氣動離合器用20CrMnTi鋼扭力桿性能分析

孫國進(jìn)，侯淼予，郜家武，任泰安，高道旭

1.河南工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 河南新鄉(xiāng) 453003

2.河南大林橡膠通信器材有限公司 河南新鄉(xiāng) 453600

3.河南精誠汽車零部件有限公司 河南新鄉(xiāng) 453000

1 序言

球磨機(jī)廣泛應(yīng)用于選礦和礦粉球磨，隨著開采規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及生產(chǎn)能力的不斷提高，大型甚至超大型礦用球磨機(jī)的使用數(shù)量不斷攀升[1-4]。球磨機(jī)在起動、加料和出料過程中，由于重量和慣性的變化極易產(chǎn)生故障，而氣動離合器則是解決大型球磨機(jī)上述難題的關(guān)鍵部件。與傳統(tǒng)聯(lián)軸器的剛性連接方式不同，氣動離合器采用了柔性的、摩擦可控式的連接方式，在氣動離合器的作用下，大型球磨機(jī)由傳統(tǒng)的“電動機(jī)→聯(lián)軸器→重載設(shè)備→直接起動”，優(yōu)化為“電動機(jī)→氣動離合器→重載設(shè)備→分段起動”的方式，大幅度提高了重型設(shè)備的整體工作性能。此外，氣動離合器還具有以下優(yōu)勢：其一、空載分段起動使設(shè)備動作過程迅速平穩(wěn)，有效地保護(hù)了電動機(jī)；其二、大型重載設(shè)備的電動機(jī)在起動過程中對電網(wǎng)沖擊明顯降低；其三、可使重載設(shè)備的電動機(jī)功率減少20%，顯著降低了投資成本。

氣動離合器主要包括本體、側(cè)板、閘瓦及氣囊等組件，具體如圖1所示。氣動離合器工作過程中力的傳遞是由摩擦閘瓦組件完成的，它由裝在鋁制墊板上的摩擦片和固定在側(cè)板上的扭力桿組成[5，6]。力矩從驅(qū)動軸開始，經(jīng)過離合器部件、側(cè)板，再由扭力棒傳遞給摩擦閘瓦，力矩就經(jīng)摩擦副傳到了從動部件上，釋放壓力后，在復(fù)位彈簧和離心力的作用下離合器分離，驅(qū)動力釋放。從氣動離合器的工作過程可以看出，扭力桿在工作過程中的受力狀態(tài)為彎曲受力，同時(shí)兩端圓弧外表面因帶動側(cè)板運(yùn)動而受到摩擦力的作用。通常情況下扭力桿所選擇的材料為40Cr鋼、42CrMo鋼、45鋼等，熱處理工藝為調(diào)質(zhì)或者正火處理。扭力棒作為氣動離合器正常工作的關(guān)鍵零件，它對兩端位置軸頭表面耐磨性能具有較高要求[7-10]。調(diào)質(zhì)或者正火狀態(tài)下的扭力桿經(jīng)常因表面磨損或整體塑性變形而無法正常工作，從而影響氣動離合器的使用壽命，圖2所示為扭力桿因強(qiáng)度不足而產(chǎn)生的磨損失效和變形失效。

圖1 氣動離合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及扭力棒組件

圖2 調(diào)質(zhì)處理扭力桿失效形式

目前，我國大型重載設(shè)備所使用的氣動離合器主要依賴國外進(jìn)口，為進(jìn)一步提高氣動離合器扭力桿的使用壽命，避免我國大型重載設(shè)備受制于人，本文研究了20CrMnTi鋼扭力桿滲碳處理后的組織和力學(xué)性能，并與40Cr鋼調(diào)質(zhì)扭力桿進(jìn)行對比，希望能夠?yàn)槲覈鴼鈩与x合器扭力桿性能的進(jìn)一步提高，提供技術(shù)支持和數(shù)據(jù)參考。

2 試驗(yàn)材料

本研究使用的材料主要為20CrMnTi鋼和40Cr鋼，其主要合金元素含量見表1。20C r M n T i鋼中含有C r、M n、Ti等元素，在保證基體良好強(qiáng)度和韌性的條件下，經(jīng)過滲碳處理后可顯著提高表面的耐磨性能；40C r鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。本研究的扭力桿尺寸為348.00mm×38.00mm×12.15mm（長×寬×高），熱處理工藝如圖3所示。

