浅谈钻机配件材料的选取

选购一批优质的钻机配件，直接决定了钻机的质量及在市场竞争力。钻机配件的设计离不开科学、合理、经济地选用材料，既要考虑配件的工作情况，又要考虑配件尺寸与质量限制，以及材料的经济适用与使用方便等，正确选材是比较复杂的。钻机配件中用得较为常见的材料主要由调质钢，渗碳钢，低碳马氏体，铸钢 ，球墨铸铁等。

1 调质钢 

含碳量0.30%～0.50%的中碳结构钢与中碳低合金结构钢经调质后具有良好的综合机械性能，即具有较高的抗拉强度，又具有较高的塑韧性，同一轴径选用不同钢材的工件采用不同调质工艺处理至同一硬度，得到的机械性能产生差异；不同轴径选用同一钢材的工件采用相同的调质工艺处理，各自的机械性能也产生差异，这一现象的产生是钢材淬透性这一特性造成的。调质效果与淬透性有着密切关系，淬得越透，心部得到的马氏体量越多，调质处理后的综合机械性能也越好。钻机配件选用调质材料时，必须考虑钢件淬透性与调质配件坯料尺寸的协调关系，保证工件调质热处理后达到要求的机械性能，对钻机关键配件尤应如此。

选用调质钢时，在淬透性满足要求的前提下，也要考虑降低材料使用成本。低合金结构钢与碳素结构钢在完全淬透的情况下，经高温回火到相同硬度时，两者的强度相近，塑韧性相差无几，此时，一般考虑用碳素结构钢，而不用合金结构钢。如小的定位销、撑脚、螺栓等常用45钢调质。轴类、齿轮类部分截面淬透即可满足性能要求，而不必选用全截面淬透钢材；在淬透性满足性能要求时，提高调质硬度满足较高负荷，而不是更换淬透性更好但价格高的材料，或是增大截面尺寸浪费材料。 

钻机φ20～40 mm销轴用35CrMo钢调质，硬度HB207～269。从销轴使用性能看，应是较高的强度，不是过多的塑韧性，以增加抗剪切与挤弯的能力。一般用35、45碳素钢等价格较低的钢，热处理硬度HRC30～45。若硬度HB207～269的强度下适合销轴的使用要求，则选45钢调质。钻机中轴径60 mm的花键轴，卷扬轴采用价格贵、罕用、淬透性较40Cr钢差的30CrMnTi钢，调质硬度HB230～270。其坯料调质淬火时表面淬硬HRC≥42也较难达到，3R/4 轴径表层基本无淬硬层，回火到HB230～270的硬度并不能表明其达到设计要求的机械性能。该钢主要用于大截面渗碳淬火负荷工件。用于较大负荷大轴径调质轴似乎失去其使用价值，且不能胜任。此时应考虑采用淬透性好的价格相对低些的35CrMo、42CrMo、35CrMnMo等钢，调质后保证淬透层达R/2处，能胜任大扭力矩与疲劳极限及一定的冲击负荷。若实际负荷较小，可考虑减小轴径，或采用40Cr钢，以节约材料成本。 

2 渗碳钢 

淬火并低温回火后，表面组织为高碳马氏体与碳化物组成，硬度高(HRC55～65)、耐磨；心部组织为低碳马氏体或低碳马氏体与铁素体等组成，硬度低(HRC＜43)，保持较高的塑韧性。广泛用于要求表面耐磨、心部韧的配件。15、20等低碳钢，因淬透性差，渗碳淬火后心部强度低。只适宜用于表面耐磨、截荷小、冲击轻微、心部不需要较高强度的小工件，如轴套、链条、小水阀等。配件表面要求耐磨，心部又要求有良好的强韧性，常采用20Cr、20CrMnTi钢等淬透性较好的低合金渗碳钢。如长期在摩擦条件下工作，承受一定交变负荷和冲击负荷的活塞销、销轴等常采用20Cr钢渗碳淬火；对交变负荷重、冲击较大的钻机齿轮(截面≤30～35 mm)，则采用20CrMnTi钢渗碳淬火。20CrMnTi钢渗碳淬火晶粒细小，淬透性好，且热处理变形小，可保证心部得到以低碳马氏体为主体的组织，心部强度高(HRC30～43)，同时又有较高的塑韧性(αk≥100 J/cm2)；对负荷更重的大截面(工件壁厚≥35～40 mm)的渗碳齿轮，可同重型拖拉机、汽车一样，采用30CrMnTi钢，保证心部较高强度，且心部与渗碳层过渡区的强度也较高。 

