淺談鉆機(jī)配件材料的選取

選購一批優(yōu)質(zhì)的鉆機(jī)配件，直接決定了鉆機(jī)的質(zhì)量及在市場競爭力。鉆機(jī)配件的設(shè)計離不開科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)地選用材料，既要考慮配件的工作情況，又要考慮配件尺寸與質(zhì)量限制，以及材料的經(jīng)濟(jì)適用與使用方便等，正確選材是比較復(fù)雜的。鉆機(jī)配件中用得較為常見的材料主要由調(diào)質(zhì)鋼，滲碳鋼，低碳馬氏體，鑄鋼 ，球墨鑄鐵等。

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(jī)械性能，即具有較高的抗拉強(qiáng)度，又具有較高的塑韌性，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(jī)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(jī)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。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(jī)械性能也越好。鉆機(jī)配件選用調(diào)質(zhì)材料時，必須考慮鋼件淬透性與調(diào)質(zhì)配件坯料尺寸的協(xié)調(diào)關(guān)系，保證工件調(diào)質(zhì)熱處理后達(dá)到要求的機(jī)械性能，對鉆機(jī)關(guān)鍵配件尤應(yīng)如此。

選用調(diào)質(zhì)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。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(qiáng)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(diào)質(zhì)硬度滿足較高負(fù)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。 

鉆機(jī)φ20～40 mm銷軸用35CrMo鋼調(diào)質(zhì)，硬度HB207～269。從銷軸使用性能看，應(yīng)是較高的強(qiáng)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碳素鋼等價格較低的鋼，熱處理硬度HRC30～45。若硬度HB207～269的強(qiáng)度下適合銷軸的使用要求，則選45鋼調(diào)質(zhì)。鉆機(jī)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(diào)質(zhì)硬度HB230～270。其坯料調(diào)質(zhì)淬火時表面淬硬HRC≥42也較難達(dá)到，3R/4 軸徑表層基本無淬硬層，回火到HB230～270的硬度并不能表明其達(dá)到設(shè)計要求的機(jī)械性能。該鋼主要用于大截面滲碳淬火負(fù)荷工件。用于較大負(fù)荷大軸徑調(diào)質(zhì)軸似乎失去其使用價值，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(dá)R/2處，能勝任大扭力矩與疲勞極限及一定的沖擊負(fù)荷。若實際負(fù)荷較小，可考慮減小軸徑，或采用40Cr鋼，以節(jié)約材料成本。 

2 滲碳鋼 

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(HRC55～65)、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(HRC＜43)，保持較高的塑韌性。廣泛用于要求表面耐磨、心部韌的配件。15、20等低碳鋼，因淬透性差，滲碳淬火后心部強(qiáng)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(qiáng)度的小工件，如軸套、鏈條、小水閥等。配件表面要求耐磨，心部又要求有良好的強(qiáng)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(fù)荷和沖擊負(fù)荷的活塞銷、銷軸等常采用20Cr鋼滲碳淬火；對交變負(fù)荷重、沖擊較大的鉆機(jī)齒輪(截面≤30～35 mm)，則采用20CrMnTi鋼滲碳淬火。20CrMnTi鋼滲碳淬火晶粒細(xì)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(qiáng)度高(HRC30～43)，同時又有較高的塑韌性(αk≥100 J/cm2)；對負(fù)荷更重的大截面(工件壁厚≥35～40 mm)的滲碳齒輪，可同重型拖拉機(jī)、汽車一樣，采用30CrMnTi鋼，保證心部較高強(qiáng)度，且心部與滲碳層過渡區(qū)的強(qiáng)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，雖二者都是提高配件表面硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，但使用時應(yīng)有區(qū)分。一般講，低碳鋼淬火主要用于σb＝700～1000 Mpa的較大負(fù)荷及沖擊較大、中低速的齒輪，花鍵軸類等鉆機(jī)配件；而中碳鋼高頻表面淬火則用于相對負(fù)荷較輕(400～700 Mpa)，沖擊較小的齒輪、軸類等配件。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(qiáng)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(shù)(m＝5～6)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(jī)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，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(qiáng)及較高的疲勞強(qiáng)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配件，如機(jī)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(jī)中交變負(fù)荷較重，轉(zhuǎn)速相對較低，振動較大，要求高的彎曲強(qiáng)度及接觸疲勞強(qiáng)度的齒輪是不適用的。鉆機(jī)齒輪用40Cr鋼調(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)強(qiáng)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(jī)齒輪最需要的接觸疲勞強(qiáng)度比滲碳淬火的低得多。若有些配件確需耗時50 h以上的氮化來提高質(zhì)量，選用廣泛使用的30CrMoAl鋼為佳。 

3 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(HRC30～45)與強(qiáng)度，又有較高的塑韌性，特別是材料強(qiáng)度與塑性復(fù)合抗力指標(biāo)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(qiáng)度提高，但塑韌性下降，斷裂韌性KIC也隨著下降。在較高強(qiáng)度(HRC＞30)時，其斷裂韌性與塑韌性均較低碳鋼淬火的低得多。鉆機(jī)中有些螺栓、銷子、墊圈等配件要求較高強(qiáng)度，常采用45鋼或40Cr鋼，熱處理硬度HRC35～45，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(HRC32～45)及斷裂韌性KIC也較高的配件，采用15MnVB等低碳鋼淬火，低溫回火到要求的硬度，提高了配件使用壽命，且經(jīng)濟(jì)。 

4 鑄鋼 

鉆機(jī)中換擋拔叉，一般形狀比較復(fù)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，以提高質(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(jī)械性能達(dá)不到要求。 

5 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，特別是配件成型簡單，成本低。鉆機(jī)中一些要求一定強(qiáng)度(σb＜600 Mpa)與耐磨性，沖擊值不大(αk≤30～50 J/cm2)，鍛鋼成型加工復(fù)雜的配件，如曲軸、連杠等采用球墨鑄鐵制造，達(dá)到經(jīng)濟(jì)實用的效果。設(shè)計配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，保證質(zhì)量、降低成本。同時，應(yīng)注意的是石墨對基體連續(xù)性有一定中斷作用，對配件強(qiáng)韌性有一定影響，在動態(tài)下工作，尤其承受抗拉、沖擊負(fù)荷較大的關(guān)鍵部件應(yīng)慎用。