对减速器轴材料选择的分析

    李郁兰　赵清学

    

    摘 要：零件或工具材料的选择原则，首先，是要满足使用性能的要求;其次，是所选材料要具有良好的工艺性能;第三，还要考虑经济性原则，在保证质量的前提下，尽量降低生产成本和材料价格。质优、价廉、能耗低、效率高、寿命长是保证产品具有竞争力的重要条件。

    关键词：中德思想;材料的选择原则;45 #钢;42CrMo钢

    中图分类号：TH133文献标识码：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 現状调查

    国内一家中德合作公司，在减速器轴的材料选择上纠缠了很久，德方人员坚持选择C45优质碳素结构钢（中国钢号为45），而中方人员则坚持选择42CrMo合金结构钢，为此进行了很长时间的商讨，因为在德国，选择C45钢来制造减速器轴，完全能满足其使用性能，保证足够的使用寿命和安全可靠性，且C45钢冶炼简单，价格低廉;而在中国选择国内生产的45 #钢，虽然成分和工艺都符合技术标准要求，但在实际使用过程中强度和塑性等性能达不到要求，提前失效。于是中方技术人员坚持选择42CrMo合金结构钢，因为金属Cr、Mo的加入，使得42CrMo钢的综合力学性能大大优于45 #钢，所以完全能保证其使用性能，缺点是价格贵了不少，成本提高了。

    2 原因分析

    国际标准规定45 #钢或C45钢的含碳（C）量在0.42%～0.50%之间，硅（Si）的含量在0.17%～0.37%之间，锰（Mn）的含量在0.5%～0.8%之间，硫（S）的含量小于0.035%，磷（P）的含量小于0.035%，就是合格产品，这样就能保证45 #钢具有较好的综合力学性能，在加工中再经过正火和调质处理后性能会更加优良，完全可以保证其使用寿命。

    45 #钢一般按照上限要求：含碳量可达0.50%左右，如果钢中硅（Si）的含量在0.37%左右，锰（Mn）的含量在0.8%～1.2%之间，硫（S）和磷（P）的含量小于0.035%，那么，屈服强度Rs为 392 MPa左右，抗拉强度Rm约为647 MPa，热轧钢硬度为255 HBS。按照下限要求：含碳量达到0.42%，硅（Si）的含量达到0.17%，锰（Mn）的含量达到0.5%，硫（S）和磷（P）的含量小于0.035%，也符合国际标准，产品也是合格的。但是屈服强度Rs仅为335 MPa，抗拉强度Rm为565 MPa，热轧钢硬度为217 HBS。虽然两种规格生产出来的钢的成分都在标准要求范围内，都是45 #钢（C45），但是含碳量越高，钢的强度、硬度就越高，所以，含碳量为0.50%的45 #钢比含碳量为0.42%的45 #钢强度和硬度要高;而硅（Si）和锰（Mn）的含量越高，也有利于提高钢的强度和硬度，又不降低其塑性和韧性;硫和磷的含量严格控制在0.035%以下，又能够降低钢的热脆性和冷脆性。那么，同样的45 #钢由于成分含量的差别，导致强度、硬度、塑性和韧性的差别就很大了（如图所示）。同时，在加工制造过程中，工艺过程（特别是热处理）控制得是否恰当，热处理的技术水平和工艺参数是否达到要求，也会大大影响其性能。综合各种因素，使得钢的使用寿命和使用效果就会大不一样。

    3 选材原则

    国内外机械零件或工具选材的原则都是一样的，在正常情况下，金属材料的使用性能是选材时考虑的首要原则，使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的力学性能、物理性能和化学性能。对大量机器零件和工程构件来说，则主要是力学性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。材料的使用性能能保证零件完成设计规定的功能，并安全地达到预期的使用寿命。其次，所选材料应该具有良好的工艺性能，即材料能顺利地加工成合格的机械零件，且技术难度小，工艺简单，能量消耗低，材料利用率高，有利于提高产品的质量。第三是经济性原则，质优、价廉、能耗低、效率高、寿命长是保证产品具有竞争力的重要条件。所以在满足使用性能要求的前提下，以锻代铸，以焊代锻，在加工中尽量采用少切屑和无切屑工艺，有效利用材料，零件生产的每一道工序都尽量减少，提高材料的利用率和再生利用率。另外，还要考虑国家的资源问题和能源问题，应尽量选择本土的材料和能耗低的材料。零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。

    4 中德思想的碰撞

    德国人一向严谨、认真、细致，标准要求高，严格按照选材原则来执行。所以他们一步步按照最高规格生产钢材，保证其使用性能;在加工制造过程中，无论是锻造、铸造还是切削加工等每一道工序，绝对保证产品的质量，热处理的技术水平也相当高，工艺参数按标准要求来执行，所以能最大限度地减少热处理缺陷，很好地保证钢材的成分和质量。这样的45 #钢质优价廉，完全能达到使用性能要求和使用效率。如果生产过程中过度追求降低成本，想尽办法简化工艺，热处理的加热温度、加热速度、保温时间和冷却速度控制不当，将会使零件产生内应力、氧化脱碳、硬度不足与软点等缺陷，生产出来的产品成分上虽然也在标准规定的范围之内，属于合格产品，但是产品的寿命和安全性却大打折扣。如此一來，同样的45 #钢性能差别就很大了，使用效果也就不一样了。即使我们按照最高规格生产出来的45 #钢，其价格和成本也会比42CrMo合金结构钢低得多。因为冶炼42CrMo钢必须用电炉，铬（Cr）的熔点是1903.0 ℃，钼（Mo）的熔点是2622.0 ℃都属于难熔金属，需要消耗更多的能源，并且金属铬（Cr）和钼（Mo）都是比较贵重的金属。所以，一般情况下，能用45 #钢就不用42CrMo钢，这样，不仅成本低，为国家节省了大量的稀有金属和能源，重要的是性能可以完全满足其使用要求。

    目前，在德国生产的减速器轴采用德国的45 #钢制造，能保证质优价廉，完全能满足其使用性能。而中国的厂家生产减速器轴，如果采用国内生产的45 #钢，其使用性能特别是强度和韧性达不到要求，会导致减速器轴达不到规定的使用寿命，提前失效，从而造成不必要的经济损失和人员伤亡。而中国则坚持采用42CrMo合金调质钢来制造减速器轴，因为金属铬的加入不仅能提高钢的塑性和韧性，还能提高钢的强度、硬度和淬透性，而金属钼的加入则能细化晶粒，提高钢的淬透性和回火稳定性，进一步改善钢的性能。再经过淬火加高温回火，42CrMo钢就会获得高强度和高韧性相配合的良好的综合力学性能，保证其足够的使用寿命和安全可靠性，从而大大地提高其使用价值和使用效果。当然，也是因为铬和钼的加入，使得钢的成本增加不少。

    参考文献：

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    [4] 王传生.工程材料及应用[M].西安：西安电子科学大学出版社，2008.