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、壽命長是保證產(chǎn)品具有競爭力的重要條件。
1 現(xiàn)狀調(diào)查
國內(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)行了很長時(shí)間的商討，因?yàn)樵诘聡?，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鋼冶煉簡單，價(jià)格低廉;而在中國選擇國內(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392MPa左右，抗拉強(qiáng)度Ｒm約為647MPa，熱軋鋼硬度為255HBS。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%，也符合國際標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品也是合格的。但是屈服強(qiáng)度Ｒs僅為335MPa，抗拉強(qiáng)度Ｒm為565MPa，熱軋鋼硬度為217HBS。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、壽命長是保證產(chǎn)品具有競爭力的重要條件。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，無論是鍛造、鑄造還是切削加工等每一道工序，絕對保證產(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，在德國生產(chǎn)的減速器軸采用德國的45#鋼制造，能保證質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，完全能滿足其使用性能。而中國的廠家生產(chǎn)減速器軸，如果采用國內(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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作者：李郁蘭，趙清學(xué)(駐馬店技師學(xué)院)
來源：今日減速機(jī)
