文海鵬
設計者要了解材料與熱處理之間的關系,知道零件在受拉壓負荷和扭矩工況下如何選取合適的材料。
設計者首先從零件在產品中的作用選取材料和結構形式,材料選擇可從以下幾方面考慮。
選取材料時,如果零件不是主要受力件或受力較小,可選取普通的碳素鋼;如果該零件受很大的載荷,首先要考慮零件的強度問題,這時可選取優(yōu)質碳素鋼或合金鋼來滿足零件所要求的強度,且中碳鋼和合金鋼要進行調質;一些零件受力不大,但易受疲勞載荷作用破壞;一些長期處在摩擦的場合,零件表面就需要很好的耐磨性,這時可采取表面處理工藝來提高抗疲勞性和耐磨性。
材料有熱處理要求時要考慮材料的淬透性能,材料的淬透性能首先與材料本身有關,其次與材料工件的厚度也有關。設計手冊上的材料工件厚度參數,是試塊試驗得出的,而試塊尺寸規(guī)格都較小,設計者要注意實際應用場合。
(1)淬透性對材料力學性能的影響 鋼淬火后能獲得淬硬層深度的性質叫淬透性。材料淬火后,從表面到內部馬氏體組織占50%處的距離為淬硬層深度。一般合金鋼的淬透性高于碳鋼,同一直徑為50mm的圓鋼,一個材料為45鋼,另一個為35CrMo鋼。淬火后35CrMo鋼從表面到心部完全淬透,其力學性能沿截面是均勻分布的,抗拉強度和屈服強度從表面到心部都一樣。淬火后再經過高溫回火,得到的組織從表面到心部都是回火索氏體組織。其中滲碳體呈粒狀分布,具有較高的強度和韌性。而45鋼,淬透性相對差些,心部沒有淬透,組織為片層狀索氏體,韌性較低,抗拉強度和屈服強度從表面到心部是降低的,韌性從表面到心部是增大的,其力學性能沿截面分布不均勻。
(2)影響淬透性的因素 影響淬透性的因素是臨界冷卻速度vk,此速度為全部獲得馬氏體組織的最小冷卻速度,此值越小,越易獲得馬氏體組織,表示鋼的淬透性強。亞共析鋼隨著含碳量的增加,將降低臨界冷卻速度,等溫轉變曲線右移,淬透性有所增加,過共析鋼隨著含碳量(質量分數)超過1.2%~1.3%時,臨界冷卻速度將升高,等溫轉變曲線左移,淬透性明顯降低,合金元素Mn、Mo、Cr、Al、Si、Ni等能降低鋼的臨界冷卻速度,使鋼的淬透性有較大的提高。如果設計的零件要求全部淬透,選取含以上合金元素的合金鋼將有利于提高材料的淬透性,淬火+回火后可達到零件所要求的性能。
(3)不同溫度回火后的性能 為發(fā)揮材料最佳性能,一些中碳鋼或合金鋼必須經過調質處理。根據材料使用的目的不同,可控制回火溫度得到不同的組織?;鼗饻囟仍?50~250℃,得到的組織為回火馬氏體,硬度為58~64HRC,這種回火主要是為了降低材料的殘余應力和脆性。一些工模具需要高硬度和較高的耐磨性能,經常采用低溫回火,得到所要的材料性能。回火溫度在350~500℃,得到的組織為回火托氏體,硬度為35~45HRC。中溫回火主要用于各種彈簧的處理,使其在保持一定韌性的同時具有高的彈性和屈服強度,回火溫度在500~650℃,得到的組織為回火索氏體,硬度為200~350HBW。如果設計的零件需要調質處理,在選材時注意材料的WC在0.27%~0.5%之間比較合適,含碳量過低不易淬硬,回火后達不到所需要的強度;含碳量過高則韌性不夠,綜合力學性能變差。
比如我廠不壓井修井機試驗拉桿(見圖1)是梯形螺紋聯接,規(guī)格為Tr120×10,承受拉力為1600kN,承受負荷較大。經過計算,螺紋要承受1600kN的拉力,螺紋的安全系數取3,經過計算要求材料屈服強度≥800MPa,材料的使用才安全。由于整個截面都要受力,要求該零件的表面和心部力學性能一致,故選取能全部淬透的鋼。優(yōu)質碳素鋼與合金鋼相比,合金鋼的淬透性優(yōu)于優(yōu)質碳素鋼,選取35CrMo鋼管,壁厚為45mm。該材料的淬透性值為42J/(11~32),J為末端淬透性,表示淬火后,在11~32mm距離處硬度為42HRC,油淬臨界直徑為31~90mm。
根據35CrMo鋼的淬透性曲線可知,在管子壁厚中間部位求得(32~46)J/22.5,表示鋼管完全淬透,完全滿足設計要求。經過調質處理后,硬度在290~320HBW,抗拉強度達到990MPa,合金鋼的屈強比在0.85左右,可知屈服強度可達840MPa左右。且整個截面基本淬透,表面的抗拉強度、屈服強度與心部基本一致,使材料承受抗拉壓能力達到最好性能。淬透后的組織從表面到心部都是回火索氏體組織,其中滲碳體呈粒狀分布,具有較高的韌性。如果材料中心沒有淬透,表面組織是回火索氏體,心部組織為片層狀索氏體。首先,表現的是其抗拉強度、屈服強度心部明顯下降,達不到所要求的屈服強度,當拉桿所受外負荷產生的應力大于材料的屈服強度時而被拉斷。其次,沖擊韌度和疲勞性能都降低,導致整體性能下降。可根據材料表面所需要的不同硬度,選取不同的回火溫度來控制其表面的硬度,該試驗拉桿用卡瓦進行夾持,太硬就會損壞卡瓦牙,太軟卡瓦牙就會打滑,夾持不住拉桿,無法使用,拉桿硬度在290~320HBW之間比較合適,因此淬火后回火溫度控制在400~440℃就可滿足硬度和強度要求。