低碳钢渗碳淬火与中碳钢调质(正火)高频表面淬火，虽二者都是提高配件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，但使用时应有区分。一般讲，低碳钢淬火主要用于σb＝700～1000 Mpa的较大负荷及冲击较大、中低速的齿轮，花键轴类等钻机配件；而中碳钢高频表面淬火则用于相对负荷较轻(400～700 Mpa)，冲击较小的齿轮、轴类等配件。因中碳马氏体的高频淬火层的耐磨性及调质心部的强韧性均较低碳钢渗碳淬火的渗碳层及低碳马氏体心部的为低。此外，受高频淬火工艺的影响，较大模数(m＝5～6)重载齿轮及锥形伞齿轮，齿面高频淬火层沿齿廓分布而无法完成；尤以大锥齿轮两弧齿面硬度差值大，使用中常发生断齿等过早损坏现象，影响了钻机的正常运行。对此，应考虑采用20CrMnTi钢渗碳淬火取代40Cr钢调质与高频淬火，虽然制造成本高了些，但一顶几用，还是利大于弊。 

氮化运用问题。氮化工件具有表面硬度高，耐磨性好，抗蚀性强及较高的疲劳强度，特别是热处理变形小等特点。主要用于高速下相对滑动，易发生干摩擦的二个精密配件，如机床主轴、镗杆等；要求高抗蚀性与热硬性的模具(压铸模)挤压蜗杆等。对钻机中交变负荷较重，转速相对较低，振动较大，要求高的弯曲强度及接触疲劳强度的齿轮是不适用的。钻机齿轮用40Cr钢调质后氮化取代20CrMnTi钢渗碳淬火，事实证明，得不偿失。氮化层薄(厚度＜0.7 mm)，且脆，心部调质强度不足以支撑沉重的硬化层，使用中极易压碎、剥落，特别是钻机齿轮最需要的接触疲劳强度比渗碳淬火的低得多。若有些配件确需耗时50 h以上的氮化来提高质量，选用广泛使用的30CrMoAl钢为佳。 

3 低碳马氏体 

低碳钢淬火，低温回火后的低碳马氏体组织，具有较高的硬度(HRC30～45)与强度，又有较高的塑韧性，特别是材料强度与塑性复合抗力指标断裂韧性KIC也高。而中碳钢淬火后随回火温度(中高温)的降低，硬度与强度提高，但塑韧性下降，断裂韧性KIC也随着下降。在较高强度(HRC＞30)时，其断裂韧性与塑韧性均较低碳钢淬火的低得多。钻机中有些螺栓、销子、垫圈等配件要求较高强度，常采用45钢或40Cr钢，热处理硬度HRC35～45，但使用效果并不理想，常发生过早断裂失效。对此类热处理为最后一道工序，要求中硬度(HRC32～45)及断裂韧性KIC也较高的配件，采用15MnVB等低碳钢淬火，低温回火到要求的硬度，提高了配件使用寿命，且经济。 

4 铸钢 

钻机中换挡拔叉，一般形状比较复杂，惯用成型简单的铸钢ZG45制造，热处理后使用总的讲还可以。但一些换挡频繁，扭力较大的拔叉常易断叉损坏，对此应考虑用锻钢取代，以提高质量。因铸钢的成分波动大，夹杂、偏析、疏松等缺陷难以避免，各向异性明显，其机械性能达不到要求。 

5 球墨铸铁 

球墨铸铁具有良好的消震性，高耐磨性、切削加工性好，特别是配件成型简单，成本低。钻机中一些要求一定强度(σb＜600 Mpa)与耐磨性，冲击值不大(αk≤30～50 J/cm2)，锻钢成型加工复杂的配件，如曲轴、连杠等采用球墨铸铁制造，达到经济实用的效果。设计配件采用球墨铸铁制造代替锻钢，充分利用其耐压、耐弯、耐磨、造型简单的特长，如活塞环、缸筒等也可加以运用，保证质量、降低成本。同时，应注意的是石墨对基体连续性有一定中断作用，对配件强韧性有一定影响，在动态下工作，尤其承受抗拉、冲击负荷较大的关键部件应慎用。