一、 軸類零件的工況與性能要求

在選擇材料和熱處理工藝前，必須明確軸的服役條件：

受力情況：承受交變的扭轉(zhuǎn)、彎曲應力，可能伴有沖擊載荷。

失效形式：主要為疲勞斷裂（多為扭轉(zhuǎn)或彎曲疲勞）和軸頸磨損。

核心性能要求：

高強度和高疲勞強度：抵抗變形和疲勞斷裂。

良好的韌性：承受沖擊載荷，防止脆性斷裂。

表面高硬度、高耐磨性：抵抗裝配套件（如軸承、齒輪）的磨損。

良好的綜合力學性能：心部和表面性能的合理匹配。

二、 不同材質(zhì)軸類鍛件的熱處理工藝差異與選擇

根據(jù)軸的載荷、尺寸和重要性，其選材和熱處理工藝有很大差異。下圖清晰地展示了基于不同材質(zhì)和性能要求的熱處理工藝選擇路徑：

軸鍛件材料選擇

低碳鋼/合金鋼

(20, 20CrMnTi)

中碳鋼/合金鋼

(45, 40Cr, 42CrMo)

高合金鋼

(GCr15, 38CrMoAl)

滲碳 (Carburizing)

核心：表面高硬度高耐磨

心部高韌性

適用于高沖擊載荷

對耐磨性要求高?

感應淬火 (Induction Hardening)

核心：表面硬度高、變形小

適用于大型軸、局部淬火

調(diào)質(zhì) (Quenching & Tempering)

+（必要時）表面淬火

核心：綜合力學性能優(yōu)異

應用***廣泛的傳統(tǒng)工藝

特殊工藝

(完全淬火+低溫回火 / 氮化)

核心：超高強度/高耐磨耐疲勞

適用于精密、重載軸

以下是各類材料的詳細說明：

1. 中碳鋼及中碳合金結(jié)構(gòu)鋼 (***主流的選擇)

典型牌號：

碳鋼：45鋼（應用***廣）

合金鋼：40Cr、42CrMo、35CrMo、40MnB、34CrNiMo6

熱處理核心工藝：調(diào)質(zhì)處理 (Quenching and Tempering) + (表面淬火)

工藝細節(jié)：

調(diào)質(zhì) (QT)：

淬火：加熱至~850°C（Ac3以上30-50°C），保溫后在水或油中快速冷卻，得到高強度的馬氏體組織。

45鋼：淬透性差，常用于尺寸較小、載荷不大的軸，多采用水淬或聚合物溶液淬火。

40Cr/42CrMo：淬透性好，可用于尺寸較大、載荷重要的軸，采用油淬，變形和開裂風險更低。

回火：在500-650°C高溫回火，得到回火索氏體組織。目的是降低硬度、提高韌性和塑性，消除內(nèi)應力，獲得優(yōu)良的綜合力學性能。

作用：為軸提供強韌的心部性能，抵抗整體變形和疲勞裂紋的萌生。

表面淬火 (常為感應淬火)：

調(diào)質(zhì)后進行。利用感應電流快速加熱軸頸等表面區(qū)域，然后快速冷卻，僅使表層幾毫米深度硬化。

目的：在不降低心部韌性的前提下，使表面獲得高硬度（HRC 50-60）和高耐磨性。

優(yōu)點：變形小，效率高，易于自動化。

選擇依據(jù)：

45鋼：用于一般載荷、轉(zhuǎn)速不高的軸，如普通機床軸、小型傳動軸。

40Cr：用于中等載荷、轉(zhuǎn)速較高的軸，如汽車變速箱軸、機床主軸。

42CrMo, 34CrNiMo6：用于重載、承受沖擊載荷的大型軸，如船用軸、汽輪機轉(zhuǎn)子、重型車輛半軸。

2. 滲碳鋼 (低碳合金結(jié)構(gòu)鋼)

典型牌號：20CrMnTi、20CrMo、20Cr2Ni4A

熱處理核心工藝：滲碳 + 淬火 + 低溫回火 (Carburizing → Quenching → Low-temperature Tempering)