圖3 扭力桿熱處理工藝

表1 20CrMnTi鋼和40Cr鋼主要合金元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

扭力桿經(jīng)過相應(yīng)的熱處理工藝處理后，分別在端部軸頭位置截取金相試樣和硬度試樣。金相試樣經(jīng)粗磨、精磨和拋光后，采用4%硝酸酒精浸蝕適當(dāng)時(shí)間，然后在光學(xué)顯微鏡下觀察微觀組織。顯微硬度采用HVS-1000TMB顯微硬度計(jì)，載荷9.8N（1000g），宏觀硬度采用洛氏硬度計(jì)。扭力桿采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測量抗彎強(qiáng)度，彎曲速度為2mm/min，檢測試樣為扭力桿實(shí)物。彎曲斷口采用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌，加速電壓10kV，工作距離20mm。扭力桿尺寸及公差要求如圖4所示。

圖4 扭力桿尺寸及公差要求

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 扭力桿微觀組織分析

20CrMnTi鋼和40Cr鋼扭力桿實(shí)物如圖5所示。取端部軸頭位置觀察20CrMnTi鋼和40Cr鋼扭力桿的微觀組織形貌，如圖6所示。

圖5 扭力桿實(shí)物

圖6 滲碳處理后20CrMnTi鋼扭力桿和調(diào)質(zhì)后40Cr鋼扭力桿微觀組織形貌

從圖6中可以看出，20CrMnTi鋼扭力桿滲碳處理后，從表面到心部的微觀組織有著明顯的差別，這是由于扭力桿在滲碳過程中形成了表面高碳、心部低碳的梯度分布。試樣的表面滲碳后碳含量高，因此在隨后的淬火和低溫回火過程中形成的高碳回火馬氏體+大量的碳化物+少量殘留奧氏體的復(fù)相微觀組織（見圖6b），具有極高的硬度和表面耐磨性能；次表面的組織為回火馬氏體和少量的碳化物，由于較表面碳含量低，所以碳化物含量明顯減小，如圖6c所示。20CrMnTi鋼扭力桿心部基體組織為低碳板條回火馬氏體（見圖6d），低碳回火板條馬氏體與高碳馬氏體相比，韌性得到了明顯的改善和提高，保證了扭力桿在工作過程中的韌性要求。

40Cr鋼扭力桿調(diào)質(zhì)處理狀態(tài)下，表面與心部為單一的回火索氏體組織（見圖6e），整體具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，但是表面耐磨性能有待進(jìn)一步提高。由此可以看出，與原有的40Cr鋼扭力桿相比，本研究所采用的20CrMnTi鋼扭力桿經(jīng)滲碳表面處理后，在表面獲得了高硬度的高碳馬氏體和碳化物，在心部形成了具有一定韌性的板條馬氏體。這種表面硬度高、心部韌性高的狀態(tài)，可以有效改善扭力桿的綜合力學(xué)性能和使用壽命。

3.2 扭力桿力學(xué)性能分析

采用顯微硬度計(jì)對比分析了20CrMnTi鋼和40Cr鋼扭力桿的硬度，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，40Cr鋼扭力桿調(diào)質(zhì)后的硬度不高，在350HV附近，這與其回火索氏體的微觀組織一致。20CrMnTi鋼扭力桿硬度呈梯度分布，表面硬度達(dá)到743HV，心部硬度為432HV，隨著距離表面尺寸的增加，硬度趨于平緩，這與滲碳后的組織一致。從顯微硬度的壓痕可以看出，表面位置壓痕周圍區(qū)域沒有產(chǎn)生塑性變形，這說明測量位置處具有較高的硬度；心部位置壓痕周圍區(qū)域則形成了明顯的塑性變形區(qū)域，這反應(yīng)出材料具有一定的塑性變形能力。結(jié)合20CrMnTi鋼扭力桿硬度分布，可以看出其滲碳層深度為1.13mm。

圖7 扭力桿硬度分布

對熱處理后的20CrMnTi鋼和40Cr鋼扭力桿實(shí)物，進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，分析兩種材料扭力桿，彎曲試驗(yàn)如圖8所示。

