1、談鉆機零件材料的選用無錫探礦機械總廠   王學淵    摘要：鉆機零件材料的選用，應根據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合，才能做到選材科學、經濟、合理。     關鍵詞：鉆機零件材料；調質；淬透性；淬透層；滲碳鉆機零部件設計的優劣，直接決定了鉆機的質量檔次及在市場上的競爭力。鉆機零部件設計，離不開科學、合理、經濟地選用材料，既要考慮零件的工作和受載情況，又要考慮零件尺寸與質量限制，以及材料的經濟適用與管理方便等，正確選材是比較復雜的。鉆機設計人員要將一些鋼鐵材料與熱處理方面的

2、知識，融匯于零部件的設計之中，設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多的調質鋼，滲碳鋼等淺談幾點看法。1調質鋼含碳量0.30%0.50%的中碳結構鋼與中碳低合金結構鋼經調質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。調質是指中碳(低合金)結構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質工藝處理至同一硬度，得到的機械性能產生差異；不同軸徑選用同一鋼材的工件采用相同的調質

3、工藝處理，各自的機械性能也產生差異，這一現象的產生是鋼材淬透性這一特性造成的。通俗地講，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系，即所謂尺寸效應，截面尺寸增大，淬透層深度減小。合金結構鋼較碳素結構鋼的淬透性高。40Cr、35CrMo等合金結構鋼較40、45碳素鋼的淬透層的截面相應增大。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。調質效果與淬透性有著密切關系，淬得越透

4、，心部得到的馬氏體量越多，調質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，調質后其屈服強度s、伸長率、不數縮率、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，乃至調質性能接近正火狀態，調質就失去其提高性能的意義了。設計零件選用調質材料時，必須考慮鋼件淬透性與調質零件坯料尺寸的協調關系，保證工件調質熱處理后達到要求的機械性能，對鉆機關鍵部件尤應如此。要注意的是一些機械設計手冊上有關鋼材調質機械性能數據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

5、材的主要依據。緊固螺栓、連杠等杠類零件，主要工作于拉(壓)應力狀態，整個截面受到較均勻的拉(壓)應力，為此，其整個截面必須淬透，保證性能達到一致。如在動態下工作，且受力較大的拉杠與六角螺栓(1218 mm)用淬透性好的40Cr鋼進行調質，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鋼進行調質，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、扭轉應力狀態，最大復合應力發生在軸外緣，而心部很小，為此，表面強度要求高些，調質軸表面3R/4R/2淬硬即可，不必全截面淬透。如鉆機中1622 mm

6、軸徑，不直接傳動負荷的光軸。用45鋼調質至HB241286，局部要求耐磨再進行高頻表面淬火，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鋼調質硬度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，經同樣熱處理至表面相同硬度，但使用中易發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

7、，調質后屈強比s/b顯著下降，彎曲強度bb也降低，達不到要求的強度設計值。至于屈服強度s為軸類零件主要設計指標，且尺寸和質量大小又有所限制時，應選淬透性好的材料，以保證性能要求。4860 mm負荷較重的輸出軸，應采用淬透性好的35CrMo鋼取代 40Cr鋼進行調質。齒輪類工件主要工作于交變壓應力與彎曲應力狀態，要求齒部有較多的接觸疲勞強度與彎曲疲勞強度，而調質件的疲勞極限隨淬火馬氏體量的增多而提高，為此要做到全齒部位截面淬透，保證達到調質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m4的低速從動齒輪采用45鋼調質；而對負荷相對較重，有一定沖擊的齒輪采用40Cr鋼調質；轉

8、速提高，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m45的齒輪，特別是軸齒輪，采用40Cr鋼調質再高頻表面淬火，使用中常發生斷齒、齒扭曲變形等過早失效現象。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鋼調質會改變效果(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。同種鋼材的各種調質零件，在淬透性滿足要求的前提下，根據不同的使用強度要求，提出不同的調質硬度值，只要塑韌指標保證在要求的范圍(強度與硬度成正比，塑韌性隨硬度的提高而下降)，充分發揮材料強度的

