選用全截面淬透鋼材；在淬透性滿足性能要求時，進步調(diào)質(zhì)硬度滿足較高負荷，而不是更換淬透性更好但價格高的材料，或是增大截面尺寸浪費材料。在此值得提出商榷的兩點；(1)有的鉆機2040 mm銷軸用35CrMo鋼調(diào)質(zhì)，硬度HB207269。從銷軸使用性能看，應(yīng)是較高的強度，不是過多的塑韌性，以增加抗剪切與擠彎的能力。一般用35、45碳素鋼(大截面或沖擊較大時用30CrMnSi鋼)等價格較低的鋼，熱處理硬度HRC3045。若硬度HB207269的強度下適合銷軸的使用要求，則40Cr鋼調(diào)質(zhì)的強韌性不會比35CrMo鋼差，45鋼調(diào)質(zhì)也可勝任了。(2)一些鉆機中軸徑60 mm的花鍵軸，卷揚軸采用價格

11、貴、罕用、淬透性較40Cr鋼差的30CrMnTi鋼，調(diào)質(zhì)硬度HB230270。其坯料調(diào)質(zhì)淬火時表面淬硬HRC42也較難達到，3R/4 軸徑表層基本無淬硬層，回火到HB230270的硬度并不能表明其達到設(shè)計要求的機械性能。該鋼主要用于大截面(工件壁厚35 mm)滲碳淬火負荷工件。用于較大負荷大軸徑調(diào)質(zhì)軸似乎失往其使用價值，且不能勝任。此時應(yīng)考慮采用淬透性好的價格相對低些的35CrMo、42CrMo、35CrMnMo等鋼，調(diào)質(zhì)后保證淬透層達R/2處，能勝任大扭力矩與疲憊極限及一定的沖擊負荷。若實際負荷較小，可考慮減小軸徑，或采用40Cr鋼，以節(jié)約材料本錢。調(diào)質(zhì)選材時熱處理工藝性也應(yīng)加以考慮。如小孔

12、徑內(nèi)花鍵軸套、內(nèi)齒輪等調(diào)質(zhì)件，鑒于內(nèi)孔淬火冷卻差，影響其內(nèi)孔淬透層深度，從而使其運行機械性能降低，應(yīng)選用淬透性相對較好的鋼材，保證調(diào)質(zhì)達到要求的性能。又如碳鋼壁薄(壁厚10 mm)的鋼套及外形復雜截面懸殊的盤套，調(diào)質(zhì)淬火變形大，易發(fā)生開裂，改用40Cr鋼調(diào)質(zhì)效果較好。2 滲碳鋼20、20Cr、20CrMnTi等含碳量為0.15%0.25%的低碳(低合金)鋼，經(jīng)滲碳熱處理后，表面(0.52.0 mm)含碳量達0.8%1.05%，而心部仍保持原含碳量。淬火并低溫回火后，表面組織為高碳馬氏體與碳化物組成，硬度高(HRC5565)、耐磨；心部組織為低碳馬氏體或低碳馬氏體與鐵素體等組成，硬度低(HRC4

13、3)，保持較高的塑韌性。廣泛用于要求表面耐磨、心部韌的零件。15、20等低碳鋼，因淬透性差，滲碳淬火后心部強度低。只適宜用于表面耐磨、截荷小、沖擊稍微、心部不需要較高強度的小工件，如軸套、鏈條、小水閥等。零件表面要求耐磨，心部又要求有良好的強韌性，常采用20Cr、20CrMnTi鋼等淬透性較好的低合金滲碳鋼。如長期在摩擦條件下工作，承受一定交變負荷和沖擊負荷的活塞銷、銷軸等常采用20Cr鋼滲碳淬火；對交變負荷重、沖擊較大的鉆機齒輪(截面3035 mm)，則采用20CrMnTi鋼滲碳淬火。20CrMnTi鋼滲碳淬火晶粒細小，淬透性好，且熱處理變形小，可保證心部得到以低碳馬氏體為主體的組織，心部強