從圖8a可以看出，20CrMnTi鋼扭力桿的抗彎強(qiáng)度明顯高于40Cr鋼扭力桿的抗彎強(qiáng)度。20CrMnTi鋼扭力桿在彎曲過程中，可以承受4.2mm的彎曲變形量，抗彎強(qiáng)度1621MPa。20CrMnTi鋼扭力桿在彎曲過程中屈服行為不明顯，但是總體抗彎強(qiáng)度要明顯高于40Cr鋼扭力桿。40Cr鋼扭力桿調(diào)質(zhì)后具有良好的綜合力學(xué)性能，彎曲過程中產(chǎn)生了明顯的塑性變形（見圖8b），但是40Cr鋼扭力桿極易產(chǎn)生屈服，能承受的載荷非常有限。參考拉伸試驗(yàn)確定屈服強(qiáng)度的方法，將圖8a中的彎曲曲線進(jìn)行局部放大分析，標(biāo)記出了40Cr鋼扭力桿的屈服強(qiáng)度（見圖8b），由此可以看出，40Cr鋼扭力桿在下壓量僅為1.9mm時(shí)，就開始產(chǎn)生屈服行為，屈服強(qiáng)度僅為628MPa，明顯低于20CrMnTi鋼扭力桿的1621MPa。從上述分析可以明顯看出，20CrMnTi鋼扭力桿的屈服強(qiáng)度和彎曲位移是40Cr鋼扭力桿的2.5倍以上。

圖8 扭力桿實(shí)物三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

3.3 扭力桿彎曲斷口形貌

彎曲試驗(yàn)后不同材質(zhì)扭力桿的試樣變形情況如圖9所示，從圖中看出，20CrMnTi鋼扭力桿在彎曲之后沒有明顯的塑性變形，為脆性斷裂；而40Cr鋼扭力桿在彎曲過程中產(chǎn)生塑性變形。雖然20CrMnTi鋼扭力在彎曲過程中沒有明顯的塑性變形，但是從圖9c宏觀斷口形貌可以看到，宏觀斷口顏色發(fā)暗，且高低不平，這說明裂紋在擴(kuò)展過程中受到了阻礙，部分晶粒在裂紋擴(kuò)展過程中發(fā)生的塑性變形，扭力桿的塑性得到了一定的改善。采用掃描電子顯微鏡對20CrMnTi鋼和40Cr鋼扭力桿的斷口作進(jìn)一步分析，結(jié)果如圖10所示。

圖9 不同材料扭力桿彎曲后形貌

從圖10a可以看出，20CrMnTi鋼扭力桿斷口形貌為典型的穿晶斷裂，屬于脆性斷裂的范圍。這與20CrMnTi鋼的熱處理工藝有關(guān)，扭力桿滲碳處理后為保證表面硬度的耐磨性能，采用了低溫回火處理，因此其斷裂屬于脆性斷裂。但是，20CrMnTi鋼扭力桿在彎曲斷裂過程中，形成了大量小平面，裂紋在擴(kuò)展過程中形成了臺階河流形貌，且有部分區(qū)域形成了層狀結(jié)構(gòu)和韌窩形貌，并非完全的脆性斷裂，具有一定的抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。40Cr鋼扭力桿微觀斷口形貌中有大量的韌窩和撕裂區(qū)域，如圖10b所示。這說明40Cr鋼扭力桿在彎曲過程中產(chǎn)生了大量的塑性變形，為典型的韌性斷裂，這是由于調(diào)質(zhì)處理得到的組織為回火索氏體，具有較高的綜合力學(xué)性能。綜合考慮扭力桿的失效形式和受力過程可知，扭力桿對表面的耐磨性有著更高的要求，可以推測本研究的20CrMnTi鋼更適合于制備扭力桿。

圖10 三點(diǎn)彎曲斷口微觀形貌

為驗(yàn)證本研究中20CrMnTi鋼扭力桿的使用效果，對投放到市場的20CrMnTi鋼扭力桿和原有的40Cr鋼扭力桿開展了有針對性的客戶滿意度調(diào)查。調(diào)查內(nèi)容主要包括氣動離合器運(yùn)行平穩(wěn)性、運(yùn)行噪聲和扭力桿使用性能三個(gè)方面，調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖11所示。由圖可以看出，在溫和工況情況下，20CrMnTi鋼扭力桿和原有的40Cr鋼扭力桿均有較高的客戶滿意度；但是在惡劣工況條件下，20CrMnTi鋼扭力桿在運(yùn)行平穩(wěn)性、運(yùn)行噪聲和扭力桿使用性能方面均明顯高于40Cr鋼扭力桿。

圖11 扭力桿使用效果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)束語

扭力桿是氣動離合器的關(guān)鍵零部件，本文以提高扭力桿綜合使用性能為目標(biāo)，研究了20CrMnTi鋼扭力桿滲碳處理后的微觀組織和力學(xué)性能，并與原有的40C r鋼扭力桿進(jìn)行對比。20CrMnTi鋼扭力桿屈服強(qiáng)度1621MPa，遠(yuǎn)高于40C r鋼扭力桿。調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，本研究的20CrMnTi鋼扭力桿的客戶滿意度明顯高于40Cr鋼扭力桿。