9、潛力。42 mm的輸出軸、過橋軸、40Cr鋼調質硬度HB217255，使用中相對易彎曲失效，將其調質硬度提高至HB241286，效果明顯得到改觀。又如模數m3的大齒輪，45鋼調質硬度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，將其調質硬度提高至HB241286，小齒輪高頻淬火硬度由HRC4855調整至HRC4550，達到較好效果。選用調質鋼時，在淬透性滿足要求的前提下，也要考慮降低材料使用成本和加工成本。低合金結構鋼與碳素結構鋼在完全淬透的情況下，經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，一般考慮用碳素結構鋼，而不用合金結構鋼

10、。如小的定位銷、撐腳、螺栓等常用45鋼調質。軸類、齒輪類部分截面淬透即可滿足性能要求，而不必選用全截面淬透鋼材；在淬透性滿足性能要求時，提高調質硬度滿足較高負荷，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鋼調質，硬度HB207269。從銷軸使用性能看，應是較高的強度，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鋼調質的強韌性不會比35CrMo

11、鋼差，45鋼調質也可勝任了。(2)一些鉆機中軸徑60 mm的花鍵軸，卷揚軸采用價格貴、罕用、淬透性較40Cr鋼差的30CrMnTi鋼，調質硬度HB230270。其坯料調質淬火時表面淬硬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質軸似乎失去其使用價值，且不能勝任。此時應考慮采用淬透性好的價格相對低些的35CrMo、42CrMo、35CrMnMo等鋼，調質后保證淬透層達R/2處，能勝任大扭力矩與疲勞極限及一定的沖擊負荷。若實際負荷較小，可考慮減小

12、軸徑，或采用40Cr鋼，以節約材料成本。調質選材時熱處理工藝性也應加以考慮。如小孔徑內花鍵軸套、內齒輪等調質件，鑒于內孔淬火冷卻差，影響其內孔淬透層深度，從而使其運行機械性能降低，應選用淬透性相對較好的鋼材，保證調質達到要求的性能。又如碳鋼壁薄(壁厚10 mm)的鋼套及形狀復雜截面懸殊的盤套，調質淬火變形大，易發生開裂，改用40Cr鋼調質效果較好。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(HRC5

13、565)、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(HRC43)，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、沖擊輕微、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

14、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的強度也較高。低碳鋼滲碳淬火與中碳鋼調質(正火)高頻表面淬火，雖二者都是提高零件表面硬度、耐磨性及疲勞強度，但使用時應有區分。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

15、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質心部的強韌性均較低碳鋼滲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(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，使用中常發生斷齒等過早損壞現象，影響了鉆機的正常運行。對此，應考慮采用20CrMnTi鋼滲碳淬火取代40Cr鋼調質與高頻淬火，雖然制造成本高了些，但一頂幾用，還是利大于弊。氮化運用問題。氮化工件具有表面硬度高，耐磨性好，抗蝕性強及較高的疲勞強度，特別是熱處理變形小等特點。主要用于高速下相對滑動，易發生干摩擦的二個精密零件，如機床主軸、鏜桿等；要

16、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，轉速相對較低，振動較大，要求高的彎曲強度及接觸疲勞強度的齒輪是不適用的。鉆機齒輪用40Cr鋼調質后氮化取代20CrMnTi鋼滲碳淬火，事實證明，得不償失。氮化層薄(厚度0.7 mm)，且脆，心部調質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勞強度比滲碳淬火的低得多。若有些零件確需耗時50 h以上的氮化來提高質量，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

17、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，硬度與強度提高，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，提高了零件使用壽命，且經濟。3.2鑄鋼鉆機中換擋拔叉，一般形狀比較復雜，慣用成型簡單的鑄鋼ZG45制造，熱處理后使用總的講還可以

18、。但一些換擋頻繁，扭力較大的拔叉常易斷叉損壞，對此應考慮用鍛鋼取代，以提高質量。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，成本低。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，達到經濟實用的效果。設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、缸筒等也可加以運用，保證質量、降低成本。同時，應注意的是石墨對基體連續性有一定中斷作用

