電動沖擊扳手T型軸材質(zhì)及熱處理工藝的合理選擇

游瑞華，張峰，王鳳崗

（ 浙江亞特電器股份有限公司，浙江 嘉興 314000 ）

0 引言

在部分電動沖擊扳手產(chǎn)品中，與套筒連接的T型軸因受到打擊塊的頻繁打擊及交變扭曲應力的作用，經(jīng)常出現(xiàn)T型軸打擊部分磨損嚴重或疲勞斷裂現(xiàn)象，致使沖擊扳手工作力矩下降，嚴重時或喪失功能，影響了工具的實際使用壽命。T型軸作為電動沖擊扳手關(guān)鍵零部件之一，其原材料和熱處理工藝的合理選用決定了整機的實際使用壽命長短，特別是在高功率、大扭矩產(chǎn)品中顯得尤為重要。本文分析電動沖擊扳手T型軸的材質(zhì)及熱處理工藝選用方案，旨在提升該類電動工具的實際使用壽命與產(chǎn)品可靠性。

1 概述

電動沖擊扳手的工作原理是通過高速旋轉(zhuǎn)的打擊塊不斷打擊T型軸而產(chǎn)生徑向旋轉(zhuǎn)力矩，從而擰緊和拆卸螺紋緊固件。T型軸在承受打擊塊的頻繁打擊以及交變應力作用下，打擊的接觸面和與套筒相連的四方頭出現(xiàn)磨損或斷裂現(xiàn)象，達到一定程度后，致使沖擊力矩下降，整機性能也隨之下降或喪失[1]。設(shè)計開發(fā)電動沖擊扳手，特別是大扭矩沖擊扳手時，合理選擇T型軸的原材料和熱處理工藝至關(guān)重要。

2 方案設(shè)計

2.1 小扭矩電動沖擊扳手

小扭矩電動沖擊扳手，是指擰緊力矩小于200 N·m的產(chǎn)品系列，適用于M8～M16標準螺栓螺母或M6～M12高強度螺栓螺母。因其力矩小，T型軸毛胚可選用低合金滲碳鋼20CrMnTi、20CrMo、20CrNiMo（SAE 8620）或20CrNi2Mo(SAE 4320)等材料冷鍛或冷擠壓而成，或采用中碳合金鋼35CrMo、42CrMo等材料熱鍛而成[2]。毛胚經(jīng)粗、半精加工后，進行滲碳淬火熱處理或淬火回火熱處理，零部件制造工藝流程如下：棒料（卷料）—冷鍛或冷擠壓或熱鍛—T型軸毛胚—粗加工、半精加工—熱處理（低合金鋼滲碳淬火、中碳合金鋼淬火回火處理）—噴丸或拋丸表面處理—精加工—組裝T型軸成品—檢驗—表面涂防銹油處理—包裝出貨。

20CrMnTi、20CrNiMo等低合金鋼，900℃～930℃滲碳后冷卻至760℃～850℃油淬火再經(jīng)160℃～200℃低溫回火2 h～3 h，得到的滲碳層表面顯微組織為隱針狀回火馬氏體+少量細粒狀彌散均勻分布的碳化物，顯微組織為回火馬氏體,如圖1和圖2所示。滲碳層深度為0.8 mm～1.2 mm，表面硬度650 HV0.2～750 HV0.2，內(nèi)部硬度400 HV0.2～500 HV0.2（40 HRC～48 HRC），可得到更高的力學性能和應用性能。

圖1 20CrMnTi滲碳淬火+回火后表面金相組織

圖2 20CrMnTi滲碳淬火+回火后芯部金相組織

35CrMo、42CrMo等中碳合金鋼，加熱至830℃～860℃整體油淬火再經(jīng)160℃～250℃低溫回火后，得到的金相組織為板條狀回火馬氏體+少量細粒狀彌散均勻分布的碳化物，硬度為48 HRC～53 HRC。

2.2 中扭矩電動沖擊扳手

中扭矩電動沖擊扳手，是指擰緊力矩為200 N·m～500 N·m的產(chǎn)品系列，適用于M12～M22標準螺栓螺母或M10～M16高強度螺栓螺母。T型軸毛胚一般選用低合金滲碳鋼20CrNiMo（SAE 8620）或20CrNi2Mo (SAE 4320)等材料冷鍛或冷擠壓而成。毛胚經(jīng)粗、半精加工后，進行滲碳淬火熱處理，零部件制造工藝流程如下：棒料（或卷料）—冷鍛或冷擠壓—T型軸毛胚—粗加工、半精加工—熱處理（滲碳淬火+回火）—噴丸或拋丸表面處理—精加工—組裝T型軸成品—檢驗—表面涂防銹油處理—包裝出貨。

