淺談鉆機配件材料的選取

選購一批優(yōu)質(zhì)的鉆機配件，直接決定了鉆機的質(zhì)量及在市場競爭力。鉆機配件的設(shè)計離不開科學、合理、經(jīng)濟地選用材料，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)濟適用與使用方便等，正確選材是比較復雜的。鉆機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械性能，即具有較高的抗拉強度，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。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。鉆機配件選用調(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)熱處理后達到要求的機械性能，對鉆機關(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的強度下適合銷軸的使用要求，則選45鋼調(diào)質(zhì)。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(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到設(shè)計要求的機械性能。該鋼主要用于大截面滲碳淬火負荷工件。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。配件表面要求耐磨，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≤30～35 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，心部強度高(HRC30～43)，同時又有較高的塑韌性(αk≥100 J/cm2)；對負荷更重的大截面(工件壁厚≥35～40 mm)的滲碳齒輪，可同重型拖拉機、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，雖二者都是提高配件表面硬度、耐磨性及疲勞強度，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的較大負荷及沖擊較大、中低速的齒輪，花鍵軸類等鉆機配件；而中碳鋼高頻表面淬火則用于相對負荷較輕(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(fā)生干摩擦的二個精密配件，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，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(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(HRC＞30)時，其斷裂韌性與塑韌性均較低碳鋼淬火的低得多。鉆機中有些螺栓、銷子、墊圈等配件要求較高強度，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。 

4 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。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，其機械性能達不到要求。 

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。鉆機中一些要求一定強度(σb＜600 Mpa)與耐磨性，沖擊值不大(αk≤30～50 J/cm2)，鍛鋼成型加工復雜的配件，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，對配件強韌性有一定影響，在動態(tài)下工作，尤其承受抗拉、沖擊負荷較大的關(guān)鍵部件應(yīng)慎用。