王俊豪，姜肖軍

（ 1、浙江永康石柱電器廠，浙江永康 321301；2、浙江東川電器有限公司，浙江武義 321200 ）

淺談錘鎬電機(jī)軸的選材及熱處理

王俊豪1，姜肖軍2

（ 1、浙江永康石柱電器廠，浙江永康 321301；2、浙江東川電器有限公司，浙江武義 321200 ）

根據(jù)電錘、電鎬的工作特點(diǎn)，結(jié)合電機(jī)軸類的實(shí)際要求，介紹碳素調(diào)質(zhì)鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、低合金滲碳鋼等材料選擇以及采用的熱處理方式，并作分析比較。

電錘、電鎬 電機(jī)軸 熱處理

0 引言

電錘、電鎬作為一種以實(shí)現(xiàn)沖擊破碎或鉆孔等功能為主的電動(dòng)工具，有效替代了傳統(tǒng)的手工敲打、破碎作業(yè)方式，在建筑裝潢以及道路礦山等施工場(chǎng)所得到廣泛應(yīng)用。

1 工作特點(diǎn)

電錘、電鎬以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，帶動(dòng)壓縮空氣沖擊機(jī)構(gòu)（電鎬以電磁鐵帶動(dòng)）和一個(gè)減速機(jī)構(gòu)，輸出扭矩和沖擊能量或單獨(dú)輸出沖擊能量，使鉆頭實(shí)現(xiàn)沖擊和旋轉(zhuǎn)切削功能，或使鑿具往復(fù)實(shí)現(xiàn)沖擊功能，以達(dá)到在混凝土、巖石等材料上鉆孔或鑿切破碎目的。所以，電錘、電鎬在使用中沖擊力和振動(dòng)較大。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)人工普遍上漲，從成本角度考慮，用戶對(duì)電錘、電鎬的工作效率要求也隨之增加，尤其是針對(duì)錘鎬沖擊效能的提升。

對(duì)于組成電錘、電鎬機(jī)械傳動(dòng)的主要零部件——齒輪、電機(jī)軸等，一般應(yīng)具有轉(zhuǎn)速高，啟動(dòng)頻繁，工作時(shí)受沖擊負(fù)荷大，潤(rùn)滑不良，易升溫，振動(dòng)大等特點(diǎn)，同時(shí)要求電機(jī)軸具有更高強(qiáng)度以及更好的耐沖擊韌性和耐磨性等。因此，根據(jù)其工作情況合理選擇材料和適宜的熱處理手段是錘鎬產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員預(yù)先應(yīng)考慮的問(wèn)題。

2 材料

電錘、電鎬組成的第一級(jí)齒輪直接在電機(jī)軸上滾齒，使用時(shí)產(chǎn)生的沖擊震動(dòng)對(duì)齒輪及電機(jī)軸的工作環(huán)境極為不利，電機(jī)軸上的齒數(shù)少，所以對(duì)電機(jī)軸材料性能要求應(yīng)更高。

2.1碳素調(diào)質(zhì)鋼

電錘、電鎬的齒輪、軸類零件，其良好的力學(xué)性能是通過(guò)對(duì)材料的選用以及熱處理強(qiáng)化方法獲得的。早期的電動(dòng)工具中通常采用45號(hào)鋼作為軸類材料，但45號(hào)鋼通過(guò)淬火得到的最佳硬度僅為44～48 HRC。碳鋼一般用水淬火，變形和開(kāi)裂傾向較大，只適應(yīng)于制造載荷較低、轉(zhuǎn)速中等、形狀簡(jiǎn)單且尺寸較小的軸類，顯然已經(jīng)不能適應(yīng)錘鎬類要求，僅少量應(yīng)用于齒數(shù)較多的大齒輪上。

2.2合金調(diào)質(zhì)鋼

合金調(diào)質(zhì)鋼是指經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）后使用的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，在切削加工成形前必須對(duì)坯料進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，使材料的金相組織主要是回火索氏體狀態(tài)硬度控制在180～230 HB之間，以利于切削加工。零件成形后再進(jìn)行熱處理，如整體淬火、表面感應(yīng)加熱淬火處理等。40Cr鋼是應(yīng)用最廣泛的合金調(diào)質(zhì)鋼，屬低淬透性調(diào)質(zhì)鋼。另外，目前業(yè)內(nèi)大量使用的42CrMo，屬高淬透性調(diào)質(zhì)鋼。

