轴材料的机械性能大全讲解

浅谈钻机零件材料的选择无锡勘探机械厂王雪远摘要：钻孔零件材料的选择必须具有材料热处理后可实现的性能，并根据工作条件所需的机械性能，实现科学、经济、合理的材料选择。关键词：钻孔设备零件材料；调质；淬透性；淬火层；渗碳钻机零部件设计的优缺点直接决定了钻机的质量等级和在市场上的竞争力等。准确的材料选择比较复杂，包括钻机零件设计、科学合理、经济实惠的材料选择、零件工作和负载条件、零件尺寸和质量限制、材料的经济应用和可管理性等。钻机设计者必须将钢材料和热处理的知识集成到零件设计中，才能进入新的阶段。本文主要对钻井设备常用的调质钢、渗碳钢等提出了几点意见。1调质钢碳含量为0.30% 0.50%的中碳结构钢和中碳低合金钢在调质后具有良好的机械性能。即，拉伸强度高b=700 1100 MPa，塑料韧性(延伸率)=8% 10%，无收缩=45% 55%，冲击值k=60 100j/淬火和回火是指碳(低合金)结构钢先淬火马氏体(或基于马氏体的组织)，然后在550 650高温下回火的烧结组织。对于相同的硬度，选择不同的钢坯作为不同的调质工艺，机械特性会有所不同。在不同轴直径上选取相同钢的公母模仁胚料，使用相同的调质工艺，每个机械性质也会发生差异，这是由钢的淬透性性质引起的。一般来说，淬透性是钢淬火的能力，是淬火到马氏体的能力。淬透性与工件截面厚度有关。即，称为大小效应，剖面大小增大，淬火层深度减小。合金结构钢比碳素结构钢的淬透性高。合金结构钢(如40Cr、35CrMo)比40、45碳钢的淬火层截面相应增加。完全硬化截面尺寸：45钢12 18 mm淬火，油5 8 mm淬火，淬火不容易；40Cr钢油淬火18 32mm35CrMo钢油淬火25 40mm。40Cr钢50 mm材料油淬火工件表面158 mm硬化困难， 60 70mm工件油淬火几乎没有硬化层。调质效果与硬化密切相关，淬火后的马氏体数量越多，淬火回火后的综合机械特性越好，零件尺寸超过总淬火尺寸时淬火强度s、伸长、无水收缩、冲击值k等减少，淬火层深度减少时增加，或者淬火回火性能接近淬火状态时，淬火回火性能失去了提高其性能的意义在设计零件上选择调质材料时，对于特别重要的零件，必须考虑钢零件淬火回火零件毛坯尺寸之间的调整关系，以满足热处理后所需的机械特性。需要注意的是，在某些机械设计手册中，钢淬火和回火机械特性数据s、k等大部分是在以标准样品大小表示的完全淬火条件下获得的，工件实际获得的机械特性往往比这低得多，甚至相差很大。根据零件工作条件分析应力状况，确定正常运行所需的机械特性，是材料选择的主要基础。要拧紧主要在拉伸(压缩)应力状态下工作的螺栓、连接条和其他钢筋零件，整个截面将受到均匀拉伸(压缩)应力，因此必须淬火整个截面以确保一致的性能。使用硬化性好的40Cr钢代替45钢动态工作，不能完全保证芯的淬火，防止对性能产生不利影响。 25 30mm柴油机杆不是40Cr钢，而是淬火性好的42CrMo钢，淬火回火也是由于这种截面性能的一致原因。曲轴、主轴和其他轴毛坯在弯曲、扭应力状态下工作，最大复合应力发生在轴外侧边上，但中心较小，因此表面强度更高，只要淬火和回火轴表面3r/4至r/2淬火，就无需淬火整个截面。不直接传递载荷的光轴，例如钻孔装备的 16-22mm轴直径。用45钢淬火回火至HB241286，是耐磨的高频表面淬火，价格高的40Cr钢或35CrMo钢无需进行相同的热处理，就能充分满足使用要求。