零件材料的选用
9页1、0 1调质钢含碳量 0.30%0.50%的中碳结构钢与中碳低合金结构钢经调质后具有良好的综合机械性能,即具有较高的抗拉强度, b7001100 MPa,又具有较高的塑韧性(伸长率)8%10%,不收缩率45%55%,冲击值 k60100 J/cm 2。调质是指中碳(低合金)结构钢先进行淬火得马氏体组织(或马氏体为主体的组织),尔后再 550650 高温回火得回火索氏体组织。同一轴径选用不同钢材的工件采用不同调质工艺处理至同一硬度,得到的机械性能产生差异;不同轴径选用同一钢材的工件采用相同的调质工艺处理,各自的机械性能也产生差异,这一现象的产生是钢材淬透性这一特性造成的。通俗地讲,淬透性是钢材能够被淬透的能力接受淬火成马氏体的能力。淬透性与工件截面厚度有一定关系,即所谓尺寸效应,截面尺寸增大,淬透层深度减小。合金结构钢较碳素结构钢的淬透性高。40Cr、35CrMo 等合金结构钢较 40、45 碳素钢的淬透层的截面相应增大。如全淬透截面尺寸:45 钢水淬 1218 mm,油淬 58 mm,淬透已不易;40Cr 钢油淬 1832 mm;35CrMo 钢油淬 2540 mm。而40Cr 钢 50
2、 mm 料油淬工件表面 158 mm 淬硬已较难, 6070 mm 工件油淬则几乎无淬硬层。调质效果与淬透性有着密切关系,淬得越透,心部得到的马氏体量越多,调质处理后的综合机械性能也越好,若零件尺寸超出全淬透尺寸,调质后其屈服强度 s、伸长率 、不数缩率 、冲击值 k等都要降低,其降低程度随淬透层深度的减小而增大,乃至调质性能接近正火状态,调质就失去其提高性能的意义了。设计零件选用调质材料时,必须考虑钢件淬透性与调质零件坯料尺寸的协调关系,保证工件调质热处理后达到要求的机械性能,对钻机关键部件尤应如此。要注意的是一些机械设计手册上有关钢材调质机械性能数据 s、 k等大多是在完全淬透(标有标准试样尺寸)的条件下得到的,工件实际能达到的机械性能往往要比此值低,乃至相差甚远。根据零件工作条件,分析受力情况,确定正常运行所要求的机械性能是选材的主要依据。紧固螺栓、连杠等杠类零件,主要工作于拉(压)应力状态,整个截面受到较均匀的拉(压)应力,为此,其整个截面必须淬透,保证性能达到一致。如在动态下工作,且受力较大的拉杠与六角螺栓( 1218 mm)用淬透性好的 40Cr 钢进行调质,而不采用 45
3、 钢,避免了不能完全保证心部淬透而造成对性能的不良影响。对 2530 mm 柴油机连杠不采用 40Cr 钢,而用淬透性更好的 42CrMo 钢进行调质,也是基于上述截面性能一致的理由。曲轴、主轴等轴类工件工作于弯曲、扭转应力状态,最大复合应力发生在轴外缘,而心部很小,为此,表面强度要求高些,调质轴表面 3R/4R/2 淬硬即可,不必全截面淬透。如钻机中 1622 mm轴径,不直接传动负荷的光轴。用 45 钢调质至 HB241286,局部要求耐磨再进行高频表面淬火,完全可满足使用的性能要求,而没必要采用价格高的 40Cr 钢,乃至 35CrMo 钢进行同样的热处理。对负荷较大的轴必须保证轴径 3R/4R/2 表层部分淬硬,如钻机中的输出轴,轴径42 mm,采用 40Cr 钢调质硬度 HB217255 或 HB241286(有的在花键部分高频表面淬火),使用情况良好。而 4860 mm的 40Cr 钢输出轴,经同样热处理至表面相同硬度,但使用中易发生塑性扭曲变形而过早失效。原因在于后者不能做到截面 3R/4 以上表层淬硬,乃至有时(因钢材成分波动等原因)表面也难淬硬(HRC45),随着淬透
4、层的减少,调质后屈强比 s/ b显著下降,弯曲强度 b也降低,达不到要求的强度设计值。至于屈服强度 s为轴类零件主要设计指标,且尺寸和质量大小又有所限制时,应选淬透性好的材料,以保证性能要求。 4860 mm 负荷较重的输出轴,应采用淬透性好的 35CrMo 钢取代 40Cr 钢进行调质。齿轮类工件主要工作于交变压应力与弯曲应力状态,要求齿部有较多的接触疲劳强度与弯曲疲劳强度,而调质件的疲劳极限随淬火马氏体量的增多而提高,为此要做到全齿部位截面淬透,保证达到调质齿轮要求的机械性能。鉴于不完全淬透对机械性能的影响,对负荷较轻、模数 m4 的低速从动齿轮采用 45 钢调质;而对负荷相对较重,有一定冲击的齿轮采用 40Cr 钢调质;转速提高,要求一定耐磨性时则进行齿廓部位高频淬火。钻机中有些齿宽 B40 mm,模数 m45 的齿轮,特别是轴齿轮,1 采用 40Cr 钢调质再高频表面淬火,使用中常发生断齿、齿扭曲变形等过早失效现象。齿轮要求强度的同时,还得有一定塑韧性配合,对此,用淬透性好的 35CrMo、40CrNi 等钢取代 40Cr 钢调质会改变效果(高频淬火保证齿沟硬化)。当然,对一些
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