2.3低合金滲碳鋼

基于錘鎬電機(jī)軸必須耐沖擊交變載荷，軸表面強(qiáng)度和耐磨性要求高的特點(diǎn)，這種表硬心韌的軸類，一般采用20CrMnTi或20CrMo等鋼材。這類鋼經(jīng)表面滲碳淬火即可以達(dá)到錘鎬電機(jī)軸的制造要求。

3 工藝

感應(yīng)加熱表面淬火是錘鎬類電機(jī)軸及齒輪熱處理工藝選擇中被廣泛應(yīng)用的一種熱處理方式。它利用電磁感應(yīng)的原理，使零件在交變磁場(chǎng)中切割磁力線，在表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，又根據(jù)交流電集膚效應(yīng)，以渦流形式將零件表面快速加熱，而后急冷。該種熱處理方式可控性好、速度快、生產(chǎn)效率高。

3.140Cr熱處理

由于真空淬火要求電機(jī)軸應(yīng)豎起（每根都要插到專用夾具中），過(guò)程繁瑣，且邊緣部分材料往往會(huì)造成硬度不足或不均勻等現(xiàn)象，逐漸不再采用而以表面高頻感應(yīng)淬火替代。40Cr最佳硬度為48～52 HRC，過(guò)高則淬火變形量大，脆性增大，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中易出現(xiàn)崩齒現(xiàn)象。按此方法淬火的電機(jī)軸在電錘功率為800 W的情況下，放置試驗(yàn)臺(tái)架上施加100 N的壓力開(kāi)35 s停20 s，試驗(yàn)時(shí)間在50～60 h（凈時(shí)間約32～38 h）即告崩齒或剃齒，效果不理想。

3.242CrMo熱處理

采用42CrMo作為電錘的電機(jī)軸，模數(shù)為1.25 mm，齒數(shù)為6，全齒高為2.6 mm，其技術(shù)要求如下：

1）硬化層深度為0.5～0.7 mm；

2）表面硬度為54～58 HRC；

3）內(nèi)部硬度為40～44 HRC；

4）無(wú)裂紋。

由于42CrMo的淬透性較好，普通高頻感應(yīng)加熱淬火處理易造成齒部與芯部硬度接近產(chǎn)生脆性，所以我們采用自動(dòng)控制高頻感應(yīng)加熱電源，淬火介質(zhì)為水溶性淬火液KR6480（調(diào)配成10%水溶液），表面淬火工藝參數(shù)為250 kHz、60 kW，移動(dòng)速度為7.5 mm/s，轉(zhuǎn)速為180 r/min。回火設(shè)備為電熱回火烘箱，回火工藝為200℃/2 h，空冷。將電機(jī)軸齒部中間部位沿徑向用線切割切下，通過(guò)金相顯微鏡對(duì)材料進(jìn)行分析。金相分析顯示：從外表面到0.6 mm處經(jīng)過(guò)高頻淬火后，此層為淬火馬氏體，平均硬度為600 HV，即55 HRC，中間過(guò)渡區(qū)為淬火馬氏體加回火索氏體，最中間硬度為227 HV，即20 HRC，至此說(shuō)明電機(jī)軸中心保持了前道工序熱處理的原始組織，該組織為回火索氏體。表面組織及芯部組織見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 表面組織

圖2 芯部組織

按此方法淬火的電機(jī)軸在功率為800 W，沖擊功為3 J的電錘上測(cè)試，放置試驗(yàn)臺(tái)架上施加100 N的壓力開(kāi)35 s停20 s，試驗(yàn)時(shí)間均在100 h以上（凈時(shí)間63 h以上），滿足使用要求，實(shí)際使用效果也較理想。按此方法淬火的電機(jī)軸在功率為1 010 W，沖擊功為4 J的電錘上測(cè)試，100 h左右（凈時(shí)間63 h左右），電機(jī)軸齒出現(xiàn)剃齒、輾擊失效情況，不能充分滿足使用要求，實(shí)際使用效果也有此反應(yīng)。

3.320CrMnTi熱處理

對(duì)20CrMnTi作為電鎬的電機(jī)軸，模數(shù)為1.25 mm，齒數(shù)為9，全齒高為2.5 mm，其技術(shù)要求如下：

1)滲碳層深0.5～0.7 mm；

2)表面硬度58～62 HRC；

3)芯部硬度35～40 HRC；

4)無(wú)裂紋。

由于20CrMnTi是低碳鋼，淬火工藝必須為：滲碳＋淬火＋回火。20CrMnTi是一種滲碳鋼，在加工前一般應(yīng)進(jìn)行正火處理。正火硬度為180～230 HB，以細(xì)化晶粒，改善組織分布，消除內(nèi)應(yīng)力，利于切削加工，為正常滲碳做好組織準(zhǔn)備。

