對(duì)減速器軸材料選擇的分析

李郁蘭　趙清學(xué)

摘 要：零件或工具材料的選擇原則，首先，是要滿足使用性能的要求;其次，是所選材料要具有良好的工藝性能;第三，還要考慮經(jīng)濟(jì)性原則，在保證質(zhì)量的前提下，盡量降低生產(chǎn)成本和材料價(jià)格。質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉、能耗低、效率高、壽命長(zhǎng)是保證產(chǎn)品具有競(jìng)爭(zhēng)力的重要條件。

關(guān)鍵詞：中德思想;材料的選擇原則;45 #鋼;42CrMo鋼

中圖分類號(hào)：TH133文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.08.014

Abstract：The primary principle of materials selection for mechanical components and tools is to meet their functional and performance requirements. The selected material should also exhibit a good level of processability. In addition， the selected material should be economical. While maintaining product quality， one should attempt to minimize production and materials costs. Good quality， low cost， low energy consumption， high efficiency， and longevity are important factors to create and maintain the core competency of any given products.

Keywords： China-Germany ideology， materials selection principles， 45-Steel， 42CrMo- Steel.

1 現(xiàn)狀調(diào)查

國(guó)內(nèi)一家中德合作公司，在減速器軸的材料選擇上糾纏了很久，德方人員堅(jiān)持選擇C45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（中國(guó)鋼號(hào)為45），而中方人員則堅(jiān)持選擇42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，為此進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間的商討，因?yàn)樵诘聡?guó)，選擇C45鋼來制造減速器軸，完全能滿足其使用性能，保證足夠的使用壽命和安全可靠性，且C45鋼冶煉簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉;而在中國(guó)選擇國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的45 #鋼，雖然成分和工藝都符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，但在實(shí)際使用過程中強(qiáng)度和塑性等性能達(dá)不到要求，提前失效。于是中方技術(shù)人員堅(jiān)持選擇42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼，因?yàn)榻饘貱r、Mo的加入，使得42CrMo鋼的綜合力學(xué)性能大大優(yōu)于45 #鋼，所以完全能保證其使用性能，缺點(diǎn)是價(jià)格貴了不少，成本提高了。

2 原因分析

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定45 #鋼或C45鋼的含碳（C）量在0.42%～0.50%之間，硅（Si）的含量在0.17%～0.37%之間，錳（Mn）的含量在0.5%～0.8%之間，硫（S）的含量小于0.035%，磷（P）的含量小于0.035%，就是合格產(chǎn)品，這樣就能保證45 #鋼具有較好的綜合力學(xué)性能，在加工中再經(jīng)過正火和調(diào)質(zhì)處理后性能會(huì)更加優(yōu)良，完全可以保證其使用壽命。

45 #鋼一般按照上限要求：含碳量可達(dá)0.50%左右，如果鋼中硅（Si）的含量在0.37%左右，錳（Mn）的含量在0.8%～1.2%之間，硫（S）和磷（P）的含量小于0.035%，那么，屈服強(qiáng)度Rs為 392 MPa左右，抗拉強(qiáng)度Rm約為647 MPa，熱軋鋼硬度為255 HBS。按照下限要求：含碳量達(dá)到0.42%，硅（Si）的含量達(dá)到0.17%，錳（Mn）的含量達(dá)到0.5%，硫（S）和磷（P）的含量小于0.035%，也符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品也是合格的。但是屈服強(qiáng)度Rs僅為335 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm為565 MPa，熱軋鋼硬度為217 HBS。雖然兩種規(guī)格生產(chǎn)出來的鋼的成分都在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，都是45 #鋼（C45），但是含碳量越高，鋼的強(qiáng)度、硬度就越高，所以，含碳量為0.50%的45 #鋼比含碳量為0.42%的45 #鋼強(qiáng)度和硬度要高;而硅（Si）和錳（Mn）的含量越高，也有利于提高鋼的強(qiáng)度和硬度，又不降低其塑性和韌性;硫和磷的含量嚴(yán)格控制在0.035%以下，又能夠降低鋼的熱脆性和冷脆性。那么，同樣的45 #鋼由于成分含量的差別，導(dǎo)致強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的差別就很大了（如圖所示）。同時(shí)，在加工制造過程中，工藝過程（特別是熱處理）控制得是否恰當(dāng)，熱處理的技術(shù)水平和工藝參數(shù)是否達(dá)到要求，也會(huì)大大影響其性能。綜合各種因素，使得鋼的使用壽命和使用效果就會(huì)大不一樣。

