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。

 
1  现状调查
 
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392MPa左右，抗拉强度Ｒm约为647MPa，热轧钢硬度为255HBS。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335MPa，抗拉强度Ｒm为565MPa，热轧钢硬度为217HBS。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。如此一来，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:
[1]王运炎.机械工程材料[M].2版.北京:机械工业出版社，2006.
[2]黄丽荣.金属材料与热处理[M].大连:大连理工大学出版社，2011.
[3]叶宏.金属材料与热处理[M].北京:化学工业出版社，2009.
[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.
 
 
作者：李郁兰，赵清学(驻马店技师学院)
来源：今日减速机