14、度高(HRC3043)，同時又有較高的塑韌性(k100 J/cm2)；對負荷更重的大截面(工件壁厚3540 mm)的滲碳齒輪，可同重型拖拉機、汽車一樣，采用30CrMnTi鋼，保證心部較高強度，且心部與滲碳層過渡區(qū)的強度也較高。低碳鋼滲碳淬火與中碳鋼調(diào)質(zhì)(正火)高頻表面淬火，雖二者都是進步零件表面硬度、耐磨性及疲憊強度，但使用時應(yīng)有區(qū)分。一般講，低碳鋼淬火主要用于b7001000 Mpa的較大負荷及沖擊較大、中低速的齒輪，花鍵軸類等鉆機零件；而中碳鋼高頻表面淬火則用于相對負荷較輕(400700 Mpa)，沖擊較小的齒輪、軸類等零件。因中碳馬氏體的高頻淬火層的耐磨性及調(diào)質(zhì)心部的強韌性均較低碳鋼滲

15、碳淬火的滲碳層及低碳馬氏體心部的為低。此外，受高頻淬火工藝的影響，較大模數(shù)(m56)重載齒輪及錐形傘齒輪，齒面高頻淬火層沿齒廓分布而無法完成；尤以大錐齒輪兩弧齒面硬度差值大，使用中常發(fā)生斷齒等過早損壞現(xiàn)象，影響了鉆機的正常運行。對此，應(yīng)考慮采用20CrMnTi鋼滲碳淬火取代40Cr鋼調(diào)質(zhì)與高頻淬火，固然制造本錢高了些，但一頂幾用，還是利大于弊。氮化運用題目。氮化工件具有表面硬度高，耐磨性好，抗蝕性強及較高的疲憊強度，特別是熱處理變形小等特點。主要用于高速下相對滑動，易發(fā)生干摩擦的二個精密零件，如機床主軸、鏜桿等；要求高抗蝕性與熱硬性的模具(壓鑄模)擠壓蝸桿等。對鉆機中交變負荷較重，轉(zhuǎn)速相對較低

16、，振動較大，要求高的彎曲強度及接觸疲憊強度的齒輪是不適用的。鉆機齒輪用40Cr鋼調(diào)質(zhì)后氮化取代20CrMnTi鋼滲碳淬火，事實證實，得不償失。氮化層薄(厚度0.7 mm)，且脆，心部調(diào)質(zhì)強度不足以支撐沉重的硬化層，使用中極易壓碎、剝落，特別是鉆機齒輪最需要的接觸疲憊強度比滲碳淬火的低得多。若有些零件確需耗時50 h以上的氮化來進步質(zhì)量，選用廣泛使用的30CrMoAl鋼為佳。3 其它3.1 低碳馬氏體低碳鋼淬火，低溫回火后的低碳馬氏體組織，具有較高的硬度(HRC3045)與強度，又有較高的塑韌性，特別是材料強度與塑性復合抗力指標斷裂韌性KIC也高。而中碳鋼淬火后隨回火溫度(中高溫)的降低，硬度與

17、強度進步，但塑韌性下降，斷裂韌性KIC也隨著下降。在較高強度(HRC30)時，其斷裂韌性與塑韌性均較低碳鋼淬火的低得多。鉆機中有些螺栓、銷子、墊圈等零件要求較高強度，常采用45鋼或40Cr鋼，熱處理硬度HRC3545，但使用效果并不理想，常發(fā)生過早斷裂失效。對此類熱處理為最后一道工序，要求中硬度(HRC3245)及斷裂韌性KIC也較高的零件，采用15MnVB等低碳鋼淬火，低溫回火到要求的硬度，進步了零件使用壽命，且經(jīng)濟。3.2 鑄鋼鉆機中換擋拔叉，一般外形比較復雜，慣用成型簡單的鑄鋼ZG45制造，熱處理后使用總的講還可以。但一些換擋頻繁，扭力較大的拔叉常易斷叉損壞，對此應(yīng)考慮用鍛鋼取代，以進步質(zhì)量。因鑄鋼的成分波動大，夾雜、偏析、疏松等缺陷難以避免，各向異性明顯，其機械性能達不到要求。3.3 球墨鑄鐵球墨鑄鐵具有良好的消震性，高耐磨性、切削加工性好，特別是零件成型簡單，本錢低。鉆機中一些要求一定強度(b600 Mpa)與耐磨性，沖擊值不大(k3050 J/cm2)，鍛鋼成型加工復雜的零件，如曲軸、連杠等采用球墨鑄鐵制造，達到經(jīng)濟實用的效果。設(shè)計零件采用球墨鑄鐵制造代替鍛鋼，充分利用其耐壓、耐彎、耐磨、造型簡單的特長，如活塞環(huán)、缸筒等也可加以運用，