滲碳：溫度為920～950℃，保溫時(shí)間按滲碳層深度確定，速度為0.15～0.2 mm/h，滲碳層深度為0.5～0.7 mm。

淬火：20CrMnTi在滲碳后直接進(jìn)行淬火，淬火介質(zhì)為10號(hào)機(jī)械油。滲碳后預(yù)冷至870～880℃并保持2 h后，直接淬火。淬火后表面硬度為58～63 HRC，芯部硬度為35～40 HRC。

回火：淬火后，工件內(nèi)部存在淬火應(yīng)力。為消除殘余應(yīng)力，選擇低溫回火。低溫回火溫度為180℃，保溫4 h出爐，空冷。

將電機(jī)軸齒部中間部位沿徑向用線切割切下，采用金相顯微鏡對(duì)材料進(jìn)行分析。金相分析顯示，從外表面到0.6 mm處經(jīng)滲碳淬火后，此層為高碳淬火馬氏體，平均硬度為700 HV，即60 HRC，芯部為板條淬火馬氏體加殘余奧氏體，平均硬度為360 HV，即39 HRC。表面組織及芯部組織見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 表面組織

圖4 芯部組織

按此方法淬火的電機(jī)軸在功率為1 500 W，沖擊功45 J的電鎬上測(cè)試，放置試驗(yàn)臺(tái)架上施加100 N的壓力開(kāi)35 s停20 s，試驗(yàn)時(shí)間達(dá)200 h以上（凈時(shí)間127 h以上），能滿足使用要求，實(shí)際使用效果較理想。

4 結(jié)語(yǔ)

上述三種材料通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，42CrMo比40Cr在性能上有很大的提高，基本可以滿足功率為800 W，沖擊功3 J的電錘使用要求。對(duì)于功率為1 000 W，沖擊功大于4 J的電錘，電鎬電機(jī)軸材料采用20CrMnTi或20CrMo才能滿足使用要求。應(yīng)注意20CrMnTi淬火變形量較大，淬火后需要調(diào)直處理才能使用。在噪音這一點(diǎn)上，20CrMnTi比42CrMo差，需要在熱處理工藝上進(jìn)一步提升，減少變形。成本上，20CrMnTi比42CrMo也高許多。所以，在材料的選擇使用階段，需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)工具自身的功率和使用特點(diǎn)，有目的選擇使用，物盡其用的材料和適宜的熱處理方法，可以收到物美價(jià)廉，事半功倍的效果。至于文中提到的幾類鋼具體的熱處理工藝和方法，各企業(yè)都不盡相同，隨著不同企業(yè)對(duì)熱處理后材料的增強(qiáng)方向不同而有差異，如以增加強(qiáng)度為主，或以增加韌性為主，或?yàn)槎呒娑兄?/p>

[1]吳賢澤.電動(dòng)工具的軸類齒輪零件的感應(yīng)加熱處理[J].電動(dòng)工具，2003 (2).

[2]顧俊杰等.42CrMo鋼高頻感應(yīng)淬火及回火對(duì)組織及硬度的影響[J].熱處理技術(shù)，2010 (11).

[3]劉翔.熱處理工藝對(duì)20CrMnTi齒輪組織與性能的影響[J].科技資訊，2010 (17).

On the Material Selection and Heat Treatment of Demolition Hammer Motor Shaft

Wang Junhao1, Jiang Xiaojun2
(1. Zhejiang Yongkang Shizhu Electric Appliance Factory, Yongkang 321301, China 2. Zhejiang Dongchuan Electric Appliance Co., Ltd., Wuyi 321200, China)

According to the working features of electric hammer and demolition hammer, combined with the actual requirements of motor shaft, this paper introduces the carbon quenched and tempered steel, alloy quenched and tempered steel, low alloy carburizing steel and other material selection and the way of heat treatment, and compared.

Electric hammer Demolition hammer Motor shaft Heat treatment

TG156

A

1674-2796（2014）04-0010-04

2014-05-20

王俊豪（1964—）男，本科，工程師，主要從事電動(dòng)工具的產(chǎn)品研發(fā)工作。