3 選材原則

國(guó)內(nèi)外機(jī)械零件或工具選材的原則都是一樣的，在正常情況下，金屬材料的使用性能是選材時(shí)考慮的首要原則，使用性能主要是指零件在使用狀態(tài)下材料應(yīng)該具有的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。對(duì)大量機(jī)器零件和工程構(gòu)件來說，則主要是力學(xué)性能。對(duì)一些特殊條件下工作的零件，則必須根據(jù)要求考慮到材料的物理、化學(xué)性能。材料的使用性能能保證零件完成設(shè)計(jì)規(guī)定的功能，并安全地達(dá)到預(yù)期的使用壽命。其次，所選材料應(yīng)該具有良好的工藝性能，即材料能順利地加工成合格的機(jī)械零件，且技術(shù)難度小，工藝簡(jiǎn)單，能量消耗低，材料利用率高，有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量。第三是經(jīng)濟(jì)性原則，質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉、能耗低、效率高、壽命長(zhǎng)是保證產(chǎn)品具有競(jìng)爭(zhēng)力的重要條件。所以在滿足使用性能要求的前提下，以鍛代鑄，以焊代鍛，在加工中盡量采用少切屑和無(wú)切屑工藝，有效利用材料，零件生產(chǎn)的每一道工序都盡量減少，提高材料的利用率和再生利用率。另外，還要考慮國(guó)家的資源問題和能源問題，應(yīng)盡量選擇本土的材料和能耗低的材料。零件選用的材料必須保證其生產(chǎn)和使用的總成本最低。零件的總成本與其使用壽命、重量、加工費(fèi)用、研究費(fèi)用、維修費(fèi)用和材料價(jià)格有關(guān)。

4 中德思想的碰撞

德國(guó)人一向嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真、細(xì)致，標(biāo)準(zhǔn)要求高，嚴(yán)格按照選材原則來執(zhí)行。所以他們一步步按照最高規(guī)格生產(chǎn)鋼材，保證其使用性能;在加工制造過程中，無(wú)論是鍛造、鑄造還是切削加工等每一道工序，絕對(duì)保證產(chǎn)品的質(zhì)量，熱處理的技術(shù)水平也相當(dāng)高，工藝參數(shù)按標(biāo)準(zhǔn)要求來執(zhí)行，所以能最大限度地減少熱處理缺陷，很好地保證鋼材的成分和質(zhì)量。這樣的45 #鋼質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，完全能達(dá)到使用性能要求和使用效率。如果生產(chǎn)過程中過度追求降低成本，想盡辦法簡(jiǎn)化工藝，熱處理的加熱溫度、加熱速度、保溫時(shí)間和冷卻速度控制不當(dāng)，將會(huì)使零件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、氧化脫碳、硬度不足與軟點(diǎn)等缺陷，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品成分上雖然也在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍之內(nèi)，屬于合格產(chǎn)品，但是產(chǎn)品的壽命和安全性卻大打折扣。如此一來，同樣的45 #鋼性能差別就很大了，使用效果也就不一樣了。即使我們按照最高規(guī)格生產(chǎn)出來的45 #鋼，其價(jià)格和成本也會(huì)比42CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼低得多。因?yàn)橐睙?2CrMo鋼必須用電爐，鉻（Cr）的熔點(diǎn)是1903.0 ℃，鉬（Mo）的熔點(diǎn)是2622.0 ℃都屬于難熔金屬，需要消耗更多的能源，并且金屬鉻（Cr）和鉬（Mo）都是比較貴重的金屬。所以，一般情況下，能用45 #鋼就不用42CrMo鋼，這樣，不僅成本低，為國(guó)家節(jié)省了大量的稀有金屬和能源，重要的是性能可以完全滿足其使用要求。

目前，在德國(guó)生產(chǎn)的減速器軸采用德國(guó)的45 #鋼制造，能保證質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，完全能滿足其使用性能。而中國(guó)的廠家生產(chǎn)減速器軸，如果采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的45 #鋼，其使用性能特別是強(qiáng)度和韌性達(dá)不到要求，會(huì)導(dǎo)致減速器軸達(dá)不到規(guī)定的使用壽命，提前失效，從而造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。而中國(guó)則堅(jiān)持采用42CrMo合金調(diào)質(zhì)鋼來制造減速器軸，因?yàn)榻饘巽t的加入不僅能提高鋼的塑性和韌性，還能提高鋼的強(qiáng)度、硬度和淬透性，而金屬鉬的加入則能細(xì)化晶粒，提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，進(jìn)一步改善鋼的性能。再經(jīng)過淬火加高溫回火，42CrMo鋼就會(huì)獲得高強(qiáng)度和高韌性相配合的良好的綜合力學(xué)性能，保證其足夠的使用壽命和安全可靠性，從而大大地提高其使用價(jià)值和使用效果。當(dāng)然，也是因?yàn)殂t和鉬的加入，使得鋼的成本增加不少。

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