负载较大的轴必须保证轴直径3r/4 r/2曲面部分淬火，例如钻孔设备的输出轴、轴直径42 mm、40Cr钢淬火回火硬度HB217255或HB241286(某些高频曲面的花键部分淬火)。 48 60mm的40Cr钢输出轴以相同的硬度在表面热处理，但塑料扭曲变形很容易提前失败。这是因为超过3R/4节的表面淬火或有时(由于钢成分的波动等)表面淬火困难(HRC 35mm)渗碳和淬火载荷工件。大负载中使用的大型轴直径淬火和回火轴似乎失去了其价值，无法承受。此时，应使用相对较低的35CrMo、42CrMo、35CrMnMo等钢，使淬火层达到R/2，使其能承受较大的扭矩和疲劳极限以及特定的冲击载荷。如果实际负载较小，建议减小轴直径或使用40Cr钢来降低材料成本。在调质材料选择中，还应考虑热处理工艺。小直径内花键轴套、内齿轮等淬火回火零件由于内孔淬火冷却不良，影响了内部淬火层深度，使工作机器性能下降，必须选择淬透性较好的钢，以达到淬火回火所需的性能。碳钢薄壁(壁厚小于10mm)时，钢外壳和复杂截面大的圆盘套筒具有较大的调质变形，容易发生裂纹，40Cr钢具有良好的淬火回火效果。两条渗碳钢20、20Cr、20CrMnTi等碳量为0.15% 0.25%的低碳(低合金)钢经过渗碳热处理后，表面(0.5 2.0mm)的碳量达到0.8% 1.05%，心脏仍然保持原来的碳量淬火和低温回火后，表面组织为高碳马氏体和碳化物、高硬度(HRC5565 65)、耐磨性；心脏组织由低碳马氏体或低碳马氏体和铁氧体等组成，保持硬度低(HRC 30)高时，断裂韧性和塑性韧性远远低于低碳钢的淬火。钻机的某些螺栓、销、垫圈等零件需要高强度，经常使用45钢或40Cr钢、热处理硬度h rc35 45，但效果不理想，经常发生早期破坏失败。热处理是最终工艺，中等硬度(HRC 32 45)和断裂韧性KIC也是高零件，增加了零件寿命，从15MnVB等低碳钢的淬火低温回火到所需硬度，经济实惠。3.2铸钢钻机移位叉，通常形状更复杂，一般是简单的铸钢ZG45制造成型，热处理后使用总钢。但是，一些变速频繁、扭力大的叉子往往容易损坏叉子，为了提高质量，必须考虑换成锻钢。铸钢的成分大幅度波动，夹杂物、分离、松散等缺陷难以避免，各向异性明显，机械特性达不到要求。3.3球铁球墨铸铁具有良好的冲击性、高耐磨性、良好的可加工性，特别是零件成型简单，成本低。某些钻机具有不变的强度( b 600 MPa)、耐磨性和冲击值不大(k30 50j/cm2)，锻钢用球铁制造曲轴、连续棒材等复杂零件，具有经济实用的效果。设计零件是用球墨铸铁而不是锻钢制造的，充分利用简单形状的特长(例如压力、弯曲、耐磨性、活塞环、气缸等)，确保质量，降低成本。此外，请注意石墨对基体连续性有一定的干扰作用，对零件的强韧性有一定的影响，并且动态工作，特别是承受拉伸和冲击载荷较大的主要零件要小心使用。4结束语(1)淬火层的深度决定机械性能的高低。(2)钻机部件根据服务条件选择调质钢，应考虑工件截面尺寸对淬透性的影响。在淬火和回火的前提下，淬火和回火才能获得所需的机械特性。同时调整淬火和回火硬度的高低，以满足不同的使用强度要求。(3)渗碳钢材料的选择也具有淬透性、更高的韧性，通常是低碳合金钢，否则是低碳钢。(4)选择最符合零件性能要求的材料，以充分