工藝細節(jié)：

滲碳：將軸在920~930°C的富碳氣氛中長時間保溫，使碳原子滲入表面，形成一層高碳（~0.8-1.0%C）的滲層（深度通常為0.5-2mm）。

淬火：

直接淬火：滲碳后預冷至淬火溫度直接淬火。

重新加熱淬火：滲碳緩冷后，再重新加熱到淬火溫度進行淬火。組織性能更易控制。

低溫回火：150~200°C回火，消除應力，穩(wěn)定組織。

***終組織與性能：

表面：高碳回火馬氏體 + 碳化物，硬度高（HRC 58-62）、耐磨性好。

心部：低碳馬氏體或屈氏體+鐵素體，硬度不高但韌性極好。

選擇依據(jù)：

適用于表面要求極高耐磨性，同時心部要求高韌性以承受強烈沖擊載荷的軸。

典型應用：汽車、拖拉機變速箱齒輪軸、發(fā)動機活塞銷、高速重載齒輪軸。

3. 氮化鋼 / 高合金特殊用鋼

典型牌號：38CrMoAlA（專用氮化鋼）、GCr15（軸承鋼）

熱處理核心工藝：調(diào)質(zhì) + 氮化 / 特殊淬火

工藝細節(jié)：

38CrMoAlA (氮化鋼)：

先調(diào)質(zhì)：獲得回火索氏體組織，為氮化做好組織準備。

精加工：氮化前軸需精加工到接近***終尺寸。

氮化：在500-570°C的氨氣中長時間保溫（20-50小時），使氮原子滲入表面，形成極高硬度（HV 1000-1200，約HRC 68-72）、高耐磨、高耐腐蝕的氮化物層。

優(yōu)點：變形極?。ā盁o變形熱處理”），硬度高熱穩(wěn)定性好。

應用：高精度、高速機床主軸、磨床砂輪軸、曲軸等。

GCr15 (軸承鋼)：

工藝：完全淬火 + 低溫回火。加熱到830-850°C后油淬，再150-160°C回火。

組織性能：得到極細小的回火馬氏體+均勻分布的碳化物，硬度高達HRC62-66，具有極高的接觸疲勞強度和耐磨性。

應用：主要用于制造滾動軸承的套圈和滾動體，但也用于制造精密機床主軸、絲杠等超高精度、高耐磨的軸類零件。

三、 鍛件熱處理工藝選擇總結(jié)與對比

材料類別典型牌號核心熱處理工藝性能特點適用軸類型

中碳鋼 45 調(diào)質(zhì) + (表面淬火) 心部韌性較好，表面耐磨 一般載荷傳動軸 

中碳合金鋼 40Cr, 42CrMo 調(diào)質(zhì) + (表面淬火) 綜合性能優(yōu)異，強韌性高 主流重載軸，如變速箱軸、轉(zhuǎn)子 

滲碳鋼 20CrMnTi 滲碳 + 淬火 + 低溫回火 表面超高耐磨，心部高韌性 高沖擊載荷軸，如汽車齒輪軸 

氮化鋼 38CrMoAlA 調(diào)質(zhì) + 氮化 表面極硬、耐磨、抗疲勞、變形極小 高精度、高速軸，如精密機床主軸 

軸承鋼 GCr15 淬火 + 低溫回火 超高硬度、耐磨、接觸疲勞強度高 小型精密軸，如儀器儀表軸 

四、 ***終決策邏輯：如何為一根軸選擇材料和熱處理？

分析工況：載荷大?。o/動/沖擊）、轉(zhuǎn)速、精度要求、有無磨損。

確定核心要求：

重載且沖擊大？ -> 優(yōu)先考慮滲碳鋼（20CrMnTi） 或高強度合金調(diào)質(zhì)鋼（34CrNiMo6）。

重載但沖擊一般？ -> 合金調(diào)質(zhì)鋼（42CrMo） + 調(diào)質(zhì) + 表面淬火是***佳選擇。

精度要求極高，變形要求極??？ -> 氮化鋼（38CrMoAlA） + 氮化。

普通載荷，成本敏感？ -> 45鋼 + 調(diào)質(zhì) + 表面淬火。

考慮尺寸效應：大截面軸必須選用高淬透性的合金鋼（如42CrMo代替40Cr，34CrNiMo6代替42CrMo），以確保心部能淬透，獲得良好的調(diào)質(zhì)效果。

總之，軸鍛件的熱處理是一個系統(tǒng)性工程，其選擇是材料科學、力學要求與生產(chǎn)經(jīng)濟性之間平衡的結(jié)果。對于關(guān)鍵部件，往往需要借助計算機模擬和工藝試驗來***終確定***優(yōu)方案。