氣動離合器用20CrMnTi鋼扭力桿性能分析

孫國進，侯淼予，郜家武，任泰安，高道旭

1.河南工學院材料科學與工程學院 河南新鄉 453003

2.河南大林橡膠通信器材有限公司 河南新鄉 453600

3.河南精誠汽車零部件有限公司 河南新鄉 453000

1 序言

球磨機廣泛應用于選礦和礦粉球磨，隨著開采規模的不斷擴大以及生產能力的不斷提高，大型甚至超大型礦用球磨機的使用數量不斷攀升[1-4]。球磨機在起動、加料和出料過程中，由于重量和慣性的變化極易產生故障，而氣動離合器則是解決大型球磨機上述難題的關鍵部件。與傳統聯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，大型球磨機由傳統的“電動機→聯軸器→重載設備→直接起動”，優化為“電動機→氣動離合器→重載設備→分段起動”的方式，大幅度提高了重型設備的整體工作性能。此外，氣動離合器還具有以下優勢：其一、空載分段起動使設備動作過程迅速平穩，有效地保護了電動機；其二、大型重載設備的電動機在起動過程中對電網沖擊明顯降低；其三、可使重載設備的電動機功率減少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板上的扭力桿組成[5，6]。力矩從驅動軸開始，經過離合器部件、側板，再由扭力棒傳遞給摩擦閘瓦，力矩就經摩擦副傳到了從動部件上，釋放壓力后，在復位彈簧和離心力的作用下離合器分離，驅動力釋放。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為彎曲受力，同時兩端圓弧外表面因帶動側板運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，熱處理工藝為調質或者正火處理。扭力棒作為氣動離合器正常工作的關鍵零件，它對兩端位置軸頭表面耐磨性能具有較高要求[7-10]。調質或者正火狀態下的扭力桿經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所示為扭力桿因強度不足而產生的磨損失效和變形失效。

圖1 氣動離合器內部結構及扭力棒組件

圖2 調質處理扭力桿失效形式

目前，我國大型重載設備所使用的氣動離合器主要依賴國外進口，為進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性能，并與40Cr鋼調質扭力桿進行對比，希望能夠為我國氣動離合器扭力桿性能的進一步提高，提供技術支持和數據參考。

2 試驗材料

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，在保證基體良好強度和韌性的條件下，經過滲碳處理后可顯著提高表面的耐磨性能；40C r鋼經調質處理后具有優良的綜合力學性能。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（質量分數） （%）

扭力桿經過相應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。金相試樣經粗磨、精磨和拋光后，采用4%硝酸酒精浸蝕適當時間，然后在光學顯微鏡下觀察微觀組織。顯微硬度采用HVS-1000TMB顯微硬度計，載荷9.8N（1000g），宏觀硬度采用洛氏硬度計。扭力桿采用三點彎曲試驗測量抗彎強度，彎曲速度為2mm/min，檢測試樣為扭力桿實物。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 試驗結果與分析

3.1 扭力桿微觀組織分析

20CrMnTi鋼和40Cr鋼扭力桿實物如圖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 扭力桿實物

圖6 滲碳處理后20CrMnTi鋼扭力桿和調質后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鋼扭力桿調質處理狀態下，表面與心部為單一的回火索氏體組織（見圖6e），整體具有優良的綜合力學性能，但是表面耐磨性能有待進一步提高。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，可以有效改善扭力桿的綜合力學性能和使用壽命。

3.2 扭力桿力學性能分析

采用顯微硬度計對比分析了20CrMnTi鋼和40Cr鋼扭力桿的硬度，結果如圖7所示。從圖7可以看出，40Cr鋼扭力桿調質后的硬度不高，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域沒有產生塑性變形，這說明測量位置處具有較高的硬度；心部位置壓痕周圍區域則形成了明顯的塑性變形區域，這反應出材料具有一定的塑性變形能力。結合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鋼扭力桿實物，進行了三點彎曲試驗，分析兩種材料扭力桿，彎曲試驗如圖8所示。

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

圖8 扭力桿實物三點彎曲試驗

3.3 扭力桿彎曲斷口形貌

彎曲試驗后不同材質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，宏觀斷口顏色發暗，且高低不平，這說明裂紋在擴展過程中受到了阻礙，部分晶粒在裂紋擴展過程中發生的塑性變形，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一步分析，結果如圖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，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，裂紋在擴展過程中形成了臺階河流形貌，且有部分區域形成了層狀結構和韌窩形貌，并非完全的脆性斷裂，具有一定的抵抗裂紋擴展的能力。40Cr鋼扭力桿微觀斷口形貌中有大量的韌窩和撕裂區域，如圖10b所示。這說明40Cr鋼扭力桿在彎曲過程中產生了大量的塑性變形，為典型的韌性斷裂，這是由于調質處理得到的組織為回火索氏體，具有較高的綜合力學性能。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 三點彎曲斷口微觀形貌

為驗證本研究中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查。調查內容主要包括氣動離合器運行平穩性、運行噪聲和扭力桿使用性能三個方面，調查統計結果如圖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鋼扭力桿在運行平穩性、運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 扭力桿使用效果統計

4 結束語

扭力桿是氣動離合器的關鍵零部件，本文以提高扭力桿綜合使用性能為目標，研究了20CrMnTi鋼扭力桿滲碳處理后的微觀組織和力學性能，并與原有的40C r鋼扭力桿進行對比。20CrMnTi鋼扭力桿屈服強度1621MPa，遠高于40C r鋼扭力桿。調查統計結果顯示，本研究的20CrMnTi鋼扭力桿的客戶滿意度明顯高于40Cr鋼扭力桿。