19、，對零件強韌性有一定影響，在動態下工作，尤其承受抗拉、沖擊負荷較大的關鍵部件應慎用。4結語(1)調質件淬透層的深淺，決定其機械性能的高低。(2)鉆機零件根據服役條件選用調質鋼材，必須考慮工件截面尺寸對淬透性的影響。在淬透層達到要求的前提下進行調質方可得到要求的機械性能。同時調整調質硬度的高低，滿足不同的使用強度要求。(3)滲碳鋼選材也以淬透性為主，心部要求較高強韌性，一般選用低碳合金鋼，否則選用低碳鋼。(4)充分發揮材料的潛力，盡量選用符合零件性能要求的材料，以提高經濟效益。 軸的常用材料及其機械性能   軸的材料種類很多，選用時主要根據對軸的強度、剛度、耐磨性等要求，以及

20、為實現這些要求而采用的熱處理方式，同時考慮制造工藝問題加以選用，力求經濟合理。    軸的常用材料是優質碳素鋼35、45、50，最常用的是45和40Cr鋼。對于受載較小或不太重要的鋼，也常用Q235或Q275等普通碳素鋼。對于受力較大，軸的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的軸，可采用合金鋼，常用的有40Cr、40MnB、40CrNi等。    球墨鑄鐵和一些高強度鑄鐵，由于鑄造性能好，容易鑄成復雜形狀，且減振性能好，應力集中敏感性低，支點位移的影響小，故常用于制造外形復雜的軸。    特別是我國研制

21、成功的稀土-鎂球墨鑄鐵，沖擊韌性好，同時具有減摩、吸振和對應力集中敏感性小等優點，已用于制造汽車、拖拉機、機床上的重要軸類零件，如曲軸等。    根據工作條件要求，軸都要整體熱處理，一般是調質，對不重要的軸采用正火處理。對要求高或要求耐磨的軸或軸段要進行表面處理，以及表面強化處理(如噴丸、輻壓等)和化學處理(如滲碳、滲氮、氮化等)，以提高其強度（尤其疲勞強度）和耐磨、耐腐蝕等性能。    在一般工作溫度下，合金鋼的彈性模量與碳素鋼相近，所以只為了提高軸的剛度而選用合金鋼是不合適的。    軸一般由軋制圓鋼

22、或鍛件經切削加工制造。軸的直徑較小時，可用圓鋼棒制造；對于重要的，大直徑或階梯直徑變化較大的軸，多采用鍛件。為節約金屬和提高工藝性，直徑大的軸還可以制成空心的，并且帶有焊接的或者鍛造的凸緣。    對于形狀復雜的軸（如凸輪軸、曲軸）可采用鑄造。軸的常用材料及其機械性能(MPa)材料牌號熱處理毛坯直徑(mm)硬度HB抗拉強度b屈服強度s彎曲疲勞極限-1扭轉疲勞極限-1許用彎曲應力備  注+10-1Q235-A-4402401801051257040    用于不重要或載荷不大的軸20正火25156420250180100125

23、7040用于載荷不大，要求韌性較高的場合。正火回火100>100300>300500>50070010315640038037036022020019018016515515014595908580125704035正火25875403202301301657545用于有一定強度要求和加工塑性要求的軸。正火回火100>100300>300500>500750>75010001491871431871371875205004804604402702602402302202102051901851751201151101051001657545調質100&

24、gt;100300156207560540300280230220130125175855045正火252416103602601501959555應用最廣泛。正火回火100>100300>300500>5007501702171622171562176005805605403002902802702402352252151401351301251959555調質2002172556503602701552151006040Cr調質25100080048528024512070用于載荷較大，而無很大沖擊的重要軸。100>100300>300500>50080

25、02412862292692172557507006506005505004503503503202952552001851701452451207035SiMn42SiMn調質2590075044525524512070性能接近40Cr，用于中小型軸。100>100300>300400>4005002292862172692172551962558007507006505204504003803553202952752051851701602451207040MnB調質25100080048528024512070性能同40Cr，用于重要的軸。200241286750500

26、3351952451207040CrNi調質25100080048528028513075用于很重要的軸35CrMo調質2510085050028524512070性能接近40CrNi，用于重載荷的軸。100>100300>300500>5008002072697507006506005505004504003503202952702001851701552451207038SiMnMo調質100>100300>300500>50080022928621726919624118724175070065060060055050040036033531027021019517515527512070性能接近于35CrMo。37