20CrNiMo（SAE 8620）、20CrNi2Mo(SAE 4320)等低合金鋼，900℃～930℃滲碳后冷卻至860℃左右油淬火再170℃低溫回火3 h后，得到的滲碳層表面顯微組織是1～5級針狀回火馬氏體+少量1～4級細粒狀碳化物+少量2～5級殘余奧氏體，內(nèi)部顯微組織為板條狀回火馬氏體+少量貝氏體，如圖3、圖4所示。滲碳層深度為0.7 mm～1.0 mm，表面硬度650 HV0.2～750 HV0.2，內(nèi)部硬度400 HV0.2～-500 HV0.2（40 HRC～48 HRC）。

圖3 20CrNi2Mo滲碳淬火+回火后表面金相組織

圖4 20CrNi2Mo滲碳淬火+回火后芯部金相組織

2.3 大扭矩電動沖擊扳手

大扭矩電動沖擊扳手，是指擰緊力矩為500 N·m～2 500 N·m的產(chǎn)品系列，適用于M12～M48標準螺栓螺母或M10～M36高強度螺栓螺母。大扭矩電動沖擊扳手T型軸，因其受到更大的沖擊力矩和疲勞應力作用，更容易磨損或斷裂，原材料的合理選材和合適的熱處理工藝尤為重要。

1）方案一

采用20Cr2Ni4或20CrNi4Mo高強度合金滲碳鋼棒料，經(jīng)冷鍛或冷擠壓毛胚、粗、半精加工后，進行滲碳淬火+低溫回火熱處理，零部件制造工藝流程如下：棒料—冷鍛或冷擠壓—T型軸毛胚—粗加工、半精加工—熱處理（滲碳淬火+低溫回火）—噴丸或拋丸表面處理—精加工—組裝T型軸成品—檢驗—表面涂防銹油處理—包裝出貨。

20Cr2Ni4高強度合金鋼，900℃～930℃氣體滲碳后冷卻至880℃時第1次油淬火，再進行第2次780℃油淬火，隨后在-60℃～-80℃深冷1 h～2 h，經(jīng)180℃～200℃低溫回火2 h～3 h后，得到的滲碳層表面顯微組織是隱針狀回火馬氏體+少量細粒狀彌散均勻分布的碳化物，內(nèi)部顯微組織為板條狀回火馬氏體+少量貝氏體，如圖5、圖6所示。滲碳層深度為0.8 mm～1.2 mm，表面硬度650 HV0.2～750 HV0.2，內(nèi)部硬度400 HV0.2～500 HV0.2（40 HRC～48 HRC）。

圖5 20Cr2Ni4滲碳淬火+回火后表面金相組織

圖6 20Cr2Ni4滲碳淬火+回火后芯部金相組織

2）方案二

采用30CrNi4Mo或40CrNiMoA高強度合金鋼棒料，經(jīng)冷鍛或冷擠壓毛胚、粗、半精加工后，再進行淬火+低溫回火+兩端局部高頻感應淬火熱處理，零部件制造工藝流程如下：棒料—冷鍛或冷擠壓—T型軸毛胚—粗加工、半精加工—熱處理（淬火+低溫回火+兩端局部高頻感應淬火）—噴丸或拋丸表面處理—精加工—組裝T型軸成品—檢驗—表面涂防銹油處理—包裝出貨。

30CrNi4Mo高強度合金鋼半成品零件，820℃～860℃溫度范圍內(nèi)油淬火，經(jīng)180℃～230℃低溫回火后，在T型軸四方頭部分和打擊面兩個凸耳部分進行局部高頻感應淬火處理，淬硬層的深度一般為0.8 mm～1.2 mm，表面硬度650 HV0.2～750 HV0.2，內(nèi)部硬度450 HV0.2～530 HV0.2（45 HRC～52 HRC）。淬硬層表面顯微組織是隱針狀回火馬氏體+少量細粒狀彌散均勻分布的碳化物，內(nèi)部顯微組織為板條狀回火馬氏體+少量貝氏體,如圖7、圖8所示。四方頭及打擊部分的表面可獲得更高的硬度、強度、耐磨性和疲勞強度，同時軸的內(nèi)部仍保持較高的強韌性。

圖7 30CrNi4Mo淬火回火+高頻淬火后的表面金相組織

圖8 30CrNi4Mo淬火回火+高頻淬火后的芯部金相組織

3 結(jié)語

電動沖擊扳手T型軸，尤其是大扭矩的沖擊扳手T型軸，通過合理的選用原材料和熱處理工藝，獲得更高的表面硬度、強度、耐磨性和疲勞強度，同時內(nèi)部仍保持較高的強韌性，可較大程度提升T型軸和電動沖擊扳手的實際使用壽命。