我廠另一個試驗扭桿(見圖2),主要是來傳遞扭矩,最大扭矩為24kN·m。根據使用功能只能選取圓形截面的型材,如圓管和圓鋼。圓管重量相對于圓鋼比較輕,便于吊裝,可節(jié)約材料,降低設計成本,故選取圓管較合適。扭桿承受扭力時,圓管最外徑承受的剪切力最大,越往里承受的剪切力逐漸減小,心部不受剪切力,故要求材料厚度一半淬透即可,根據剪切強度和要承受的扭矩大小,選用45鋼管,壁厚20mm。該材料的淬透性值為43J/(1.5~3.5),水淬臨界直徑為5~20mm,經調質后屈服強度達305MPa以上,計算后鋼管最外圓所受的最大剪切力90.5MPa,通過計算后安全系數為2,完全滿設計要求。表面硬度為290~320HBW,滿足設計要求,該硬度接近油管的硬度,適合卡瓦牙的夾持,不需再選取淬透性高的材料。
除選用合適的材料外,了解一些提高材料抗疲勞強度和表面耐磨性能的熱處理方法及強化工藝,對設計選材有很大幫助。
我廠生產的滑輪比較多,滑輪槽常受鋼絲繩摩擦而易磨損,且承受載荷也不斷變化,因此滑輪槽表面要有一定的耐磨性和抗疲性。滑輪槽表面進行高頻感應淬火可提高耐磨性和抗疲勞性能。
圖1 拉桿
高頻淬火可在幾秒鐘內使工件表面上升到800~1000℃,而心部溫度仍接近室溫,表面已超過相變溫度(727℃)。此時工件表面發(fā)生相變形成奧氏體組織,淬火冷卻后變?yōu)殡[晶馬氏體組織。由于馬氏體比奧氏體體積大,因此表層金屬膨脹,受里層金屬的牽制,產生殘余壓應力,能提高疲勞強度,從而提高了零件的抗疲勞性能。設計滑輪時,選強度較高、塑性和韌性較好的ZG270-500,其wC為0.4%,屬中碳鋼(在0.4%~0.5%之間適合表面淬火)。如果含碳量過高,則會增加淬硬層脆性,降低心部塑性和韌性,淬火時易開裂,相反,則淬火后硬度和耐磨性達不到設計的要求。滑輪槽表面淬火后的硬度為40~50HRC,淬硬層深度為1.5~2.5mm。注意如果材料的綜合力學性能差,表面淬火之前材料要進行調質處理,可根據零件使用的目的來確定。
鉆機產品上用的齒輪,承受較重的載荷,齒與齒之間易磨損,齒表面需要較高的硬度以提高耐磨性能,而其他部位需要較好的韌性和塑性,故選用滲碳鋼比較合適。如20CrMnTi,wC在0.10%~0.25%之間,屬于低碳鋼,心部具有很好的韌性和塑性。用表面強化滲碳處理來提高齒表面的耐磨性能,滲碳后工件表面wC在0.85%~1.05%比較合適。滲碳一般選氣體滲碳,溫度在900~950℃。
滲碳后要進行低溫回火處理,表面得到細小片狀回火馬氏體及少量的滲碳體組織,硬度在56~62HRC。而心部組織隨鋼的淬透性不同而有所不同,如低碳鋼,心部組織為鐵素體和珠光體,硬度為10~15HRC,而低碳合金鋼20CrMNTi由于淬透性高,心部為回火低碳馬氏體及鐵素體組成,其硬度為35~45HRC,具有較高的強度和很好的韌性和塑性,但其滲碳淬火溫度高,零件變形大。最后要進行精加工處理,一般采用磨削加工,注意滲碳的深度要留出磨削加工余量。
另一個表面強化工藝滲氮,滲氮溫度在500~570℃,滲氮后在零件表面形成一層硬度很高的氮化物。因為滲氮層內具有較大的殘余壓應力,能抵消在疲勞載荷下產生的拉應力,延緩疲勞破壞過程,且滲氮層面是致密且連續(xù)分布,有效地提高了零件的抗腐蝕能力。由于滲氮溫度在A1(727℃)以下,滲氮后無需淬火即可達所需硬度,所以滲氮變形小。我廠的不壓井修井機上的卡瓦總成中有4個支架(見圖3),支架內側有精度較高的圓弧面及圓弧槽,外側為斜面,該斜面受力且易磨損導致零件失效。故選用淬透性較好的42CrMo合金鋼,粗車后調質處理。原材料采用鍛件,保證了毛坯的質量,為了保證4片支架的圓弧面同心,只有采用整體加工圓弧面和圓弧槽后切成4片,然后再加工其他地方。如果采用滲碳淬火處理,其變形大,影響加工過的尺寸精度,從而導致零件報廢,這時采用滲氮處理比較合適,且42CrMo材料中含有易滲氮的Cr、Mo等合金元素。滲氮處理后零件變形小,不影響圓弧面與圓弧槽的尺寸公差,滲氮后再對斜面進行精磨或研磨即可達到性能要求。由于滲氮層比較薄,厚度在0.24~0.5mm,要注意精加工余量。
由此可見,設計者掌握一些熱處理方面的知識,可指導合理選材,有助于提高設計質量,降低制造成本,提高生產效率及使用性能,延長產品使用壽命。
圖2 扭桿連接示意
圖3 支架示意