對減速器軸材料選擇的分析

李郁蘭　趙清學

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，還要考慮經濟性原則，在保證質量的前提下，盡量降低生產成本和材料價格。質優、價廉、能耗低、效率高、壽命長是保證產品具有競爭力的重要條件。

關鍵詞：中德思想;材料的選擇原則;45 #鋼;42CrMo鋼

中圖分類號：TH133文獻標識碼：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 現狀調查

國內一家中德合作公司，在減速器軸的材料選擇上糾纏了很久，德方人員堅持選擇C45優質碳素結構鋼（中國鋼號為45），而中方人員則堅持選擇42CrMo合金結構鋼，為此進行了很長時間的商討，因為在德國，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，價格低廉;而在中國選擇國內生產的45 #鋼，雖然成分和工藝都符合技術標準要求，但在實際使用過程中強度和塑性等性能達不到要求，提前失效。于是中方技術人員堅持選擇42CrMo合金結構鋼，因為金屬Cr、Mo的加入，使得42CrMo鋼的綜合力學性能大大優于45 #鋼，所以完全能保證其使用性能，缺點是價格貴了不少，成本提高了。

2 原因分析

國際標準規定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%，就是合格產品，這樣就能保證45 #鋼具有較好的綜合力學性能，在加工中再經過正火和調質處理后性能會更加優良，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，屈服強度Rs為 392 MPa左右，抗拉強度Rm約為647 MPa，熱軋鋼硬度為255 HBS。按照下限要求：含碳量達到0.42%，硅（Si）的含量達到0.17%，錳（Mn）的含量達到0.5%，硫（S）和磷（P）的含量小于0.035%，也符合國際標準，產品也是合格的。但是屈服強度Rs僅為335 MPa，抗拉強度Rm為565 MPa，熱軋鋼硬度為217 HBS。雖然兩種規格生產出來的鋼的成分都在標準要求范圍內，都是45 #鋼（C45），但是含碳量越高，鋼的強度、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度和硬度，又不降低其塑性和韌性;硫和磷的含量嚴格控制在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，導致強度、硬度、塑性和韌性的差別就很大了（如圖所示）。同時，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，熱處理的技術水平和工藝參數是否達到要求，也會大大影響其性能。綜合各種因素，使得鋼的使用壽命和使用效果就會大不一樣。

3 選材原則

國內外機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考慮的首要原則，使用性能主要是指零件在使用狀態下材料應該具有的力學性能、物理性能和化學性能。對大量機器零件和工程構件來說，則主要是力學性能。對一些特殊條件下工作的零件，則必須根據要求考慮到材料的物理、化學性能。材料的使用性能能保證零件完成設計規定的功能，并安全地達到預期的使用壽命。其次，所選材料應該具有良好的工藝性能，即材料能順利地加工成合格的機械零件，且技術難度小，工藝簡單，能量消耗低，材料利用率高，有利于提高產品的質量。第三是經濟性原則，質優、價廉、能耗低、效率高、壽命長是保證產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、加工費用、研究費用、維修費用和材料價格有關。

4 中德思想的碰撞

德國人一向嚴謹、認真、細致，標準要求高，嚴格按照選材原則來執行。所以他們一步步按照最高規格生產鋼材，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，絕對保證產品的質量，熱處理的技術水平也相當高，工藝參數按標準要求來執行，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量。這樣的45 #鋼質優價廉，完全能達到使用性能要求和使用效率。如果生產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、保溫時間和冷卻速度控制不當，將會使零件產生內應力、氧化脫碳、硬度不足與軟點等缺陷，生產出來的產品成分上雖然也在標準規定的范圍之內，屬于合格產品，但是產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格生產出來的45 #鋼，其價格和成本也會比42CrMo合金結構鋼低得多。因為冶煉42CrMo鋼必須用電爐，鉻（Cr）的熔點是1903.0 ℃，鉬（Mo）的熔點是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，在德國生產的減速器軸采用德國的45 #鋼制造，能保證質優價廉，完全能滿足其使用性能。而中國的廠家生產減速器軸，如果采用國內生產的45 #鋼，其使用性能特別是強度和韌性達不到要求，會導致減速器軸達不到規定的使用壽命，提前失效，從而造成不必要的經濟損失和人員傷亡。而中國則堅持采用42CrMo合金調質鋼來制造減速器軸，因為金屬鉻的加入不僅能提高鋼的塑性和韌性，還能提高鋼的強度、硬度和淬透性，而金屬鉬的加入則能細化晶粒，提高鋼的淬透性和回火穩定性，進一步改善鋼的性能。再經過淬火加高溫回火，42CrMo鋼就會獲得高強度和高韌性相配合的良好的綜合力學性能，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值和使用效果。當然，也是因為鉻和鉬的加入，使得鋼的成本增加不少。

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